Metallpulver: umweltfreundlicher Brennstoff der Zukunft?

Viele erneuerbaren Energie­quellen sind wetter­abhängig: In Spitzen­zeiten von Wind und Sonne wird über­schüssige Energie erzeugt, die in Zeiten mit weniger Wind und Sonnen­schein benötigt wird. Wie lässt sich diese über­schüssige Energie effizient speichern und trans­por­tieren? Bislang gab es keine zuverlässige, sichere und kosten­günstige Möglichkeit, eine große Menge Energie möglichst kompakt zu speichern. Wissen­schaftler des MPI für Eisen­forschung und der TU Eindhoven haben jetzt untersucht, wie Metalle, insbesondere Eisen, zur Energie­speicherung verwendet werden können und welche Parameter die Effizienz der Speicherung und Wieder­verwendung bestimmen.

„Energie in Metallen zu speichern und diese zu verbrennen, um die gespeicherte Energie wieder freizusetzen, ist eine Methode, die bereits in der Luft- und Raumfahrt­technik angewendet wird. Unser Ziel war es zu verstehen, was genau bei der Speicherung und Verbrennung von Eisen auf der Mikro- und Nanoskala passiert und wie die Veränderung der Mikrostruktur die Effizienz des Prozesses beeinflusst. Außerdem wollten wir herausfinden, wie man diesen Prozess ohne Energie- oder Material­verluste, also vollständig zirkulär, aufbauen kann“, erklärt Laurine Choisez vom MPIE.

Wenn Eisenerze zu Eisen reduziert werden, ist im reduzierten Eisen viel Energie gespeichert. Die Idee ist, diese Energie bei Bedarf aus dem Eisen heraus­zuholen, indem das Eisen wieder zu Eisenoxid oxidiert wird. In Zeiten von über­schüssiger Energie aus Wind, Sonne oder Wasser könnte dieses Eisenoxid wieder zu Eisen reduziert und die Energie dadurch gespeichert werden. Choisez und ihr Team am MPIE konzentrierten sich auf die Analyse der Eisenpulver nach der Reduktion und Verbrennung, wobei sie High-Tech Mikroskopie- und Simulations­methoden einsetzten, um die Reinheit des Pulvers, die Morphologie, die Porosität und die Thermo­dynamik des Verbrennungs­prozesses zu analysieren.

Die Mikrostruktur des verbrannten Eisenpulvers ist entscheidend für die Effizienz des nachfolgenden Reduktions­prozesses und um festzu­stellen, ob der Reduktions- und Verbrennungs­prozess vollständig zirkulär ist, das heißt, dass keine zusätzliche Energie oder kein zusätzliches Pulver zugeführt werden muss. Die Wissen­schaftler stellen zwei Verbrennungs­wege vor: einen, der von einer Propan-Zündflamme unterstützt wird, und einen autarken, bei dem nur das Eisenpulver als Brennstoff verwendet wird. Sie zeigen, wie der Verbren­nungs­weg die Mikro­struktur des verbrannten Eisens beeinflusst.

„Wir sind derzeit dabei, die Reduktions- und Verbrennungs­schritte auf ein industriell relevantes Niveau hoch­zus­kalieren und die genauen Parameter wie Temperatur und Partikel­größe zu bestimmen, die benötigt werden“, erklärt Niek van Rooij von der TU Eindhoven. Die Studie hat gezeigt, dass die Verwendung von Metallen zur Energie­speicherung machbar ist. Künftige Studien werden nun untersuchen, wie die Zirkularität des Prozesses erhöht werden kann. Momentan verringert der Verbrennungs­prozess die Größe einiger verbrannter Partikel. Gründe hierfür sind partielle Eisen­ver­dampfung, Mikro­explosionen und der Bruch einiger Eisen­oxid­partikel.

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Choisez et al.: Phase transformations and microstructure evolution during combustion of iron powder, Acta Mater. 239, 118261 (2022); DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118261
• Sustainability of and through materials, Abt. Mikrostrukturphysik und LegierungsdesignMax-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH, Düsseldorf