Как горит алюминий

В прошлом посте я рассказывал, почему у "зеленой" водородной энергетики дебет с кредитом не сходится. Сегодня расскажу об интересной попытке их свести.

Короткий пересказ

Вы простой Джо город Хьюстон. Водород производят в точке А, вам он нужен в точке В. Как вы его доставите? Охладите до 20 К, сожмете до 136 атмосфер... Это дорого и небезопасно, а обычный трубопроводный транспорт с водородом не работает. Создание необходимой инфраструктуры для водорода как топлива займет десятилетия. Но...

Но вам не обязательно работать с водородом при транспортировке, если есть реакция горения алюминия в воде. Даже две:

2Al + 6 H2O → 3H2 + 2Al(OH)3

и

2Al + 3 H2O → 3H2 + Al2O3

Причем обе экзотермические, и выделяют в виде тепла примерно столько же энергии, сколько потом получится при сжигании водорода.

Вы можете возразить, что алюминий в природе обычно встречается как раз в виде оксидов, и его электролиз еще более энергоемкий, чем просто водорода. А я вам отвечу, что эта энергия уже потрачена. Человечество производит огромное количество алюминиевого лома, который нужно как-то ресайклить.

Вы можете спросить: если у меня есть энергия для получения алюминия, почему бы просто не зарядить батарейку своей любимой "Теслы"? А я вам отвечу, что плотность энергии в литий-ионных батареях на порядок меньше, чем в химических связях. С момента публикации видео ситуация изменилась, но не принципиально. Соответственно, сжигая в воде 1 кг алюминия, вы можете зарядить 10+ кг литий-ионных батарей. Так что, простой Джо штат Техас может проехать Х миль на 20 кг литий-ионных батарей - или 5Х миль на 10 кг литий-ионных батарей, 5 кг генератора и 5 кг алюминиевого порошка, вместе также 20.

Причем если это позиционируется чисто как станция ресайклинга алюминия, без водородного выхода, вам не нужно добавлять воду. Можно тут же сжигать водород, и тоже с выделением тепла, а полученный водяной пар возвращать в реактор.

Но почему это видео 2007 года, а воз и ныне там?

Потому что видео рекламное. Вот более подробная статья.

Before we need to worry about smelting aluminum hydroxide to recover Al, however, we can use the 400 billion kg of scrap metal on the planet that has already had its carbon footprint amortized. Therefore, this Al is green and can produce 44.4 billion kg of hydrogen or nearly 195 trillion Wh of hydrogen energy

195 миллиардов кВт*ч. Энергопотребление России за два месяца. Расходимся, здесь не на что смотреть.

Или нет?

Сэкономить на использовании алюминиевого лома не получилось. Но быть может это все еще дешевле, чем просто электролиз водорода?

Наиболее экономичным и поэтому наиболее распространенным способом производства является так называемый процесс Hall-Heroult, во время которого осуществляется электролиз расплавов окиси алюминия. Среднее потребление энергии составляет примерно 3.5 kВтчас/кг Al

В килограмме алюминия 37 молей. Округленно считаем 0.1 кВт/ч на моль, на самом деле чуть меньше. 360 кДж/моль. Таки больше, чем 300 кДж/моль в случае электролиза сразу водорода. Но-о-о...

Но два моля алюминия дают три моля водорода. И получается, что у нас 240 кДж/моль Н2, на 20% меньше. Причем в ходе реакции горения в воде часть изначально потраченных 360 кДж/моль будет возвращаться обратно в электричество, если действительно использовать ее для зарядки батареек. Даже исходя при этом из КПД угольных ТЭС, еще 80 кДж/моль Н2 попадают под "Саrочка, я его таки пrодал".

Итого, затраты на получение водорода снижены в 2 раза по сравнению с обычным электролизом из воды. По расчетам из предыдущего поста, это позволяет экономить половину от...

2211 долларов на тонну (4620 евро)

И получать водород на за 5-10, а за 4-8 $/кг. 

Или да

Дебет с кредитом все еще не сходится, мы все еще вдвое дороже водорода, полученного паровой конверсией. Да, первое время будет 3-6 $/кг, что вполне конкурентно. Но при переходе на большой масштаб алюминиевый лом закончится, и цена возрастет. Да, сама установка по получению водорода в принципе может быть размещена на любой заправке, и транспортировка между ними энергии в виде алюминиевого порошка обеспечивает даже большую ее плотность, чем если это был бы дизель. И если вы пишете постапок, где кончилась нефть, зато все свободное место занято под свалки, то этот милый стимпанк определенно стоит взять на заметку. Но...

Тем временем, у конкурентов.

Часто можно прочесть, что запасы газа исчерпаемы, но это не так. Газа хватит не только на наш век. Газ не кончится ни при жизни наших детей, ни при жизни их внуков. По оценке Международного энергетического агентства, при существующих темпах добычи газа уже открытых запасов этого топлива хватит на 130 лет добычи. Речь идет о запасах газа, добыча которых возможна и экономически эффективна при существующем уровне технологий. Объем газовых запасов оценивается в 400 трлн. кубометров.

Извлекаемые запасы нетрадиционного газа (такого, как газ в плотных породах, сланцевый газ и угольный метан) составляют еще не менее 380 трлн. кубометров. По мере развития технологий их добыча становится все более реальной. Таким образом, уже обнаруженных запасов газа хватит примерно на 250 лет. При этом постоянно совершенствуются методы разведки, что позволяет наращивать запасы.

Только Грета может спасти водородную энергетику в таких условиях)

P.S.

В комментариях мне сказали, что метан, оказывается, научились синтезировать из атмосферы. Внедрили на Земле технологию, которую планируют применять на Марсе. Но...

Химические процессы в установке по добыче топлива из воздуха проходят несколько этапов. За счёт ВИЭ в ходе электролиза производится водород (H2). Углерод в форме углекислого газа (CO2) добывают с помощью прямой прокачки воздуха через специальные фильтры и на следующем этапе с использованием реакции обратной конверсии водяного пара (RWGS) в сочетании с H2 преобразуют его в синтез-газ (H2/CO).

То бишь, сначала вам нужно потратить 5-10 $/кг для получения водорода (уже на этом этапе вы на порядок обогнали покупной метан), а потом сама реакция в эту сторону эндотеримческая.

Технология применима исключительно на Марсе - за отсутствием лучших альтернатив. Или, опять же, из под палки, если кого-то заставят очень жестко контролировать углеродный след. Что, скорее всего, и происходит в случае Маска, для которого это просто очередной аргумент, чтобы протащить Старшип через экологический комитет.