综述：铝作为航运能源载体的初步技术评估

《Energy Conversion and Management-X》：Initial technology assessment of aluminium as an energy carrier in shipping

　　

本文对铝作为航运能源载体的适用性进行了初步技术评估。总体结论是，铝可能成为一种合适的未来能源载体。使用铝具有若干优势，包括高理论能量密度、高资源可用性、循环利用的机会以及未来低生命周期环境影响的潜力。然而，也存在若干劣势，包括需要活化方法、副产品处理、不确定的经济可行性，以及铝的能量利用和环境友好型铝生产的技术成熟度较低。此外，还存在一些与活化方法相关的具体劣势，主要影响活化方法的选择。某些类型的铝比其他类型更适合使用，优先顺序为：1. 难以通过传统回收方法回收的废料，2. 其他类型的废料，3. 原生铝。然而，完全替代航运中的化石燃料使用每年需要约300百万吨铝。废料仅能满足这一需求的3-17%，因此需要增加原生铝产量。每年生产300百万吨原生铝需要约6,000太瓦时/年，是航运当前化石燃料使用量的2.3倍。这需要大规模建设可再生能源供应，这在技术和经济潜力范围内是可行的。要使铝完全适合作为能源载体，需要克服若干挑战，包括技术和基础设施发展、最大化循环性、降低生命周期环境影响以及提高成本竞争力。这些挑战中的许多有可能得到解决。

论文主体部分总结：

**1. 引言**
该部分阐述了航运对化石燃料的依赖现状（2022年国际航运消耗约2,560 TWh化石燃料，排放约699百万吨CO₂），并指出国际海事组织设定了2050年净零温室气体（GHG）排放的目标。在此背景下，研究人员强调了采用可再生能源载体（如生物燃料、电燃料、电池和氢）的必要性，并指出它们各自的局限性。金属，特别是铝，被认为具有高能量密度和易于处理等优势，可用于储存和分配能量，尤其适用于长距离、大规模能量存储。然而，铝作为能源载体在实现大规模工业化之前仍需克服若干未解决的挑战。本研究旨在对铝作为航运能源载体的适用性进行初步技术评估，并回答三个研究问题：铝作为航运能源载体的关键问题、其未来适用性以及需要发展的方面。

**2. 铝的能量利用**
铝本身并非能源，而是通过在原生铝生产过程中消耗电能和热能还原氧化铝（Al₂O₃）来储存能量。储存的能量可通过氧化铝释放，生成热能和氢气。该部分重点介绍了两种适用于船舶的氧化过程：在空气/氧气中直接燃烧（4Al+3O₂→2Al₂O₃+热）和铝-水反应（例如2Al+3H₂O→Al₂O₃+3H₂+热）。铝-水反应产生的能量大致平均分布于氢气和热量，两者总和等于直接燃烧释放的能量。

**2.1 铝的活化**
铝在储存或反应时表面会形成钝化氧化物/氢氧化物层，阻止进一步氧化，因此需要活化方法才能实现完全能量释放。该部分列出了适用于船舶的几种活化方法，包括机械加工（如球磨产生粉末）、雾化、添加剂（如碱NaOH、酸HCl、盐NaCl、金属Ga、Bi等）、氧化保护涂层、反应参数调整、熔融铝和超声波搅拌。不同方法各有优缺点，可组合使用以提高活化效果。

**2.2 铝的生命周期及能量利用**
该部分描述了铝作为材料与作为能源载体的生命周期关联。原生铝生产能耗高（总计约39.4 MWh/吨铝），GHG排放高（约14.8吨CO₂e/吨铝）；而二次铝（回收）生产仅需约0.56–2.5 MWh/吨铝，排放约0.6吨CO₂e/吨铝。作为能源载体使用铝时，其副产品（Al₂O₃、AlOOH、Al(OH)₃）可重新作为原料用于铝生产，形成循环。

**3. 技术评估的方法论方法**
本研究基于前人关于金属作为能源载体的文献，并结合补充计算，对铝作为航运能源载体的适用性进行评估。评估标准包括：循环性、高能量和功率密度、易于安全运输和存储、存储时无自放电、可用性、生命周期内低环境影响、经济可行性。

**3.1 技术评估中使用的标准**
该部分详细列出了上述七项标准，这些标准源自先前文献中对良好能源载体的定义，适用于航运。

**3.2 结构化文献综述**
在Scopus数据库中进行文献检索，通过摘要和全文筛选，最终纳入82篇论文。由于技术的新颖性和研究领域的不成熟，未设定严格的纳入/排除标准，以确保足够的数据支持。

**3.3 计算**
该部分包含多项计算：首先，估算了铝动力推进系统的系统效率（基于组件效率，如铝燃烧效率90.8–97.6%、蒸汽轮机效率30–40%、SOFC效率45–60%等），并评估了不同系统配置的总体效率。其次，计算了从青岛到鹿特丹航线上某集装箱船对不同能源载体的需求量，并对副产品重量影响进行了敏感性分析。第三，计算了铝的往返效率（roundtrip efficiency），区分原生铝和废铝的不同情况。第四，进行了经济计算，比较不同能源载体每MWh推进动力的成本。

**4. 结果与分析**
该部分呈现了初步技术评估的结果，按标准分节讨论。

**4.1 铝作为能源载体的推进系统**
该部分提出了几种可能的推进系统配置，包括直接燃烧和铝-水反应后利用氢燃料或SOFC结合蒸汽轮机的方案。系统效率估算显示，铝动力系统在充分优化后可能达到25–35%的效率，与传统燃料船舶相当。然而，铝燃烧/反应室及相关处理技术的技术成熟度（TRL）较低，目前主要在TRL 3–4，而SOFC等组件TRL较高。

**4.2 循环性**
铝氧化后的副产品（Al₂O₃）可轻易收集并重新用于铝生产，实现材料的封闭循环。添加剂（如NaOH、KOH）可能存在于副产品中，需预先去除。可回收利用的副产品有助于减少浪费和降低环境影响。

**4.3 能量和功率密度**
铝具有较高的理论重量能量密度和体积能量密度（分别约为31 MJ/kg和83.8 MJ/l），在体积能量密度方面优于重油、甲醇和氨。但系统级能量密度受氧化物表面层、活化方法和副产品存储的影响。计算表明，对于从青岛到鹿特丹的集装箱船，铝（含副产品）所需的存储体积仅占船舶总载货能力的1.3–2.5%。副产品的重量使铝的需求量增加约2.9–4.5%。

**4.4 运输与存储**
铝和水易于安全运输和存储，且铝的全球贸易体系已成熟。然而，固体副产品（比铝更重、体积更大）需在船上和港口存储，并需开发岸上处理设施。铝粉存在爆炸风险，氢气和某些添加剂（如酸、碱）也有安全顾虑。铝表面氧化物层使其可实现长期存储且无自放电。

**4.5 可用性**
铝资源丰富（地壳含量高，全球铝土矿储量含11–19亿吨铝），但作为能源载体将面临与材料用途的竞争。2022年国际航运消耗2560 TWh化石燃料，需要约300百万吨铝替代。目前废铝仅能满足3–17%的需求，因此需大量增加原生铝产量。生产300百万吨铝需要约6000 TWh/年的能源，是航运当前化石燃料消耗的2.3倍。但该需求远低于风能和太阳能的全球技术和经济潜力。水（特别是海水）广泛可用。某些活化添加剂（如Ga、Bi）稀缺，部分活化方法复杂，可能限制大规模应用。铝动力推进系统的TRL目前较低。

**4.6 环境方面**
铝的生命周期环境影响取决于所用铝的类型和替代用途。原生铝生产能耗和GHG排放高，使用废铝可避免这些影响。铝的利用本身不排放GHG、SO₂、CO或颗粒物，但高温燃烧可能产生NO_x。完全捕获燃烧废气中的金属氧化物以实现零排放和最大化循环性至关重要。活化方法可能带来额外的环境影响（如能源消耗、添加剂生产）。铝和副产品通常无毒稳定，但纳米尺寸存在健康风险。

**4.7 经济可行性**
铝的原料成本相对较低，但活化方法成本较高，且使用原生铝经济性较差。废铝（尤其是难以回收的废料）可降低成本。副产品的销售可带来收入，有助于提高经济性。往返效率计算显示，铝的往返效率与其他清洁能源载体（如氢、氨、甲醇）相当，但废铝（假设不能回收的状态）可能更具优势。经济评估表明，铝的成本竞争力不一，目前比传统和某些替代燃料更贵，但未来技术进步（如惰性阳极）和政策支持可能改善其经济性。

**4.8 铝作为航运能源载体的适用性**
基于各项标准的评估，铝可能成为未来航运中的合适能源载体。其优势包括高理论能量和功率密度、高资源可用性、循环潜力以及低生命周期环境影响潜力。劣势包括需要活化方法、副产品处理、不确定的经济可行性和低TRL。优先使用的铝类型顺序为：难以回收的废料>其他废料>原生铝。要完全实现适用性，需解决动力系统开发、基础设施建设、最大化循环性、降低环境影响和提高成本竞争力等挑战。

**5. 讨论**
铝很可能只是航运业能源转型的众多解决方案之一，与生物燃料、电燃料、氢、氨和电池等存在竞争与互补。铝在点使用时无碳基污染物排放，且能轻易实现材料循环，但面临资源竞争和低TRL。未来铝是否真正成为航运能源载体，取决于技术发展、市场动态和政策走向。

**6. 结论**
初步技术评估表明，铝可能成为航运中一种合适的未来能源载体。它具有高理论能量密度、高资源可用性、循环机会和低生命周期环境影响潜力，但也存在活化方法需求、副产品处理、经济可行性不确定和低TRL等劣势。优先使用难以回收的废铝，其次为其他废料，最后为原生铝。完全替代航运化石燃料需要大量增加原生铝产量，这需要大规模可再生能源建设。若干挑战（技术、基础设施、循环性、环境、成本）需克服，但许多具有解决潜力。铝很可能仅是航运能源转型中的一种方案。