Трудности при использовании металлов в качестве чистого топлива

Одна из творческих идей заключается в том, чтобы генерировать энергию, которая выделяется при сжигании некоторых переходных металлов. Эта идея говорит о том, что существуют углеродно-нейтральные методы, которые могут удовлетворить имеющиеся энергетические потребности

Подавляющее большинство ученых согласны с тем, что деятельность человека внесла значительный вклад в изменение климата. Несмотря на то, что в мировой научной литературе оценка серьезности рисков для здоровья человека, связанных со всемирным потеплением, снижается, негативные факторы, вызванным антропогенным влиянием, по-прежнему представляют серьезный риск для благополучия живущих сегодня людей и будущих поколений.

Весьма вероятно, что наблюдаемое повышение температуры на планете в период 1951-2010 гг. связано с соответствующим увеличением уровня антропогенных выбросов парниковых газов. Кроме того, согласно прогнозам, в 21 веке приземная температура будет продолжать расти, поскольку волны тепла и засухи будут увеличиваться по продолжительности и интенсивности.

Уровень антропогенных выбросов парниковых газов, которые поглощают и излучают лучистую энергию в тепловом инфракрасном диапазоне, сейчас выше, чем когда-либо, в первую очередь за счет беспрецедентного роста концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. К другим первичным парниковым газам относятся водяной пар, метан и озон, но рост выбросов CO₂ вызывает наибольшую озабоченность. Снижение уровня концентрации парниковых газов в атмосфере могло бы предотвратить или, по крайней мере, отсрочить будущие катастрофические климатические последствия, связанные с ростом температуры окружающей среды.

Наибольшее количество антропогенных выбросов CO₂ появляется в процессе сжигания ископаемого топлива. По оценкам, 94% выбросов CO₂ во всем мире связано с оборотом газа, нефти и угля. Поскольку мировое общественное движение за использование чистой энергии, поступающей из источников с нулевым выбросом CO₂, продолжает приобретать популярность, возникает вопрос: какой источник чистой энергии наиболее приемлем в использовании?

Поиск альтернативных видов топлива

Список возобновляемых источников энергии непрерывно пополняется за счет изучения естественных природных процессов. К ним относятся солнечная энергия, ветер, водные ресурсы и растительная биомасса. Если ископаемое топливо продолжать сжигать, то оно когда-нибудь закончится. Ограниченные объемы ископаемого топлива и темпы его производства подрывают потенциал роста мировой экономики. Поэтому существует необходимость развивать технологии, которые позволяют использовать альтернативные формы энергии, особенно из возобновляемых или чистых источников. Использование солнечной, ядерной, ветровой и гидроэнергетики пока для многих продолжает казаться безальтернативным вариантом развития энергетики будущего. Несмотря на значительные трудности, вызванные пандемией COVID-19, согласно прогнозам, в 2020 году мировые энергетические мощности увеличатся на 4 процента по выработке электроэнергии из возобновляемых источников, а в следующем году - на 10 процентов.

Сохраняется надежда на будущее развитие водородных топливных элементов. На первый взгляд они несут в себе множество перспектив. Однако использование водородного топлива остается очень дорогим, его трудно хранить, и оно взрывопожароопасно. Хотя стоимость водородных топливных элементов снижается, лидеры в области энергетики отмечают шаткость будущей экономики, если она будет основана на водороде, учитывая такие факторы, как поведение потребителей и затраты на развитие технологий.

Использование металлов в качестве источника чистого топлива

Одна из творческих идей заключается в том, чтобы генерировать энергию, которая выделяется при сжигании некоторых переходных металлов. Эта идея говорит о том, что существуют углеродно-нейтральные методы, которые могут удовлетворить имеющиеся энергетические потребности.

Однако, чтобы этот процесс можно было рассматривать в качестве альтернативного варианта, он должен быть чистым, пригодным для вторичной переработки и физически осуществим. Это правда, что металлические порошки являются энергоносителями, которые теоретически могут использоваться в качестве большого количества чистой возобновляемой энергии, и их можно легко транспортировать. При сжигании металлического топлива производится чистая энергия в виде тепла с нулевым выбросом углерода, а единственным продуктом его сгорания является оксид металла.

Однако, чтобы поддерживать действительно «чистый» цикл, эти оксиды металлов должны иметь способность восстанавливаться до исходной формы с помощью другого чистого источника энергии через процесс, известный как электролитический цикл металл-топливо. Теоретически металлы могут реагировать с различными окислителями, включая, помимо прочего, кислород, серу, двуокись углерода и воду. Часто из-за легкодоступности в качестве реагента выбирают элементарный кислород. Химически активные металлы, такие как железо и алюминий, обладают высокой плотностью энергии, которая может быть легко использована в реакциях с кислородом.

Это объясняет тот факт, что извлеченные из Земли и алюминий, и железо в основном находятся в окисленных формах, и их необходимо восстановить, чтобы получился чистый металл. Именно здесь возникает множество ключевых вопросов, связанных с окислением металлов, в том числе «пригодных, чтобы их повторно использовать в качестве топлива». Если не будет эффективного источника энергии, являющегося одновременно прибыльным и экологически безопасным, с помощью которого оксиды металлов могут быть восстановлены до их чистой формы, металлическое топливо вряд ли станет крупномасштабным возобновляемым источником энергии.

Металлическое топливо, пригодное для вторичного использования, также может нанести значительный ущерб окружающей среде, создавая угрозу глобальному биоразнообразию. Добыча металлов ведется по всему миру, и 8% районов их добычи пересекаются с охраняемыми территориями, 7% - с ключевыми районами биоразнообразия и 16% - находятся в дикой природе.

Дальнейшее расширение районов добычи металлов значительно усугубит существующие угрозы экосистемам. Рост доли металлов в хозяйственной деятельности увеличит воздействие токсичных ионов или ядовитого дыма на окружающую среду. Поэтому крайне важно, чтобы все стороны металлического топлива были глубоко изучены, если его рассматривать в качестве источника чистой энергии.

Базовый анализ экономической эффективности металлического топлива

Чтобы представить себе объем металла, необходимый, чтобы поддерживать глобальный спрос на энергоресурсы в течение только одного года, был проведен расчет количества энергии, которую можно получить с одной затраченной денежной единицы, для четырех распространенных металлов: Алюминий (Al), Магний (Mg), Титан (Ti), Цинк (Zn).

Мировое потребление энергии в 2020 году составило 5,84 × 10²⁰ Джоулей. Рассматривая наиболее экономически эффективный металл из взятой группы - алюминий, потребуется не менее его 1,88 × 10¹³ кг для удовлетворения мировых энергетических потребностей. Этот расчет предполагает, что извлечение энергии при сжигании алюминия является совершенно эффективным процессом, поэтому вполне вероятно, что это количество значительно возрастет.

Расчеты показывают основные проблемы с металлическим топливом, если его рассматривать в качестве основного источника чистой энергии. После того как металл окислится, потребуется установка крупногабаритных устройств, перерабатывающих отработанные металлы, чтобы их повторно использовать. Никаких расчетов относительно затрат на повторную переработку топлива для каждого конкретного металла не производилось, и вполне вероятно, что технологии, связанные с этим процессом, требуют значительных ресурсов.

В настоящее время нет источника чистой энергии, с помощью которого стало бы возможным преобразовывать окисленные металлы обратно в очищенную форму при таком огромном объеме. Требуются дальнейшие исследования в области хранения, преобразования и использования этой энергии. Среди четырех проанализированных элементов алюминий, самый распространенный металл в земной коре, производит наибольшее количество тепловой энергии на единицу затраченных средств.

Источник: Stanford University