Centrum voor de ontwikkeling van een kosteneffectieve methode voor koolstofvrije productie voor de staalproductie zonder hoogoven.

Staal heeft een grote impact op ieders leven en op onze economie. Het is van cruciaal belang voor auto's, vrachtwagens, vliegtuigen, gebouwen en meer. Er is echter een aanzienlijk probleem met het productieproces. Wereldwijd is het verantwoordelijk voor een groot percentage van de uitstoot van broeikasgassen door de industriële sector.

Het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) heeft onlangs 19 miljoen dollar aan financiering aangekondigd voor een periode van vier jaar voor DOE's Argonne National Laboratory om leiding te geven aan het multi-institutionele Center for Steel Electrification by Electrosynthesis (C-STEEL). De opdracht van het centrum is het ontwikkelen van een innovatief en goedkoop proces dat hoogovens bij de staalproductie zou vervangen en de uitstoot van broeikasgassen met 85% zou verminderen.

"Het is een groot doelwit dat een hoge beloning heeft als het slaagt", zegt Brian Ingram, directeur van C-STEEL en groepsleider en materiaalwetenschapper in Argonne.

C-STEEL is een sleutelproject van het Industrial Heat Energy Earthshot-initiatief van de DOE, dat tot doel heeft de uitstoot van het energie-intensieve proces van industriële verwarming aanzienlijk te verminderen. Partners in het centrum zijn onder meer Oak Ridge National Laboratory, Case Western Reserve University, Northern Illinois University, Purdue University Northwest en de University of Illinois Chicago.

“Terwijl de huidige staalproductie intense hitte van hoogovens vereist, zal ons elektrodepositieproces een lage of zelfs helemaal geen warmte-inbreng nodig hebben.” — Brian Ingram, directeur van C-STEEL en groepsleider en materiaalwetenschapper in Argonne

De meest energie-intensieve stap in de staalproductie is het omzetten van ijzererts in gezuiverd ijzermetaal of ijzerlegeringen met behulp van hoogovens. Dit vereist temperaturen van 2500 tot 2700 graden Fahrenheit, heter dan een uitbarstende vulkaan. Het doel van het centrum is om een ​​proces te ontwikkelen dat de vraag naar warmte grotendeels zal elimineren, waardoor tegen 85 een vermindering van de uitstoot van broeikasgassen met 2035% wordt bereikt.

“Terwijl de huidige staalproductie intense hitte van hoogovens vereist, zal ons elektrodepositieproces een lage of zelfs helemaal geen warmte-inbreng nodig hebben”, aldus Ingram. “Het zal ook kostenefficiënt zijn en aanpasbaar aan operaties op industriële schaal.”

Het elektrodepositieproces omvat het oplossen van ijzererts in een oplossing en het gebruik van elektriciteit om een ​​reactie op gang te brengen waarbij een bruikbaar ijzermetaal of een bruikbare ijzerlegering voor de staalproductie wordt afgezet. De oplossing is een vloeibare elektrolyt die lijkt op die in batterijen.

“We zullen voortbouwen op de enorme kennisbasis die we hebben opgedaan over verschillende batterij-elektrolyten door het werk van het Joint Center for Energy Storage Research, geleid door Argonne”, aldus Ingram.

Het project kent drie krachtlijnen. Twee van hen zullen verschillende processen voor elektrodepositie onderzoeken. Eén proces werkt bij kamertemperatuur met behulp van elektrolyten op waterbasis. De andere zal een op zout gebaseerde elektrolyt gebruiken en zal functioneren bij temperaturen van 1800 tot 2000 graden Fahrenheit onder de huidige hoogovens. De energie voor dit proces is zo laag dat deze kan worden geleverd door hernieuwbare energiebronnen of door restwarmte van een kernreactor.

Een derde impuls zal zich richten op het verkrijgen van inzicht op atomair niveau in elk proces. Het doel van deze stuwkracht is om nauwkeurige controle uit te oefenen over zowel de structuur als de samenstelling van de metaalproducten, zodat ze kunnen worden opgenomen in bestaande stroomafwaartse processen van de staalproductie.

Elke stuwkracht zal een op kunstmatige intelligentie gebaseerd platform omvatten om een ​​uniforme benadering van het elektrolytontwerp te garanderen. Daartoe zal C-STEEL gebruik maken van de computerbronnen van wereldklasse van twee Leadership Computing Facilities, één in Argonne en de andere in Oak Ridge. Beide zijn DOE Office of Science-gebruikersfaciliteiten.

C-STEEL zal ook profiteren van de materiaalkarakteriseringsmogelijkheden van twee andere DOE-gebruikersfaciliteiten in Argonne, de Advanced Photon Source en het Center for Nanoscale Materials.

“Een ander belangrijk onderdeel van het centrum is dat een van de partneruniversiteiten een instelling is die minderheden bedient, de University of Illinois Chicago”, aldus Ingram. ​“Door hun deelname en andere acties zullen we een divers team vormen dat kan bijdragen aan onze onderzoeksinspanningen.” C-STEEL is ook van plan om outreach-initiatieven, mentorprogramma's en carrièreontwikkelingsmogelijkheden voor studenten en postdocs te implementeren om de volgende generatie wetenschappers te enthousiasmeren.

Dit onderzoek wordt gefinancierd door het DOE Office of Basic Energy Sciences en het DOE Advanced Scientific Computing Research-programma.

Over Argonne's Center for Nanoscale Materials
Het Center for Nanoscale Materials is een van de vijf DOE Nanoscale Science Research Centers, vooraanstaande nationale gebruikersfaciliteiten voor interdisciplinair onderzoek op nanoschaal, ondersteund door het DOE Office of Science. Samen omvatten de NSRC's een reeks complementaire faciliteiten die onderzoekers de modernste mogelijkheden bieden om materialen op nanoschaal te fabriceren, verwerken, karakteriseren en modelleren, en vormen ze de grootste infrastructuurinvestering van het National Nanotechnology Initiative. De NSRC's zijn gevestigd in DOE's Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia en Los Alamos National Laboratories. Voor meer informatie over de DOE NSRC’s kunt u terecht op https://​sci​ence​.osti​.gov/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​ i​e​s​/​U​s​e​r​-​F​a​c​i​l​i​t​i​e​s​-​a​t​-​a​-​ Kijk.

De Argonne Leadership Computing-faciliteit biedt supercomputermogelijkheden aan de wetenschappelijke en technische gemeenschap om fundamentele ontdekkingen en inzichten in een breed scala aan disciplines te bevorderen. Ondersteund door het Office of Science, Advanced Scientific Computing Research (ASCR) programma van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), is de ALCF een van de twee DOE Leadership Computing Facilities in het land die zich toeleggen op open wetenschap.

Over de geavanceerde fotonbron

De Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Argonne National Laboratory is een van 's werelds meest productieve röntgenlichtbronnen. De APS levert röntgenstralen met hoge helderheid aan een diverse gemeenschap van onderzoekers op het gebied van de materiaalkunde, de scheikunde, de fysica van de gecondenseerde materie, de levens- en milieuwetenschappen en toegepast onderzoek. Deze röntgenfoto's zijn bij uitstek geschikt voor verkenningen van materialen en biologische structuren; elementaire distributie; chemische, magnetische, elektronische toestanden; en een breed scala aan technologisch belangrijke technische systemen, van batterijen tot brandstofinjectiesprays, die allemaal de basis vormen van het economische, technologische en fysieke welzijn van onze natie. Elk jaar gebruiken meer dan 5,000 onderzoekers de APS om meer dan 2,000 publicaties te produceren waarin belangrijke ontdekkingen worden beschreven, en om vitalere biologische eiwitstructuren op te lossen dan gebruikers van enig ander onderzoekscentrum voor röntgenlichtbronnen. Wetenschappers en ingenieurs van APS innoveren technologie die de kern vormt van de voortschrijdende werking van versnellers en lichtbronnen. Dit omvat de door onderzoekers gewaardeerde inbrengapparatuur die röntgenstralen met extreem heldere helderheid produceert, lenzen die de röntgenstralen tot op enkele nanometers scherpstellen, instrumenten die de manier maximaliseren waarop de röntgenstralen interageren met de monsters die worden bestudeerd, en software die de röntgenstralen verzamelt en analyseert. beheert de enorme hoeveelheid gegevens die voortkomen uit ontdekkingsonderzoek bij het APS.

Bij dit onderzoek werd gebruik gemaakt van middelen van de Advanced Photon Source, een Amerikaanse DOE Office of Science User Facility die voor het DOE Office of Science wordt geëxploiteerd door het Argonne National Laboratory onder contractnummer DE-AC02-06CH11357.

Nationaal laboratorium van Argonne zoekt naar oplossingen voor dringende nationale problemen op het gebied van wetenschap en technologie. Argonne, het eerste nationale laboratorium van het land, voert toonaangevend fundamenteel en toegepast wetenschappelijk onderzoek uit in vrijwel elke wetenschappelijke discipline. Onderzoekers uit Argonne werken nauw samen met onderzoekers van honderden bedrijven, universiteiten en federale, staats- en gemeentelijke instanties om hen te helpen hun specifieke problemen op te lossen, het wetenschappelijke leiderschap van Amerika te bevorderen en de natie voor te bereiden op een betere toekomst. Met werknemers uit meer dan 60 landen wordt Argonne beheerd door UChicago Argonne, LLC voor het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Het Office of Science van het Amerikaanse ministerie van energie is de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten en werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Ga voor meer informatie naar https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.