储能用铁

诸平

Fig. 1 Iron powder combusted in an industrial-scale burner, used for the application of sustainable energy carrier. © Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH

Fig. 2 Energy is stored while reducing iron oxide to iron. Energy is freed while combusting iron back to iron oxide. Optimizing this process could lead to a fully circular, thus sustainable storage of energy. © Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH 

据德国马克斯·普朗克学会(Max Plank Society)亚斯敏·艾哈迈德·塞勒姆(Yasmin Ahmed Salem)2022年12月2日报道，在工业规模燃烧器中燃烧的铁粉，用于可持续能源载体的应用（Iron for energy storage）。在未来，这种金属可以储存来自可再生能源的能量，例如用于运输。

太阳能或风能取决于天气，缺乏有效的储存和运输方式。马克斯普朗克能源研究所（Max-Planck-Institut für Eisenforschung）和埃因霍温工业大学（TU Eindhoven）的科学家们正在研究铁作为一种可能的能量载体。这个想法是将多余的能量储存在铁中，并通过铁燃烧成氧化铁释放出来。该团队正在努力了解潜在的过程并将该技术提升到工业相关性。

从风能、太阳能和水能中获取可持续能源是众所周知的并得到应用。然而，可再生能源取决于环境条件：在风力和太阳能的高峰期，会产生多余的能量，在风力和阳光较少的时候需要。但是如何有效地储存和运输这些多余的能量呢？到目前为止，还没有找到可靠、安全和廉价的方法来在小体积容器中储存大量能量。现在，马克斯普朗克能源研究所和埃因霍温工业大学的科学家们分析了金属（尤其是铁）如何用于储能，以及哪些参数决定了储能和再利用的效率。他们的相关研究结果于2022年10月15日已经在《材料学报》（Acta Materialia）杂志网站发表——Laurine Choisez, Niek E.van Rooij, Conrad J. M. Hessels, Alisson K. da Silva, Isnaldi R. Souza Filho, Yan Ma, Philipde Goey, Hauke Springer, Dierk Raabe. Phase transformations and microstructure evolution during combustion of iron powder. Acta Materialia, October 15th 2022, Volume 239, 118261. DOI: 10.1016/j.actamat.2022.118261. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118261

创建循环还原和燃烧过程(Creating a circular reduction and combustion process)

 “将能量储存在金属中并在需要时燃烧它们以释放能量是一种已经应用于航空航天技术的方法。我们的目的是了解在铁的还原和燃烧过程中在微观和纳米尺度上究竟发生了什么，以及微观结构演变如何影响效率的过程。此外，我们想找到如何在不损失能量或材料的情况下使这个过程循环”，上述论文的第一作者、最近在马克斯普朗克能源研究所完成其博士后研究的劳琳·乔塞兹（Laurine Choisez）解释说。当铁矿石被还原成铁时，大量的能量自然储存在还原铁中。这个想法是在需要时通过将铁氧化回氧化铁来从铁中获取这种能量。在风能、太阳能或水能过剩的时候，这种铁矿石可以再次还原为铁并储存能量。科学家们在描述铁氧化变回铁矿石时谈到了燃烧。劳琳·乔塞兹和她在马克斯普朗克能源研究所的同事专注于还原和燃烧后铁粉的表征，使用先进的显微镜和模拟方法分析粉末纯度、形态、孔隙率和燃烧过程的热力学。所获得的燃烧铁粉的微观结构对于后续还原过程的效率，以及确定还原和燃烧过程是否完全循环（意味着无需添加额外的能量或材料）具有决定性作用。

在将氧化铁还原为铁的同时储存能量。将铁燃烧回氧化铁时释放能量。优化这一过程可能会导致完全循环，从而实现可持续的能源储存。见图2（Fig. 2）所示。

升级用于工业用途（Upscaling for industrial use）

科学家们提出了两种燃烧途径，一种由丙烷引燃火焰支持，另一种是自我维持的，其中唯一使用的燃料是铁粉，并展示了燃烧途径如何影响燃烧铁的微观结构。埃因霍温工业大学燃烧技术组博士研究员、也是上述论文的合作者尼克·范·鲁伊（Niek E. van Rooij）解释说：“我们目前正在将还原和燃烧步骤升级到工业相关水平，以确定所需的确切参数，例如温度和颗粒大小。”最近的研究表明，使用金属来储存能量是可行的。由于部分铁的蒸发、微爆炸和/或一些氧化铁颗粒的破裂，一些燃烧颗粒的尺寸与原始尺寸相比变小了，未来的研究将分析如何增加过程的循环性。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

To successfully transition from fossil-fuel to sustainable carbon-free energy carriers, a safe, stable and high-density energy storage technology is required. The combustion of iron powders seems very promising in this regard. Yet, little is known about their in-process morphological and microstructural evolution, which are critical features for the circularity of the concept, especially the subsequent reduction of the combusted oxide powders back to iron. Here, we investigated two iron powder combustion pathways, one in air and one with the assistance of a propane pilot flame. Both processes resulted in spherical hollow particles composed of a complex microstructure of wüstite, magnetite and/or hematite. Partial evaporation is indicated by the observation of nanoparticles on the micro-sized combustion products. The associated gas production inside the liquid droplet could be the origin of the internal porosity and micro-explosion events. Cracking at the end of the combustion process results in mostly open porosity, which is favorable for the subsequent reduction process. With this study, we aim to open the perspective of iron metal fuel from macroscopic combustion analysis towards a better understanding of the underlying microscopic thermodynamic, kinetic, microstructural and thermomechanical mechanisms.

Graphical abstract