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La poudre métallique : un carburant zéro carbone pour l’avenir ?

Date :

Le 16 septembre 2022

(Actualités Nanowerk) L’obtention d’énergie durable à partir de l’énergie éolienne, solaire et hydraulique est communément connue et appliquée. Cependant, les sources renouvelables dépendent des conditions environnementales : aux heures de pointe de vent et de soleil, un excès d'énergie est produit, ce qui est nécessaire en période de vent et d'ensoleillement moindres. Mais comment stocker et transporter efficacement cet excédent d’énergie ? Jusqu’à présent, aucun moyen fiable, sûr et bon marché n’a été trouvé pour stocker une grande quantité d’énergie dans un conteneur de petit volume. Aujourd'hui, des scientifiques du Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) et de l'Université technologique d'Eindhoven ont analysé comment les métaux, en particulier le fer, peuvent être utilisés pour le stockage de l'énergie et quels paramètres déterminent l'efficacité du stockage et de la réutilisation. Ils ont publié leurs récentes découvertes dans la revue Actes matériels (« Transformations de phases et évolution de la microstructure lors de la combustion de poudre de fer »). Poudre de fer brûlée dans un brûleur à l'échelle industrielle, utilisée pour l'application d'un vecteur énergétique durable. (Image : Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung)

Créer un processus circulaire de réduction et de combustion

« Stocker l'énergie dans les métaux et les brûler pour libérer de l'énergie chaque fois que cela est nécessaire est une méthode déjà appliquée dans la technologie aérospatiale. Notre objectif était de comprendre ce qui se passe exactement à l’échelle micro et nanométrique lors de la réduction et de la combustion du fer et comment l’évolution de la microstructure influence l’efficacité du processus. De plus, nous voulions trouver comment rendre ce processus circulaire sans perte d'énergie ou de matière », explique le Dr Laurine Choisez, qui a récemment terminé ses recherches postdoctorales au MPIE et qui est la première auteure de la publication. Lorsque les minerais de fer sont réduits en fer, une grande partie de l’énergie est naturellement stockée dans le fer réduit. L’idée est d’extraire cette énergie du fer chaque fois que nécessaire en oxydant le fer en oxyde de fer. En période d'excès d'énergie provenant du vent, du soleil ou de l'eau, ce minerai de fer pourrait à nouveau être réduit en fer et l'énergie stockée. Les scientifiques parlent de combustion pour décrire la « combustion », c’est-à-dire l’oxydation, du fer pour en faire du minerai de fer. Choisez et ses collègues du MPIE se sont concentrés sur la caractérisation des poudres de fer après réduction et combustion à l'aide de méthodes avancées de microscopie et de simulation pour analyser la pureté, la morphologie, la porosité et la thermodynamique de la poudre du processus de combustion. La microstructure obtenue des poudres de fer brûlées est décisive pour l'efficacité du processus de réduction suivant et pour déterminer si le processus de réduction et de combustion est entièrement circulaire, ce qui signifie qu'aucune énergie ou matière supplémentaire ne doit être ajoutée. L'énergie est stockée tout en réduisant l'oxyde de fer en fer. L'énergie est libérée lors de la combustion du fer en oxyde de fer L'énergie est stockée tout en réduisant l'oxyde de fer en fer. L'énergie est libérée lors de la combustion du fer en oxyde de fer. L’optimisation de ce processus pourrait conduire à un stockage de l’énergie entièrement circulaire, donc durable. (Image : Laurine Choisez, Max-Planck-Institut für Eisenforschung)

Mise à l'échelle pour un usage industriel

Les scientifiques présentent deux voies de combustion, l'une soutenue par une flamme pilote de propane et l'autre auto-entretenue dans laquelle le seul combustible utilisé est la poudre de fer, et montrent comment la voie de combustion influence la microstructure du fer brûlé. «Nous sommes actuellement en train d'élever les étapes de réduction et de combustion à un niveau industriel pertinent en déterminant les paramètres exacts nécessaires tels que la température et la taille des particules», explique Niek E. van Rooij, doctorant au sein du groupe Technologie de combustion de l'Université de technologie d'Eindhoven. et co-auteur de la publication. Une étude récente a montré qu’il est possible d’utiliser des métaux pour stocker de l’énergie. Les futures études vont maintenant analyser comment augmenter la circularité du processus, car la taille de certaines particules brûlées est réduite par rapport à leur taille d'origine en raison de l'évaporation partielle du fer, des micro-explosions et/ou de la fracture de certaines particules d'oxyde de fer.
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