Järnpulver förbränt i en brännare i industriell skala, som används för applicering av hållbar energibärare. Kredit:Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Att få hållbar energi från vind, sol och vatten är allmänt känt och tillämpat. Förnybara källor är dock beroende av miljöförhållandena:i topptider av vind och sol produceras överskottsenergi som behövs i tider med mindre vind och solsken. Men hur lagrar och transporterar man denna överskottsenergi effektivt?
Hittills har man inte hittat något tillförlitligt, säkert och billigt sätt att lagra en stor mängd energi i en liten volymbehållare. Nu har forskare från Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) och Eindhovens tekniska universitet analyserat hur metaller, särskilt järn, kan användas för energilagring och vilka parametrar som avgör effektiviteten av lagring och återanvändning. De publicerade sina senaste fynd i tidskriften Acta Materialia .
Skapa en cirkulär reduktions- och förbränningsprocess
"Att lagra energi i metaller och förbränna dem för att frigöra energin när det behövs är en metod som redan tillämpas inom flygteknik. Vårt mål var att förstå vad som exakt händer på mikro- och nanoskala under reduktion och förbränning av järn och hur mikrostrukturutvecklingen påverkar effektiviteten i processen. Dessutom ville vi hitta hur man kan göra denna process cirkulär utan förluster i energi eller material," förklarar Dr. Laurine Choisez, som nyligen avslutade sin postdoktorala forskning vid MPIE och som är första författare till publikationen.
När järnmalm reduceras till järn lagras naturligt mycket energi i det reducerade järnet. Tanken är att få ut denna energi ur järnet när det behövs genom att oxidera järnet tillbaka till järnoxid. I tider av överskottsenergi från vind, sol eller vatten kunde denna järnmalm åter reduceras till järn och energin lagras.
Forskarna talar om förbränning när de beskriver "förbränning", vilket betyder oxidation, av järnet tillbaka till järnmalm. Choisez och hennes kollegor på MPIE fokuserade på karakteriseringen av järnpulvret efter reduktion och förbränning med hjälp av avancerade mikroskopi och simuleringsmetoder för att analysera pulvrets renhet, morfologi, porositet och termodynamiken i förbränningsprocessen.
Den erhållna mikrostrukturen hos de förbrända järnpulvret är avgörande för effektiviteten i följande reduktionsprocess, och för att avgöra om processen för reduktion och förbränning är helt cirkulär, vilket innebär att ingen ytterligare energi eller material behöver tillsättas.
Energi lagras samtidigt som järnoxid reduceras till järn. Energi frigörs när järn förbränns tillbaka till järnoxid. Att optimera denna process kan leda till en helt cirkulär och därmed hållbar lagring av energi. Kredit:Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Uppskalning för industriellt bruk
Forskarna presenterar två förbränningsvägar, en som stöds av en propan pilotlåga och en självförsörjande där det enda bränslet som används är järnpulvret, och visar hur förbränningsvägen påverkar mikrostrukturen hos det förbrända järnet.
"Vi uppskalar för närvarande reduktions- och förbränningsstegen till en industriell relevant nivå som bestämmer de exakta parametrarna som temperatur och partikelstorlek, som behövs", förklarar Niek E. van Rooij, doktorand i Combustion Technology-gruppen vid Eindhovens tekniska universitet. och medförfattare till publikationen.
Den senaste studien visade att det är möjligt att använda metaller för att lagra energi. Framtida studier kommer nu att analysera hur man kan öka processens cirkularitet, eftersom storleken på vissa förbrända partiklar minskar jämfört med deras ursprungliga storlek på grund av partiell järnavdunstning, mikroexplosioner och/eller brott av vissa järnoxidpartiklar. + Utforska vidare
