EO

Het ontrafelen van de verbranding van metaalpoeder (video)

06 april 2020 om 11:35 uur

Deze twee vlammen illustreren de complexiteit van de verbranding van metaalpoeder. Links een vlam van de verbranding van methaan, rechts de verbranding van ijzerpoeder. Waar bij methaan de vlam homogeen is met een duidelijke afbakening is de vlam bij ijzerpoeder juist verre van homogeen en erg turbulent. Foto: Philip de Goey

Hoe sla je die energie tijdelijk op? Een groep onderzoekers aan de TU Eindhoven ziet in metaalpoeder een gedroomde kandidaat: CO2-vrij, herbruikbaar en met een hoge energiedichtheid. De eerste resultaten zijn veelbelovend, maar om de technologie op grote schaal in te zetten is het eerst noodzakelijk de verbranding van die metaaldeeltjes in detail te snappen en te beheersen.


Bron: TU/e

 

Met een Advanced Grant van 2,5 miljoen euro van de European Research Council (ERC) gaat hoogleraar verbrandingstechnologie Philip de Goey van de TU/e die brandende vraag beantwoorden. Het verbranden van brandstoffen - op efficiënte en schone wijze - staat centraal in het onderzoek van de hoogleraar verbrandingstechnologie. Onderzoekslabs over de hele wereld gebruiken de door zijn groep ontwikkelde methodes om de verbranding van aardgas en andere fossiele brandstoffen tot in detail te begrijpen en controleren.

 

Sinds kort richt hij zich op een nieuw mysterie: metaalpoeders, internationaal bekend als ‘metal fuels'. Het is een pas ontdekte, veelbelovende energiedrager, door sommigen zelfs de batterij van de toekomst genoemd. Toch ontbreekt fundamenteel begrip van de verbranding van die metaalpoeders. Bijzonder, want die verbranding is helemaal niet zo nieuw: het gebeurt al tijden voor onder meer vuurwerk en raketbrandstof.

 

Hoe kan het dat we toch nog zo weinig weten van de verbranding van metaalpoeder?

"De verbranding van metaalpoeders is inderdaad geen nieuw fenomeen. Zo bepaalt de keuze van het metaal in vuurwerk welke kleuren je in de lucht ziet. Er is alleen een belangrijk verschil met metal fuels. Bij de bestaande toepassingen zijn de metaaldeeltjes omgeven door ándere materialen die brandbaar zijn. Die brandbare omgeving zorgt dat de metaaldeeltjes ook verbranden. In het geval van metal fuels moet de verbranding van de deeltjes zelf komen, en springt deze van het ene naar het andere deeltje, zonder hulp van iets anders. Dat maakt het een compleet nieuwe situatie. En één waar wetenschappelijk gezien nauwelijks eerder naar is gekeken."

 

Waardoor zijn metal fuels onlangs zo in de belangstelling gekomen?

"De laatste jaren is de behoefte aan tijdelijke energieopslag steeds groter geworden, nu we steeds meer op duurzame energiebronnen als zon en wind overstappen. Grootschalige opslag in batterijen is te duur, en voor waterstof, dat ook vaak wordt genoemd als opslagmateriaal, heb je een enorm groot volume nodig. Metalen hebben een veel hogere energiedichtheid dan waterstof. Metaalpoeder is daardoor erg compact en makkelijk te vervoeren energiedrager. Ik stel me voor dat je de energie uit zon en wind haalt op de plek waar dat het beste werkt, zoals op de evenaar, en je het dan transporteert naar andere plekken.

 

"Een ander groot voordeel is dat het metaalpoeder herbruikbaar is. Je hoeft het poeder dus maar één keer te maken. De stappen volgen een circulair proces. Bij de verbranding ontstaat geen CO2, er blijft alleen roest over. Met waterstof zet je dit vervolgens weer terug om naar het metaalpoeder. Dit proces kun je blijven herhalen. Bij de verbranding komt energie vrij in de vorm van warmte. Dat kan gebruikt worden als stoom in industriële processen of om een turbine mee aan te drijven. Met name voor bedrijven die 1 tot 10 MW aan hoge-temperatuur-warmte nodig hebben is dit op korte termijn zeer interessant. Ook kijken we naar de maritieme sector, waar een enorme reductie in de uitstoot van vervuilende stoffen nodig is."

 

Waarom is het belangrijk dat we de verbranding precies begrijpen?

"We hebben de afgelopen jaren een aantal mooie stappen gezet in het demonstreren dat metaalpoeders echt potentie hebben. Zo hebben we, samen met studententeam Team Solid binnen het Metal Power consortium, een proefinstallatie gerealiseerd die 100 kW aan energie levert. De komende jaren gaan we dit opschalen naar een 1 MW-installatie van enkele meters hoog. Als je echter verder wilt opschalen kun je niet zomaar iets bouwen. Je hebt systemen met stabiele verbranding nodig die ook nog eens zo optimaal mogelijk werkt en dat blijkt erg lastig. Zo weten we eigenlijk nog erg weinig. Hoe groot moeten de deeltjes zijn? Hoe springt de vlam over van het ene deeltje naar een ander? Hoe ontstaat dan uiteindelijk een vlam en hoe hard loopt die vlam dan? En, moeten de metaaldeeltjes wel ronde bolletjes zijn, of juist staafjes? Mogen ze poreus zijn? Hoe zuiver moeten ze zijn? Kijk bijvoorbeeld naar de benzine- en dieselmotoren. Die werden eind van de negentiende eeuw uitgevonden, maar ze worden nog steeds verbeterd. We hebben jaren rondgereden met motoren die niet zo efficiënt en zeker niet zo schoon waren."

 

Hoe ga je tot dit begrip komen?

"Dat gaan we in drie stappen doen, op drie niveaus. We kijken allereerst naar hoe één deeltje verbrandt. Als een deeltje wordt opgewarmd gaat het smelten. Het ontsteekt en reageert met zuurstof, waardoor een mengsel ontstaat van verschillende combinaties van het metaal met zuurstof. In het geval van ijzer verschillende ijzeroxides, zoals Fe3O4 en Fe2O3. Bovendien moeten we de situatie zo zien te tunen dat de deeltjes niet verdampen, want dan komen er nanodeeltjes roest vrij en die kun je niet afvangen en dan raak je ze kwijt. Dat proberen we met modellen te simuleren en zo te optimaliseren.

 

"We bestuderen dit zowel experimenteel als door modellering. We gebruiken een unieke brander waarmee de metaaldeeltjes als een fontein omhoog worden geschoten en verbrand worden. Met lasers en hogesnelheidscamera's volgen we alles tot in detail.

 

"Vervolgens beschouwen we meerdere losse deeltjes bij elkaar, je krijgt dan een lopend vuurtje, ook wel vlamfront genaamd. We ontwikkelen een nieuwe versie van de zogeheten Heatflux-methode, die nu wereldwijd in talloze labs wordt gebruikt om vlammen van gasvormige en vloeibare brandstoffen in detail te ontleden. In de derde stap gaan we van zo'n lopend vuurtje, een ééndimensionaal vlammenfront, naar een volledige 3D-vlam die meestal turbulent is en daardoor een chaotische structuur krijgt. Vandaar dat we spreken van een ‘multi-scale' begrip van de verbranding van metaalpoeder. Dit zal ik allemaal doen samen met mijn verbrandingscollega's in de groep, met name Nico Dam, Jeroen van Oijen, Yuriy Shoshin, Rob Bastiaans en Giulia Finotello."

 

 

Reacties (1)

Waarom kun je nanodeeltjes roest niet afvangen? Die kun je dan toch ook met waterstof reduceren tot originele metaaldeeltjes? Gewoon door een wolk waterstof heen sturen?
Het antwoord wordt al hogerop in het artikel gegeven:
"...er blijft alleen roest over. Met waterstof zet je dit vervolgens weer terug om naar het metaalpoeder. Dit proces kun je blijven herhalen."
Of is dit een denkfout?
Marcel Croese, 7 april 2020 08:36
 

Gerelateerd nieuws

Kabinet stelt koers luchtvaart in Nederland vast

'Groei luchtvaart geen vanzelfsprekendheid meer'

Het kabinet heeft de nieuwe koers vastgelegd voor de ontwikkeling van de luchtvaart in Nederland. Na het herstel van de huidige crisis is er perspectief op groei, mits de luchtvaart er aantoonbaar in slaagt om stiller en…

80 Nederlandse bedrijven naar CES

Tachtig Nederlandse bedrijven naar CES

Tachtig Nederlandse innovatieve groeibedrijven nemen in januari deel aan de Consumer Electronics Show (CES). Dit is de grootste Nederlandse CES-delegatie ooit. De deelnemers vertegenwoordigen een breed aanbod van…

Delftse formule brengt na-ionbatterij dichterbij

Delftse formule brengt goedkope natrium-ionbatterij dichterbij

Onderzoekers van de Chinese Academy of Sciences en de TU Delft hebben een methode ontwikkeld om de atomaire structuur van natrium-ionbatterijen te voorspellen. Tot nu toe was dat zelfs met de snelste supercomputers…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

25 november 2020, online

KIVI-jaarcongres

Het programma van het KIVI-jaarcongres zal dit jaar over een week worden verspreid.

1 december 2020, online

Machinebouw

Event over Smart Industry, Deep Learning, Big Data, de Cloud, Safety, IIoT, Machine Vision en gebruik van...

1 december 2020, Delft

RF Technology event

Het doel van dit event is om de diversiteit van toepassingen, innovaties en kennis op het gebied van...

Meer agendapunten »