سوزاندن پودر آهن به‌جای زغال‌سنگ؛ راهکار دانشمندان برای بازیابی نیروگاه‌های قدیمی
نیروگاه‌های زغال‌سنگ به دلیل انتشار گسترده گازهای گلخانه‌ای به‌تدریج از چرخه تولید برق کنار گذاشته می‌شوند؛ اما پژوهشگران معتقدند زیرساخت‌های این نیروگاه‌ها هنوز می‌توانند کاربرد داشته باشند. آن‌ها روشی پیشنهاد کرده‌اند که در آن به‌جای زغال‌سنگ، پودر آهن سوزانده می‌شود و ماده باقی‌مانده از احتراق نیز قابلیت تبدیل دوباره به سوخت را دارد.
به‌گزارش ZME Science، پژوهشگران مؤسسه فناوری کارلسروهه آلمان بررسی کرده‌اند که آیا می‌توان نیروگاه‌های زغال‌سنگ موجود را برای استفاده از پودر آهن تغییر کاربری داد یا خیر. نتایج نشان می‌دهد این فناوری می‌تواند به تأمین برق در زمان کاهش تولید نیروگاه‌های بادی و خورشیدی کمک کند.
مزیت اصلی روش پیشنهادی این است که آهن پس از سوختن به اکسید آهن یا زنگ آهن تبدیل می‌شود و می‌توان آن را دوباره به سوخت تبدیل کرد. به‌این‌ترتیب، نیروگاه مانند باتری بزرگی عمل می‌کند که انرژی تجدیدپذیر را برای استفاده در آینده ذخیره کرده است.
جولیا شولر، نویسنده اصلی پژوهش، می‌گوید پودر آهن هنگام سوختن رفتاری بسیار شبیه زغال‌سنگ دارد و همین ویژگی، ایده تغییر کاربری نیروگاه‌های موجود را مطرح کرده است.
چگونه می‌توان با سوزاندن آهن برق تولید کرد؟
هنگامی که ذرات ریز آهن با اکسیژن واکنش می‌دهند، گرما آزاد می‌شود و اکسید آهن به وجود می‌آید. گرمای حاصل می‌تواند آب را به بخار تبدیل کند و توربین‌های نیروگاه را به حرکت درآورد.
پژوهشگران آلمانی پیشنهاد کرده‌اند نیروگاه‌های قدیمی زغال‌سنگ با سوزاندن پودر آهن به‌جای سوخت‌های فسیلی، دوباره برای تولید برق استفاده شوند
تفاوت اصلی این فناوری با سوزاندن سوخت‌های فسیلی در امکان بازیابی سوخت است. مهندسان می‌توانند اکسید آهن باقی‌مانده را جمع‌آوری کنند و با استفاده از هیدروژن، اکسیژن آن را جدا کنند تا آهن دوباره قابل‌استفاده شود.
هیدروژن موردنیاز نیز می‌تواند از طریق الکترولیز آب و با استفاده از برق خورشیدی یا بادی تولید شود. بنابراین، هنگام تولید مازاد برق تجدیدپذیر، انرژی برای بازیابی آهن مصرف می‌شود و در زمان کمبود برق، آهن ذخیره‌شده دوباره سوزانده می‌شود.
البته این چرخه انرژی جدیدی تولید نمی‌کند و بخشی از انرژی در مراحل مختلف از دست می‌رود. در واقع، سامانه پیشنهادی نوعی فناوری ذخیره‌سازی انرژی است.
- 24 شهریور 05مطالعه '4
- 20 شهریور 05مطالعه '3
- 13 شهریور 05مطالعه '5
پودر آهن در مقایسه با هیدروژن مزیت دیگری نیز دارد: ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل آن ساده‌تر است. هیدروژن به مخازن مخصوص و گران‌قیمت نیاز دارد، درحالی‌که پودر آهن را می‌توان در سیلوهای معمولی نگهداری و با زیرساخت‌های حمل بار موجود جابه‌جا کرد.
این ایده پیش‌تر نیز در مقیاس کوچک آزمایش شده است. پژوهشگران دانشگاه فناوری آیندهوون هلند در سال ۲۰۲۰ از مشعل آهنی ۱۰۰ کیلوواتی برای تولید گرما در کارخانه آبجوسازی استفاده کردند. در آزمایشی دیگر در سال ۲۰۲۶ نیز توانستند چرخه سوزاندن و بازیابی آهن را ۱۰ بار تکرار کنند.
اروپا تا سال ۲۰۵۰ می‌تواند ۱۷ گیگاوات نیروگاه آهن‌سوز داشته باشد
پژوهشگران مؤسسه فناوری کارلسروهه برای ارزیابی اقتصادی فناوری جدید، سامانه انرژی اروپا را تا سال ۲۰۵۰ مدل‌سازی کردند. آن‌ها دریافتند که استفاده از پودر آهن در کشورهایی که امکانات محدودی برای ذخیره‌سازی بلندمدت انرژی دارند، می‌تواند مقرون‌به‌صرفه باشد.
باتری‌های معمولی برای ذخیره برق در بازه‌های چندساعته مناسب هستند، اما ذخیره مقادیر زیاد انرژی برای دوره‌های طولانی هزینه بالایی دارد. هیدروژن نیز می‌تواند برای ذخیره‌سازی بلندمدت استفاده شود، ولی همه کشورها به حفره‌های نمکی زیرزمینی مناسب برای نگهداری آن دسترسی ندارند. به همین دلیل، کشورهایی مانند ایرلند، فنلاند و جمهوری چک ممکن است بیشترین بهره را از فناوری آهن‌سوز ببرند.
طبق سناریوی اصلی پژوهش، ظرفیت نیروگاه‌های آهن‌سوز اروپا تا سال ۲۰۵۰ می‌تواند به حدود ۱۷ گیگاوات برسد که ۱۳٫۶ گیگاوات آن از تغییر کاربری نیروگاه‌های زغال‌سنگ موجود تأمین خواهد شد. استفاده از این فناوری همچنین می‌تواند نیاز اروپا به نیروگاه‌های هیدروژنی را حدود ۹ درصد کاهش دهد.
البته نتایج در کشورهای مختلف متفاوت است. در مدل پژوهشگران، دانمارک، فرانسه و هلند تمام ظرفیت واجد شرایط نیروگاه‌های زغال‌سنگ خود را تغییر کاربری دادند، اما این رقم برای آلمان فقط ۱۹ درصد بود. کشورهایی مانند لهستان و اسپانیا نیز به دلیل برخورداری از گزینه‌های مناسب‌تر برای ذخیره‌سازی هیدروژن، نیازی به نیروگاه‌های آهن‌سوز نداشتند.
محاسبات نشان می‌دهد که نیروگاه‌های آهن‌سوز تنها حدود ۲ تا ۱۴ درصد از ساعات سال فعال خواهند بود. بنابراین، کاربرد اصلی آن‌ها تأمین برق پشتیبان هنگام کاهش تولید انرژی تجدیدپذیر است.
چالش اصلی، تبدیل دوباره زنگ آهن به سوخت است
با وجود نتایج امیدوارکننده، تغییر کاربری نیروگاه‌های زغال‌سنگ به تجهیزات جدیدی مانند مشعل‌های مخصوص، سامانه‌های انتقال پودر و تجهیزات فیلتراسیون نیاز دارد.
مهم‌ترین مانع نیز فرآیند بازیابی آهن از اکسید آهن است که در مقیاس صنعتی همچنان پرهزینه و از نظر فنی دشوار محسوب می‌شود.
پودر آهن هنگام سوختن گرما تولید می‌کند و به زنگ آهن تبدیل می‌شود که می‌توان با استفاده از هیدروژن و انرژی تجدیدپذیر، آن را دوباره به سوخت تبدیل کرد
در مدل پژوهشگران، زمانی که روش‌های کارآمدتری برای بازیابی آهن در نظر گرفته شد، ظرفیت نیروگاه‌های آهن‌سوز به ۳۸٫۴ گیگاوات افزایش یافت. در مقابل، افزایش هزینه تغییر کاربری نیروگاه‌ها، جذابیت اقتصادی فناوری را به‌شدت کاهش داد.
از طرفی، سوزاندن آهن اگرچه دی‌اکسیدکربن ناشی از سوخت منتشر نمی‌کند، کاملاً بدون آلاینده نیست و ممکن است اکسیدهای نیتروژن و ذرات ریز تولید کند. آزمایش‌های بازیافت آهن نیز تاکنون بازده انرژی پایینی داشته‌اند.
پژوهشگران تأکید می‌کنند که فناوری آهن‌سوز هنوز برای استفاده گسترده در شبکه برق آماده نیست. بااین‌حال، حفظ بخشی از زیرساخت‌های نیروگاه‌های زغال‌سنگ می‌تواند در آینده ارزشمند باشد؛ زیرا توربین‌ها، ژنراتورها و اتصالات شبکه این نیروگاه‌ها ممکن است برای تولید برق با سوخت آهنی دوباره استفاده شوند.
پژوهش در ژورنال Chem Circularity منتشر شده است.
