Простой вопрос: что, если бы мы могли обуздать весь этот вышедший из-под контроля процесс изменения климата, связанный с ископаемым топливом, и вместо него использовать что-то другое в качестве источника энергии? В качестве бонуса, что, если это что-то к тому же является одним из самых распространенных элементов на Земле?

Подписаться на iGuides в Telegram, чтобы узнать обо всем первым — t.me/iguides

Ответ прост: а давайте сжигать железо.

Конечно, поджигать железный слиток смысла немного — вы потратите куда больше энергии, чем получите. Однако измельченный порошок железа, смешанный с воздухом, достаточно легко воспламеняется. В процессе сжигания это смеси вы по сути производите реакцию окисления. В то время как углеродное топливо окисляется до CO₂, он же диоксид углерода, железное топливо окисляется до Fe₂O₃. Не стоит пугаться сложной формулы — это всего лишь обычная ржавчина, она же оксид железа.

Ржавчина хороша тем, что это твердое вещество, которое можно собирать после сгорания. И это единственный побочный продукт всего процесса — на вход вы подаете железный порошок и воздух, а на выходе получается энергия в виде тепла и порошок ржавчины. У железа плотность энергии около 11,3 кВтч/л — выше, чем у бензина. Однако его удельная энергия составляет относительно невысокие 1,4 кВтч/кг, а это означает, что для заданного количества энергии железный порошок займет немного меньше места, чем бензин, но будет почти в десять раз тяжелее.

Другими словами, едва ли мы увидим в будущем автомобили, работающие на железе. Да и для обогрева дома железный порошок тоже подойдет не лучшим образом. Но он может быть идеальным для некоторых отраслей промышленности, где прямо сейчас тестируется его применение.


Реальный двигатель на железном порошке.

Исследователи из Технического Университета Эйндховена в течение последних нескольких лет использовали железный порошок в качестве топлива на практике, а в прошлом месяце они установили на пивоваренном заводе в Нидерландах систему нагрева железным порошком, которая отдает всю накопленную энергию пиву. Поскольку производство тепла из электричества может быть не эффективно для части промышленных применений (включая пивоварение), железный порошок является жизнеспособным вариантом с нулевым выбросом углерода, после использования которого остается только ржавчина.

Но что с ней потом делать? Здесь тоже все не так просто, потому что железо — это не просто накопитель энергии, это возобновляемый ее источник. Вы можете «перезарядить» ржавчину, отняв у нее кислород и снова превратив в железо. Сделать это непросто, но большая часть энергии и усилий, необходимых для того, чтобы оторвать эти О от Fe, вернется к вам, когда вы сожжете Fe в следующий раз. Идея заключается в том, что вы можете использовать одно и то же железо снова и снова, «перезаряжая» его, как своеобразный аккумулятор.

Чтобы обеспечить безуглеродный характер железного топлива, процесс «перезарядки» также должен быть безуглеродным. Существует множество различных способов использования электричества для превращения ржавчины обратно в железо, и консорциум под руководством исследователей Университета Эйндховена изучает три различные технологии, основанные на восстановлении горячим водородом (который превращает оксид железа и водород в железо и воду). Вот как они выглядят:

Конвейерная печь: по ленте оксид железа транспортируется через печь, в которую добавляется водород при температуре 800-1000 °C. Оксид железа восстанавливается до железа, которое слипается из-за жара, образуя металлический слой. Затем его можно измельчить, чтобы вновь получить железный порошок.
Реактор с псевдоожиженным слоем: это обычный химический реактор, но его использование для восстановления оксида железа водородом является новым. В реакторе с псевдоожиженным слоем реакцию проводят при более низких температурах, около 600 °C, что позволяет избежать слипания железа, но сам процесс занимает больше времени.
Реактор с увлеченным потоком: такой реактор обычно используется для мгновенного производства чугуна. В этом методе реакция осуществляется при высоких температурах, 1100-1400 °C, путем продувки оксида железа через реакционную камеру вместе с потоком водорода, что позволяет избежать слипания. Это может быть хорошим решением, но это новая технология, которую еще предстоит испытать.

И для производства водорода, и для тепла, необходимого для работы печи или реакторов, конечно, требуется энергия, но ее можно получать из электричества, которое может поступать из возобновляемых источников.


Процесс горения железного порошка.

Но раз для «перезарядки» такого «железного топлива» требуется водород, возникает очевидный вопрос: почему бы просто не использовать водород в качестве топлива с нулевым содержанием углерода? Проблема с водородом в том, что как с носителем энергии с ним не очень просто иметь дело, поскольку для его хранения требуются баллоны с высоким давлением, а сам он в смеси с кислородом воздуха может создать крайне небезопасный гремучий газ.

С другой стороны, железный порошок безопасен в обращении, хранится неограниченное время и может быть легко перемещен с помощью существующих вагонов для перевозки сыпучих грузов. Поэтому у него есть будущее в тех отраслях, где вес не является важным, а также возможен сбор получающейся ржавчины.

В дополнение к промышленному производству тепла (которое в конечном итоге будет включать модернизацию угольных электростанций для сжигания железного порошка), исследователи Университета Эйндховена изучают, можно ли использовать железный порошок в качестве топлива для больших грузовых судов, которые, с одной стороны, являются чрезвычайно «грязными» источниками выброса углерода, а, с другой стороны, не так прихотливы к весу топлива. 



Филипп де Гоуи, профессор технологии сжигания в Университета Эйндховена, сказал, что он надеется развернуть высокотемпературные тепловые системы на железном порошке мощностью в 10 МВт для промышленности в течение следующих четырех лет, а через 10 лет планируется переоснащение первой угольной электростанции для работы на новом топливе. Но, по словам де Гоуи, по-прежнему хватает проблем: «технология нуждается в доработке и развитии, рынок металлических порошков необходимо расширять, а металлические порошки должны быть частью будущей энергетической системы и рассматриваться как безопасная и чистая альтернатива».

По его мнению, железный порошок играет важную, но строго ограниченную роль в хранении, транспортировке и производстве энергии, чтобы дополнять другие источники с нулевым содержанием углерода. По словам де Гоуи, для энергетического будущего с нулевым выбросом углерода «нет победителя или проигравшего — нам нужны все».