金属燃料会成为未来的储能方式吗？当铝和铁超越氢的时候。

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发布日期：2025年11月8日 / 更新日期：2025年11月8日 – 作者：Konrad Wolfenstein

金属燃料会成为未来的储能方式吗？铝和铁何时会超越氢？——图片来源：Xpert.Digital

将能量储存在金属中：这种简单的想法比氢的能量高出 23 倍。

解决冬季电力缺口的方案是什么？研究人员正在用金属粉末制造未来的电池——一升铁粉可提供 8 小时的电力：这是被忽视的储能革命。

能源转型面临着一个看似矛盾的挑战：夏季，太阳能发电厂生产出大量清洁电力，其中一部分却被闲置；而漫长而寒冷的冬季，电力供应却严重短缺。这种季节性不平衡是实现气候中和道路上最持久的障碍之一，并持续迫使欧洲对化石燃料进口产生高昂的依赖。尽管公众讨论的焦点往往集中在氢能这一万能方案上，但一种可能更优的替代方案正在悄然兴起：将能量储存在铝、铁等金属燃料中。

这个看似不同寻常的想法，仔细分析后会发现，其实是一个巧妙而又简单的解决方案。其原理基于一个可逆的化学循环：利用夏季多余的电力将金属氧化物还原成纯金属，这些纯金属是密度极高且安全的能量载体。需要时，这些金属会以可控的方式与水发生反应，同时释放出可用的热量和氢气，氢气随后又被转化回电能。

其物理优势令人惊叹：一升铝的体积能量储存量约为高压氢气的23倍。这种金属粉末或颗粒可以在常温常压下安全储存和运输，无需昂贵的高压储罐或低温冷却设备。这意味着金属燃料不仅可以彻底改变建筑和工业的季节性储能方式，还能重塑全球能源流动，并为欧洲摆脱地缘政治能源依赖铺平道路。瑞士和德国的试点项目已经表明，这项技术远非实验室概念，它有望成为安全且完全可再生能源供应的关键组成部分。

适合：

OST 研究 – 瑞士东部应用科学大学 | 金属燃料作为能源载体和供应商

瑞士人的天才之举：一种不起眼的金属颗粒如何终结我们对能源的依赖

季节性储能的挑战是能源转型中最棘手的问题之一。尽管欧洲夏季光伏发电的盈余正在稳步增长，但在漫长而黑暗的冬季，这部分能源却严重短缺。铝和铁等金属燃料有望在关键参数上优于目前更常用的氢能，从而为能源转型提供更优的解决方案，并可能从根本上改变能源格局。

欧洲面临着一项根本性的能源挑战。尽管光伏发电规模庞大，但仅瑞士预计到2050年冬季电力缺口仍将达到8至10太瓦时。德国和整个欧盟都面临着类似的结构性问题。夏季太阳能发电虽然造成了电力过剩（部分电力不得不被限制使用），但冬季却出现了明显的电力短缺。随着欧洲屋顶和空地上太阳能电池板的不断增加，这种季节性电力缺口也日益加剧。与此同时，供暖和交通运输的电气化程度不断提高，使得电力需求，尤其是在寒冷的冬季，变得更加迫切。

欧洲对化石燃料进口的能源依赖凸显了可持续储能解决方案的迫切需求。德国每年向国外进口煤炭、石油和天然气，支出高达800亿至1300亿欧元，而整个欧盟的支出总额超过3000亿欧元。这些巨额资金流出国外，而非投资于国内基础设施和未来技术。此外，近年来地缘政治动荡也痛苦地表明了这种依赖所带来的风险。

铝和铁等金属燃料需要氧气（O₂）才能释放能量。该反应类似于燃烧，但通常以氧化的形式进行，例如：
铝 + 氧 → 氧化铝 (Al₂O₃)
铁 + 氧 → 氧化铁 (Fe₂O₃ / Fe₃O₄)
这些反应会释放大量热量——而这正是人们想要用来储存的能量。
氢气（H₂）是当今众所周知的能源载体，但难以储存和运输。
金属燃料被视为一种替代燃料，因为它们：
◾️ 能量非常丰富，
◾️易于运输（固态，不易挥发），
◾️ 可重复利用——氧化物可以回收并还原成金属，通常使用可再生电力。
有些方案甚至利用氢气将氧化金属还原成纯金属。

金属储能的物理学

金属燃料的基本原理基于一种巧妙的化学可逆性。铝、铁或硅等金属可以通过还原反应吸收电能，在此过程中，氧会从其氧化物中释放出来。生成的纯金属可以作为高密度储能装置。需要时，这个过程可以逆转。金属与水或蒸汽反应，生成氢气和热量。氢气可用于燃料电池发电，而热量可以直接输送到供暖系统。

能量密度是金属燃料与气态燃料的根本区别。铝的理论能量密度超过每千克8千瓦时，体积能量密度超过每升23千瓦时。即使是700巴高压压缩的氢气，其体积能量密度也仅约为每升1千瓦时。一升铁可以为一个普通德国家庭提供超过8小时的能源，而一升高压氢气甚至不到1小时。

这些物理特性具有深远的实际意义。金属粉末或颗粒可在室温和常压下储存和运输，无需昂贵的高压储罐或复杂的冷却技术。其安全要求与传统散装物料相当。使用较大的颗粒可以避免诸如细金属粉尘等爆炸隐患。例如，瑞士太阳能技术研究所 (SPF) 就使用市售的 6060 铝合金丝颗粒，这种颗粒无需特殊的安全预防措施。

对候选材料的比较

铝被认为是金属燃料中最有前景的候选材料。其理论能量密度高达每公斤8千瓦时以上，远超其他所有无毒金属。铝与水反应时，储存的能量约有50%以热能形式释放，50%以氢气形式释放。氢气可在燃料电池中以50%的效率转化为电能，最终得到约75%的热能和25%的电能。这种组合非常适合建筑能源系统，因为建筑能源系统通常以热能需求为主。

铝生产面临的挑战在于其高能耗。每生产1公斤原铝大约需要13至17千瓦时的电能。如果采用燃煤发电，每生产1公斤铝就会产生高达20公斤的二氧化碳。即使使用可再生能源，传统的霍尔-埃鲁法制铝工艺每生产1吨铝仍然会释放约1.5吨二氧化碳，因为碳阳极在生产过程中会消耗并发生反应生成二氧化碳。

创新之处就在于此。在欧洲研究项目REVEAL中，由OST领导的科学家们正在开发一种完全不产生二氧化碳的铝生产工艺，该工艺使用所谓的惰性阳极。这些阳极由金属合金构成，在电解过程中不会被消耗，而是释放纯氧而非二氧化碳。冰岛合作伙伴IceTec正在同步推进这项技术的工业化应用，利用现成的地热和水力发电能源。德国公司Trimet等也在积极推动这项技术的发展，并已建成示范工厂。

铁是一种务实的替代方案。其能量密度约为每公斤0.2至0.3千瓦时，虽然远低于铝，但仍与其他许多储能技术相比具有竞争力。铁的决定性优势在于其储量丰富且成本低廉。作为地壳中含量第四丰富的元素，铁矿石储量几乎无限，且不会对全球市场价格造成显著影响。

铁与水反应产生的热量极少。所有储存的能量都转移到生成的氢气中，氢气可以以约50%的效率转化为电能。这一转化率使得铁在电力需求至关重要的应用领域极具吸引力。苏黎世联邦理工学院温德林·斯塔克教授领导的研究小组在霍恩格贝格校区运营着一座利用氧化铁进行季节性储氢的试验工厂。这项技术的成本比传统的储氢方式低约十倍。

利用绿色氢气进行直接还原的工艺已在钢铁生产领域得到工业化应用。安赛乐米塔尔和蒂森克虏伯等公司正在致力于向氢基炼钢转型。这项技术可直接用于储能。其成熟度在九级制中处于六至七级之间，已接近市场化阶段。该装置可在常压和约800摄氏度的温度下运行，从而降低了技术复杂性。

硅代表了第三种选择。它兼具与铝类似的高能量密度和良好的储量。作为地壳中仅次于氧的第二大元素，硅的资源几乎不受限制。得益于太阳能产业，硅的生产技术已经相当成熟。然而，与铝和铁相比，硅作为储能介质的研究尚不充分。达姆施塔特工业大学正在A-STEAM项目框架下对硅进行研究，但距离其在工业应用中得到实际应用可能还需要数年时间。

转型经济学

金属燃料的经济可行性主要取决于无碳金属提取的生产成本。以目前约每吨2650美元的传统铝价计算，如果惰性阳极技术在工业上得到应用，到2035年将额外增加约400美元的成本。从长远来看，成本预计将稳定在2020年的水平，但与假设继续采用传统生产方式相比，仍将高出约300美元。

然而，这些额外成本放在整体背景下看待是合理的。铝业脱碳投资预计约为一万亿美元，其中约一半用于提供低排放能源。低碳阳极的预算为两千亿美元。但与此同时，这些投资也为一个全新的储能市场奠定了基础，其应用范围远远超出了铝的传统用途。

三种金属储能方式将可再生电力转化为电能和热能的整体效率在50%到60%之间。与效率高达85%到95%的锂离子电池相比，这个数值乍看之下似乎很低。然而，在评估效率时必须考虑几个因素。首先，这种比较仅适用于储能时长相近的应用场景。电池的储能时长为几小时到几天，而金属燃料的储能时长则为几个月到几年。随着储能时长的增加，电池的每千瓦时储能成本会急剧上升，因为投资成本需要分摊到更少的循环次数中。

其次，必须将热能视为一种完全可用的能源。对于有供暖需求的建筑物而言，75% 热能和 25% 电能的系统可能比纯电能系统更理想，因为纯电能系统需要先通过热泵进行转换。瑞士研究人员预计，冬季使用铝制储能系统的电能和供暖成本约为每千瓦时 20 欧分。这将使其在与许多其他能源供应方案的竞争中占据优势。

利用氢气进行电转气，若仅将氢气转化为电能而不利用余热，其效率仅为30%至40%。若采用甲烷化工艺，效率则降至33%左右。只有通过优化热电联产（CHP）并持续利用余热，才能实现基于高位发热量超过80%的效率。然而，在实际应用中，这些效率值很少能达到。此外，氢气的储存和运输成本也相当高昂。地下盐穴仅适用于地质条件适宜的地区。对于像瑞士这样缺乏此类地质构造的国家而言，只能选择昂贵的地上储罐或进口氢气。

不同储能技术的储能成本差异显著。季节性热能储能系统的成本在每兆瓦时25至400瑞士法郎之间。对于电能而言，抽水蓄能电站的成本约为每兆瓦时100瑞士法郎，但其他季节性储能系统的成本则要高出十倍以上。锂离子电池目前的成本在每千瓦时400至1000欧元之间。尽管这些价格已大幅下降，但对于季节性储能而言仍然过于昂贵。

抽水蓄能电站在日周期和周周期运行中表现出色，效率可达70%至85%。然而，对于每年仅运行一次的季节性储能，成本会上升至每千瓦时额外电力两欧元以上。适宜选址的地理限制进一步制约了其扩张潜力。在全面转型为可再生能源的经济体中，现有的抽水蓄能容量远远不够。

系统集成和部门耦合

金属燃料的优势在于其能够无缝融入部门耦合的概念。部门耦合是指将传统上相互独立的电力、供热和交通运输部门连接起来。虽然电力部门向可再生能源的转型已取得显著进展，但供热和交通运输仍然严重依赖化石燃料。欧洲每年花费超过三千亿欧元进口煤炭、石油和天然气——这些资金实际上流失到了欧洲经济中。

金属燃料能够实现灵活的部门耦合。夏季，多余的光伏电力用于还原金属氧化物，生成的金属被储存起来。冬季，氧化反应产生热量和氢气。热量直接流入供暖系统，理想情况下，该系统应与热泵耦合，从而在较低温度下提高效率。氢气在燃料电池中转化为电能，该过程产生的废热随后被送回供暖系统。

这种组合精准地解决了欧洲能源系统的核心问题。在德国，供暖需求约占最终能源消耗总量的一半，其中很大一部分集中在冬季。一种主要用于供热，同时还能产生大量电力的储能系统，完美契合了这种需求模式。卢塞恩应用科学与艺术大学的研究表明，如果住宅建筑的隔热性能良好，并结合热泵技术，几乎可以消除瑞士冬季的电力短缺问题。如果再配合金属储能系统，这样的系统就能充分利用夏季的剩余电力，确保冬季电力供应的可靠性。

根据瑞士研究人员的模型，为所有多户住宅楼配备金属储能系统，可显著减少预计到2050年冬季将出现的8太瓦时电力缺口。即使仅为一半的多户住宅楼配备储能系统，也能贡献数太瓦时的电力。该方案的分散式结构避免了成本高昂的电网扩建措施，并通过冗余设计提高了供电安全性。

工业应用领域正在涌现出更多前景。工艺热在工业能源需求中占据相当大的比例。使用热泵、电极锅炉或电阻加热进行直接电气化在技术上是可行的，并且已应用于许多温度范围。然而，金属燃料可以提供解决方案，尤其适用于高温工艺和基荷稳定性。铁粉燃烧可达到超过1800摄氏度的温度，足以满足许多工业过程的需求。

改造后的燃煤电厂可以使用金属粉末作为燃料。现有的燃烧、蒸汽循环和发电基础设施可以得到充分利用。生成的金属氧化物将被收集并运送到拥有充足可再生能源的设施进行还原。这种方法既能充分利用现有设施，又能保住就业岗位，同时还能助力脱碳。达姆施塔特工业大学正在其“清洁循环计划”中对这一概念进行研究。

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利用金属储能实现季节性储能2.0：铝和铁能否弥补冬季能源缺口？

技术成熟度和发展前景

各组成部分的技术成熟度差异显著。金属氧化释放能量的技术由来已久，并已应用于一些特殊领域。例如，铝和铁颗粒被用于阿里安火箭助推器、烟花和其他烟火应用中。因此，相关的基本化学过程已被人们掌握和理解。

目前，利用中等温度下的水或蒸汽进行可控反应以生产热量和氢气的技术正处于试点阶段。位于拉珀斯维尔的SPF太阳能技术研究所委托开发了一个原型机，该原型机是REVEAL项目的一部分。一旦投入运行，该原型机将展示如何通过化学工艺利用铝生产建筑物所需的热能和电力。所产生的能源可用于为建筑物和工业厂房供电，或输送到区域供热网络。

苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich) 在其 Hönggerberg 校区运营着一座铁基氢气储存试点工厂。三个不锈钢储罐，每个装有 600 公斤氧化铁，可长期储存约 10 兆瓦时的氢气。根据转换技术的不同，这些氢气可产生 4 至 6 兆瓦时的电力。该工厂自 2024 年开始运行，并计划于 2026 年进行扩建，届时将利用季节性储存的太阳能满足校园冬季五分之一的电力需求。如果将氧化铁的储存量扩大到 1000 吨，则可提供 2 吉瓦时的电力，相当于 Nant de Drance 抽水蓄能电站装机容量的十分之一。

最大的技术挑战在于无碳金属生产。对于铁而言，采用绿色氢气进行直接还原的工艺已在工业上得到验证。多家钢铁公司目前正在建设示范工厂，并计划在2030年至2040年间逐步过渡到该工艺。该技术的成熟度在九级制中约为七至八级，因此已接近商业化应用。

惰性阳极技术即将为铝业带来突破。位于埃森的Trimet公司自2024年起便在生产条件下运营一座示范工厂。该公司预计该技术将于2040年实现工业化应用，并于2045年实现碳中和。挪威海德鲁公司和力拓集团等国际企业也正大力投资这项技术。苹果公司已从一家采用惰性阳极技术的试点工厂采购了首批铝材，用于智能手机制造。这充分展现了该技术的商业价值和可靠性。

规模化仍然是一个关键因素。全球铝年产量约为7000万吨，而钢铁年产量接近20亿吨。要对季节性能源储存做出显著贡献，就需要额外的产能。然而，这未必会扰乱大宗商品市场。铝和铁是地壳中最丰富的元素之一，其资源几乎是无限的。产量的主要限制因素将是价格合理的再生能源的供应。

这正是关键机遇所在。那些拥有优良可再生能源条件但本地需求较低的地区，可以发展成为金属生产地。例如，冰岛拥有地热和水力发电资源，北非阳光充足，巴塔哥尼亚风力资源丰富，这些地区都可以大规模生产金属用于出口。运输简便安全。在正常情况下，集装箱船即可运输金属颗粒，无需承担液氢或液化天然气运输带来的风险和成本。

重新思考全球能源流动

通过金属能源载体实现能源供应国际化将从根本上改变全球贸易格局。欧洲每年在化石燃料进口上花费超过三千亿欧元。仅德国一国就花费八百亿至一千三百亿欧元。这些巨额资金主要流向威权国家，而这些国家的政策往往与欧洲价值观背道而驰。为这些进口提供资金加剧了地缘政治不稳定，并使欧洲容易受到勒索，近期的能源危机已惨痛地证明了这一点。

向金属能源载体转型可以解决这些依赖性问题，同时促进新的合作关系。拥有丰富可再生资源但国内工业化程度有限的国家将获得宝贵的出口前景。摩洛哥拥有太阳能潜力；智利拥有风能和地热能；澳大利亚拥有广袤的适宜发展可再生能源的土地，这些国家都有可能成为金属生产国。这些国家大多是民主国家，与欧洲拥有共同的基本价值观。因此，能源进口将有助于发展融资，而不是支持专制政权。

金属燃料的循环经济与化石燃料的循环经济有着本质区别。煤炭、石油和天然气燃烧后不可逆地转化为温室气体。而金属则在一个闭合的循环系统中循环利用。氧化后的金属被运回还原装置重新装填。理论上，这个循环可以无限次重复，而不会造成任何物质损失或降解。苏黎世联邦理工学院的研究人员甚至观察到，他们的铁反应堆的存储容量会随着每个循环略有增加。

这种循环利用模式具有深远的经济意义。对金属生产的投资可以在多个循环中收回成本。与容量会随着每次循环而下降的电池不同，金属储能系统可以无限期地使用。虽然还原氧化装置以及金属本身的初始投资可能相当可观，但几十年后，每千瓦时储能的成本将变得极具竞争力。

瑞士研究人员的模型计算假设，铝制储能系统产生的电力和热能成本约为每千瓦时20美分。这与可再生能源的生产成本相符，并且远低于冬季高峰时段的电力成本。随着技术的日益成熟和规模化应用，成本预计将进一步下降。光伏和风能的发展历程表明，学习曲线效应可以显著降低成本。

风险与挑战

尽管潜力巨大，但仍存在诸多挑战和风险。技术研发尚未完成。特别是，采用惰性阳极的无二氧化碳铝生产技术才刚刚开始向工业化应用过渡。此前，该技术的多次尝试均以失败告终。惰性阳极技术似乎总是徘徊在即将完成的边缘，却始终未能取得突破。

电力成本上涨构成了一个问题。惰性阳极不仅不释放二氧化碳，而且不像碳阳极那样提供工艺能量。因此，每吨铝的电力需求增加。鉴于欧洲能源成本已经很高，这可能会削弱其竞争力。铝生产可能会进一步转移到能源价格特别低廉的地区，而欧洲则可能沦为纯粹的进口国。

可再生能源竞争日趋激烈。众多行业都在努力实现电气化。工业需要绿色氢气用于化工流程和钢铁生产。随着数百万辆电动汽车的投入使用，交通运输业正在走向电气化。数字基础设施及其数据中心消耗的电力也日益增长。在这种竞争环境下，金属储能解决方案仍需证明其经济优势。

基础设施需求巨大。要对冬季能源供应做出显著贡献，需要数百万个分散式储能系统或大型集中式设施。建设这些基础设施需要时间、资金和政治意愿。此类系统的投资回收期可能长达数十年，这可能会阻碍私人投资者。政府补贴和监管激励措施可能必不可少。

金属生产规模的大幅扩张对环境的影响必须得到严格审视。即使生产过程是碳中和的，它仍然消耗大量的电力。这些电力，以及其他所有能源需求，都必须来自可再生能源。建设必要的风能和太阳能发电厂需要占用相当大的土地。此外，铝土矿开采需要大规模采矿，这会带来相应的生态和社会影响。

公众对新能源技术的接受度很低。每个大型工业项目都会遇到当地居民的抵制。风力涡轮机、太阳能发电厂和输电线路的建设经常因民众的抗议而延误或阻止。高温运行且耗电量巨大的金属冶炼厂也可能面临类似的阻力。因此，就新能源技术的益处、风险和环境影响进行透明的沟通至关重要。

欧洲战略展望

对欧洲而言，金属燃料的开发提供了一个战略机遇，使其能够在未来的市场中确立技术领先地位。瑞士和德国的研究机构是该领域的全球领先机构之一。REVEAL项目汇集了欧洲顶尖的合作伙伴。欧洲在冶金、化学工艺工程和能源系统集成方面拥有丰富的工业专业知识。

一项协调一致的欧洲战略可以包含以下几个要素。首先，持续加大研发投入。此前的投资已取得显著进展。扩大投入将进一步巩固技术领先优势。其次，制定市场准入的监管激励措施。上网电价补贴或投资补助可以激励早期采用者。

第三，融入欧洲能源基础设施战略。规划中的氢能网络可以扩展，以容纳金属能源载体。现有的天然气基础设施可以部分改造利用。第四，与拥有理想金属生产条件的国家开展国际合作。与北非国家建立发展伙伴关系、投资南美生产能力或向亚洲进行技术转让，都可以创造互利共赢的局面。

地缘政治因素不容低估。减少对化石燃料进口的依赖显著提升了欧洲的政治行动自由。确保冬季能源供应来自国内或可靠的国际来源，增强了抵御外部冲击的能力。能源来源和供应链的多元化降低了被专制政权勒索的可能性。

与此同时，新的依赖关系也随之出现。欧洲有可能像目前依赖化石燃料一样，依赖金属进口。不同之处在于金属的可逆性和循环性。金属可以回收再利用，从而避免了有限化石资源所面临的生存危机。此外，原则上，只要有充足且价格合理的再生能源，生产完全可以在欧洲境内进行。

储能的未来

金属燃料并非应对能源转型挑战的唯一解决方案，而是多元化储能技术组合的一部分。锂离子电池可在数小时至数天的短期内保持其性能。抽水蓄能电站对于电网稳定和平衡每日及每周的波动仍然不可或缺。氢气在工业领域将作为工艺气体和还原剂发挥作用。

金属燃料在季节性长期储能领域，尤其是供热方面，有着独特的应用前景。它们兼具高能量密度、易于操作、原材料成本低廉以及良好的跨领域耦合等优势，使其优于其他技术。未来的发展将揭示这些理论优势能否以及以多快的速度在实践中得以实现。

未来几年至关重要。目前已有数座试点工厂投入运营或正在建设中。这些项目积累的经验将揭示技术和经济预期是否能够实现。惰性阳极技术的发展将决定大规模无二氧化碳铝生产是否真正成为可能。行业和政策制定者对这项技术的投资意愿将决定其实现的时间进程。

将金属储能系统整合到现有能源系统中，不仅需要技术创新，还需要监管和市场方面的创新。必须开发新的商业模式，充分考虑金属储能的特殊性。生产商、储能运营商和能源供应商之间必须签订长期合同，以确保投资安全。气候和能源相关效益的评估结果必须体现在相应的市场价格或支持机制中。

关于储能的公共讨论需要拓宽视野。长期以来，讨论过于片面地将氢能视为一种所谓的万能解决方案。但现实远比这复杂。不同的应用需要不同的解决方案。金属燃料理应在这个领域占据重要地位。它们的优势显而易见，不容忽视；它们的潜力巨大，不容埋没。

能源系统的转型是本世纪最严峻的技术和经济挑战之一。它需要创新的勇气、投资的意愿以及对新解决方案的开放态度。金属燃料正是这样一种解决方案。它们不仅仅是实验室里令人感兴趣的奇观，更可能成为季节性储能领域的变革者，成为解决冬季电力缺口的关键，并最终引领我们走向能源独立。金属燃料并非取代氢能，而是与之有效互补，并在某些应用领域超越氢能。其进一步发展值得关注、支持和严格审查。未来几年将见证金属燃料能否兑现其承诺。