Шведский исследователь Йоаким Харальдссон из Лундского университета предложил рассмотреть алюминий как новое экологичное топливо для морских судов. Он проанализировал десятки научных работ, провел собственные расчеты и пришел к выводу: этот металл может сыграть заметную роль в снижении выбросов СО2 в судоходстве. Конечно, для практического применения технологии предстоит решить ряд технических и экономических задач. Но если это удастся, можно будет получить не только новый источник чистой энергии, но и замкнутую систему использования материала, который можно многократно перерабатывать.
Сегодня мировой торговый флот почти полностью работает на тяжелом ископаемом топливе. Международное судоходство ежегодно потребляет около 2 560 ТВт·ч энергии и выбрасывает примерно 699 млн тонн CO₂ – это около 3% всех мировых выбросов парниковых газов. Кроме того, судовые двигатели выделяют оксиды серы и азота, которые загрязняют воздух в прибрежных районах. Международная морская организация ставит цель сделать судоходство климатически нейтральным к 2050 году.
Однако существующие альтернативы, такие как биотопливо, водород, аммиак или аккумуляторы, имеют свои ограничения. Где-то не хватает ресурсов, где-то слишком низкая энергетическая плотность, а кое-где возникают сложности с хранением и транспортировкой. Поэтому ученые продолжают искать новые решения.
Одним из таких решений может стать алюминий. Идея использовать его в качестве топлива не нова – первые эксперименты проводились еще в середине прошлого века. Но Харальдссон впервые подробно оценил эту концепцию именно для морского транспорта.
Алюминий не является источником энергии сам по себе. Он работает как носитель энергии. При производстве металла в него «вкладывается» энергия, например, электричество от солнечных или ветровых станций. Затем на борту судна эта энергия высвобождается при окислении алюминия. Реакция может идти двумя способами: при сжигании металла в кислороде или при его взаимодействии с водой. Во втором случае дополнительно образуется водород. Оба процесса выделяют большое количество тепла, которое можно использовать для работы турбин, генераторов или двигателей.
Главная техническая проблема заключается в том, что алюминий покрывается тонкой оксидной пленкой, когда контактирует с воздухом или водой. Эта пленка мешает дальнейшей реакции. Чтобы ее преодолеть, металл нужно активировать, например, измельчить в порошок, добавить щелочи или соли, либо нагреть до расплавления.
Исследование также описывает полный цикл использования алюминия как топлива. После реакции на борту остаются твердые продукты – оксид или гидроксиды алюминия. Их не выбрасывают в море, а собирают и возвращают в порт. Там эти соединения можно снова превратить в металлический алюминий с помощью электролиза. Таким образом образуется замкнутый цикл: металл используется для получения энергии, затем перерабатывается и снова возвращается в систему. Однако для этого потребуется новая инфраструктура в портах – для хранения топлива и приема продуктов реакции.
Расчеты показывают, что по объему запасаемой энергии алюминий более чем вдвое превосходит метанол и аммиак, хотя уступает мазуту по массе. Для контейнеровоза, следующего из Китая в Европу, потребуется примерно 6 тысяч тонн алюминия. Образующиеся продукты реакции займут дополнительное пространство, но это составит всего около 1-2,5% грузовой вместимости судна. При этом по мере реакции корабль немного утяжеляется, поскольку оксиды алюминия тяжелее исходного металла. Это увеличивает расход энергии, но лишь на несколько процентов.
Еще одна проблема – доступность алюминия. Чтобы полностью заменить мазут в мировом судоходстве, потребуется около 300 млн тонн металла в год. Сейчас в мире производится примерно 71 млн тонн алюминия, и большая его часть используется в строительстве, транспорте и промышленности. Переработка отходов сможет покрыть лишь до 17% возможного спроса. Это значит, что производство первичного алюминия придется значительно увеличивать. Для этого потребуется около 6 тысяч ТВт·ч электроэнергии в год – примерно в 2,3 раза больше, чем сегодня потребляет все мировое судоходство. Такой объем энергии в теории может обеспечить развитие солнечной и ветровой энергетики.
Пока алюминий проигрывает мазуту и метанолу по стоимости получаемой энергии. Но ситуация может измениться. Например, использование алюминиевого лома, который сложно переработать обычными способами, может снизить цену топлива. Кроме того, новые технологии производства алюминия (такие как инертные аноды) и более эффективные судовые энергетические установки также могут улучшить экономику этой идеи.
Сам Харальдссон подчеркивает, что его работа – это лишь первая комплексная оценка такой концепции. Многие параметры еще предстоит уточнить, а технологии довести до промышленного уровня.
