Metaalpoeder: koolstofvrije brandstof voor de toekomst?

Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung en de Technische Universiteit Eindhoven analyseren hoe ijzer kan worden gebruikt om energie op te slaan en te transporteren.

Efficiënt opslaan overtollige energie

Het winnen van duurzame energie uit wind, zon en water is algemeen bekend en wordt toegepast. Duurzame bronnen zijn echter afhankelijk van milieuomstandigheden: in piektijden van wind en zon wordt overtollige energie geproduceerd die nodig is in tijden van minder wind en zon. Maar hoe kan deze overtollige energie efficiënt worden opgeslagen en getransporteerd? Tot nu toe is er geen betrouwbare, veilige en goedkope manier gevonden om een grote hoeveelheid energie op te slaan in een klein volume. 

Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) en de Technische Universiteit Eindhoven hebben geanalyseerd hoe metalen, met name ijzer, kunnen worden gebruikt voor energieopslag en welke parameters de efficiëntie van de opslag en het hergebruik bepalen. Zij publiceerden hun recente bevindingen in het tijdschrift Acta Materialia.

Recente publicatie Acta Materialia

"Energie opslaan in metalen en ze verbranden om de energie vrij te maken wanneer dat nodig is, is een methode die al wordt toegepast in de ruimtevaarttechnologie. Ons doel was te begrijpen wat er precies gebeurt op micro- en nanoschaal tijdens de reductie en verbranding van ijzer en hoe de evolutie van de microstructuur de efficiëntie van het proces beïnvloedt. Bovendien wilden we uitzoeken hoe we dit proces circulair kunnen maken zonder energie- of materiaalverlies", verklaart Dr. Laurine Choisez, die onlangs haar postdoctoraal onderzoek aan het MPIE heeft afgerond en eerste auteur is van de publicatie. Wanneer ijzererts wordt gereduceerd tot ijzer, wordt er van nature veel energie opgeslagen in het gereduceerde ijzer. Het idee is om deze energie uit het ijzer te halen wanneer dat nodig is door het ijzer terug te oxideren tot ijzeroxide. In tijden van overtollige energie van wind, zon of water kan dit ijzererts opnieuw tot ijzer worden gereduceerd en de energie worden opgeslagen.

De wetenschappers spreken van verbranding wanneer zij het "verbranden", dat wil zeggen de oxidatie, van het ijzer tot ijzererts beschrijven. Choisez en haar collega's van het MPIE richtten zich op de karakterisering van de ijzerpoeders na reductie en verbranding met behulp van geavanceerde microscopie- en simulatiemethoden om de poederzuiverheid, morfologie, porositeit en de thermodynamica van het verbrandingsproces te analyseren. De verkregen microstructuur van de verbrande ijzerpoeders is bepalend voor de efficiëntie van het volgende reductieproces, en om te bepalen of het proces van reductie en verbranding volledig circulair is, wat betekent dat er geen extra energie of materiaal moet worden toegevoegd.  

Twee verbrandingstrajecten gepresenteerd

De wetenschappers presenteren twee verbrandingstrajecten, één ondersteund door een propaanvlam en één zelfonderhoudend waarbij de enige gebruikte brandstof het ijzerpoeder is, en laten zien hoe het verbrandingstraject de microstructuur van het verbrande ijzer beïnvloedt. "We zijn momenteel bezig de reductie- en verbrandingsstappen op te schalen naar een industrieel relevant niveau en bepalen de exacte parameters, zoals temperatuur en deeltjesgrootte, die nodig zijn", legt Niek E. van Rooij uit, promovendus in de groep Verbrandingstechnologie van de Technische Universiteit Eindhoven en co-auteur van de publicatie. De recente studie heeft aangetoond dat het gebruik van metalen om energie op te slaan haalbaar is. Toekomstige studies zullen nu analyseren hoe de circulariteit van het proces kan worden vergroot, aangezien de grootte van sommige verbrande deeltjes kleiner is dan hun oorspronkelijke grootte als gevolg van gedeeltelijke verdamping van ijzer, micro-explosies en/of breuk van sommige ijzeroxidedeeltjes.  
 
Tijdens de reductie van ijzeroxide tot ijzer wordt energie opgeslagen. Er komt energie vrij bij de verbranding van ijzer tot ijzeroxide. Optimalisering van dit proces zou kunnen leiden tot een volledig circulaire, dus duurzame opslag van energie.
Copyright: Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
  

IJzerpoeder verbrand in een brander op industriële schaal, gebruikt voor de toepassing van duurzame energiedragers. 
Copyright: Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Original publication:
L. Choisez, N. E. van Rooij, C. J.M. Hessels, A. K. da Silva, I. R. Souza Filho, Y. Ma, P. de Goey, H. Springer, D. Raabe: Phase transformations and microstructure evolution during combustion of iron powder. In: Acta Materialia 239 (2022) 118261. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118261