縱火燒鐵錠可能比較麻煩,但細鐵粉與空氣混合是非常易燃的。當你燃燒這種混合物時,這就是氧化鐵。碳燃料氧化成二氧化碳,鐵燃料氧化成氧化鐵,這只是一種生鏽的結果。生鏽的好處是它是一種固體,燃燒後可以被捕獲。這是整個行業唯一的副產品 -- 起初是鐵粉,而出來的是熱能和鐵鏽粉。鐵的能量密度約為11.3千瓦時/升,比汽油好。雖然它的比能量是相對較低的1.4kWh/kg,這意味著在一定的能量量下,鐵粉所佔的空間會比汽油少一點,但它幾乎比汽油重十倍。
換句話說,它可能不適合為你的汽車提供動力。或許也不能用來為你的房子供暖。但它可能是工業界的理想選擇,該研究目前正處於測試階段。
過去幾年,來自TU Eindhoven的研究人員一直在開發鐵粉作為一種實用燃料,上個月他們在荷蘭的一家啤酒廠安裝了一套鐵粉加熱系統,將儲存的能量全部轉化為啤酒。由於電不能有效地產生許多工業應用(包括釀酒)所需的熱量,因此鐵粉是一種可行的零碳選擇,燃燒後只剩下鐵鏽。
那麼這些鐵鏽會怎麼樣呢?這就是事情變得有意思的地方了。因為鐵不僅僅是一種可以消耗的燃料,而是可以再充電的能量儲存。為了給它充電,你需要把所有的Fe2O3,去掉氧氣,再把它變成鐵,準備再次燃燒。要做到這一點並不容易,但是當你下一次從Fes中抹去Os時,將這些作業系統從Fe上撬開所需的大部分能量和工作都會返回給你。這個想法是,你可以反覆使用同一個鐵,放電和充電,就像你對電池一樣。
為了保持鐵燃料的零碳特性,充電過程也必須是零碳的。用電將鐵鏽還原為鐵有多種不同的方法,由TU/e研究人員領導的一個團隊正在探索基於熱氫還原(將氧化鐵和氫氣轉化為鐵和水)的三種不同技術,正如他們在電子郵件中向我們描述的:
Photo: Bart van OverbeekeThe combustion of the iron powder is visible through the glass in the combustion tube.Mesh Belt Furnace: In the mesh belt furnace the iron oxide is transported by a conveyor belt through a furnace in which hydrogen is added at 800-1000°C. The iron oxide is reduced to iron, which sticks together because of the heat, resulting in a layer of iron. This can then be ground up to obtain iron powder.
Fluidized Bed Reactor: This is a conventional reactor type, but its use in hydrogen reduction of iron oxide is new. In the fluidized bed reactor the reaction is carried out at lower temperatures around 600°C, avoiding sticking, but taking longer.
Entrained Flow Reactor: The entrained flow reactor is an attempt to implement flash ironmaking technology. This method performs the reaction at high temperatures, 1100-1400°C, by blowing the iron oxide through a reaction chamber together with the hydrogen flow to avoid sticking. This might be a good solution, but it is a new technology and has yet to be proven.
當然,氫氣的生產和運行熔爐或反應堆所需的熱量都需要能源,但可再生能源是電網能源。
如果更新鐵燃料需要氫,那麼一個顯而易見的問題是為什麼不首先使用氫作為零碳燃料呢?氫的問題在於,作為一種儲能介質,處理起來非常麻煩,因為儲存大量的氫通常需要高壓和極冷的環境。在一個本地化的工業環境中(就像你在你的除鏽工廠一樣),這並不是什麼大問題,但是一旦你開始嘗試分銷它,它就變成了一個真正令人頭疼的問題。另一方面,鐵粉處理安全,儲存無限期,而且可以很容易地通過現有的散貨船或鐵路運輸。
這就是為什麼它會出現在其重量不是主要考慮因素的應用中。除了工業用熱(最終將包括改造燃煤發電廠,改用鐵粉),TU/e的研究人員正在探索鐵粉是否可以用作大型貨船的燃料,大型貨船是一種非常髒的碳排放物,其設計也可以承載很多重量。
TU/e燃燒技術教授Philip de Goey告訴我們,他希望能夠在未來4年內為工業部署10兆瓦鐵粉高溫供熱系統,用10年時間實現第一座燃煤電廠的改造。de Goey表示,仍然存在挑戰:「技術需要改進和發展,金屬粉末的市場需要擴大,金屬粉末必須成為未來能源系統的一部分,並被視為安全和清潔的替代品。」de Goey的觀點是,鐵粉在能源方面有著重要但很受限制的作用,儲存、運輸和生產是對氫等零碳源的補充。對於一個零碳能源的未來,de Goey說,「沒有贏家或輸家——我們都需要他們。」