211service.com
Een nieuwe manier om staal te maken kan in één klap 5% van de CO2-uitstoot verminderen
Met dank aan Boston Metal
Een klonterige schijf van donkergrijs staal bedekt een bank in de laboratoriumruimte van Boston Metal, een MIT-spinout een half uur ten noorden van de gelijknamige stad.
Het is de eerste batch van het bedrijf van de zeer sterke legering, gemaakt met behulp van een nieuwe benadering van metaalverwerking. In plaats van de hoogoven die eeuwenlang in de staalproductie werd gebruikt, heeft Boston Metal iets ontwikkeld dat dichter bij een batterij ligt. Het is met name een zogenaamde elektrolytische cel, die elektriciteit gebruikt - in plaats van koolstof - om ruw ijzererts te verwerken.
Als de technologie op grote schaal zo goedkoop werkt als de oprichters hopen, zou het een duidelijk pad kunnen bieden om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen door een van de moeilijkst schoon te maken sectoren van de wereldeconomie en de grootste industriële bron van klimaatvervuiling.
Na zes jaar aan het idee te hebben gewerkt, gaat het negenkoppige bedrijf de volgende fase in. Als een lopende financieringsronde wordt afgesloten, is de startup van plan een grote demonstratiefaciliteit te bouwen en een cel op industriële schaal voor staalproductie te ontwikkelen.
Koolstof snijden
In de belangrijkste benadering van staalproductie wordt tegenwoordig ijzeroxide in een hoogoven geplaatst met cokes, een harde, poreuze substantie die is afgeleid van steenkool. Bij hoge temperaturen verandert de cokes in koolmonoxide, dat zuurstof uit het ijzer plukt en een tussenmetaal produceert dat bekend staat als ruwijzer, samen met koolstofdioxide dat de atmosfeer in zweeft.
Deze en andere stappen in het proces pompen jaarlijks ongeveer 1,7 gigaton koolstofdioxide in de atmosfeer, wat neerkomt op ongeveer 5 procent van de wereldwijde CO2-uitstoot, volgens een recent artikel in Wetenschap (zie We hebben nog steeds geen idee hoe we meer dan een kwart van de energie-emissies kunnen elimineren). En dan nog voordat we rekening houden met de brandstoffen die nodig zijn om de ovens te stoken.
Auto's, gebouwen en bruggen zijn allemaal vrij goed afhankelijk van staal, zegt Steven Davis, hoofdauteur van die studie en een aardesysteemwetenschapper aan de Universiteit van Californië, Irvine. Dus tenzij we dat veranderen - en er is geen teken dat we dat zijn - moeten we een manier vinden om het proces koolstofarm te maken.
Maar het volledig elimineren van emissies vereist ofwel technologie die koolstofdioxide kan opvangen voordat het de staalfabriek verlaat, wat zowel duur als technisch beladen is, ofwel het gebruik van alternatieve materialen om zuurstof uit ijzeroxide te verwijderen.
maanschot
Donald Sadoway, een chemicus aan het MIT, begon halverwege de jaren 2000 onbedoeld aan een oplossing te werken.
NASA had een prijs van een kwart miljoen dollar uitgeloofd aan het eerste onderzoeksteam dat kon uitzoeken hoe zuurstof uit het maanoppervlak kon worden gehaald, een voorwaarde voor het vestigen van maanbases. Sadoway stelde voor om een elektrolytische cel te gebruiken - die een elektrische stroom produceert om verbindingen af te breken - om zuurstof uit maanrotsen te halen. Het bijproduct was gesmolten metaal, een besef dat hem ertoe bracht de mogelijkheid te onderzoeken om een vergelijkbare benadering te gebruiken om metalen terug op aarde te verwerken.
Maar om zoiets als staal te produceren, zou een anode nodig zijn die is gemaakt van goedkope materialen die niet corroderen bij hoge temperaturen of gemakkelijk reageren met ijzeroxide. In 2013 publiceerden Sadoway en MIT metallurgie-onderzoeker Antoine Allanore een papier in Natuur concluderen dat anodes gemaakt van op chroom gebaseerde legeringen al die vakjes kunnen controleren.
Het voorgaande jaar, Sadoway, Allanore en een andere partner was medeoprichter van een startup bekend als Boston Electrometallurgical, die Boston Metal zou worden.
Het bedrijf heeft tot nu toe 13 miljoen dollar opgehaald, voornamelijk van de Braziliaanse investeerder Ingo Wender, het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation. Het bedrijf weigerde de bron van een lopende investering bekend te maken totdat die transactie is afgerond.
Een aarzelende industrie
Een van zijn elektrolytische cellen bevindt zich in de achterkamer van Boston Metal. Het is een gedrongen metalen cilinder, met een schoorsteenachtige buis die uit de bovenkant komt en een ovulaire opening aan de voorkant. Het is ontworpen om ferrolegeringen te produceren, een materiaal met hoge marges dat wordt gebruikt om bepaalde staalsoorten te produceren - en de oorspronkelijke doelmarkt van de startup.
De schoorsteen is eigenlijk een anode. Een dunne laag metaal langs de bodem vormt de kathode. Deze positieve en negatieve elektroden werken samen als een soort pomp en stuwen elektronen door de elektrolyt in de kamer, een mengsel van metallische mineralen en andere oxiden.
De precieze ingrediënten in die elektrolyt vormen een cruciaal onderdeel van de kerntechnologie van het bedrijf. In het geval van staal werken de andere oxiden als oplosmiddel bij hoge temperaturen, waarbij het ijzeroxide wordt opgelost zonder zichzelf te ontbinden.
Hoe de elektrolytische cel van Boston Metal metaal verwerkt met behulp van elektriciteit.
Terwijl de elektrische stroom die soep opwarmt, borrelt de zuurstof die vrijkomt uit de ijzeren naar boven, en het resulterende metaal hoopt zich op de bodem op. Zodra operators een voering door het gat aan de voorkant tikken of kraken, stroomt het gesmolten metaal naar voren in een brandende oranje lijn.
Een voordeel van het gebruik van koolstof bij het maken van staal is dat het het eindproduct kracht geeft, tenminste als het in de juiste verhouding is. Adam Rauwerdink, directeur strategie van het bedrijf, zei in een e-mail dat om specifieke staalsoorten te produceren, koolstof en andere ingrediënten eenvoudig kunnen worden toegevoegd als het metaal afkoelt.
Maar sommigen vragen zich af hoe overtuigend dat zal zijn voor de notoir conservatieve staalindustrie, die toch een materiaal produceert dat wolkenkrabbers moet dragen.
Koolstof is op een bepaald niveau vereist voor de mechanische eigenschappen van het staal zelf, zei Nathan Lewis, een chemicus aan het California Institute of Technology, in een e-mail. En begrijpelijkerwijs aarzelt de industrie om dat proces te veranderen.
Volgende stappen
Vorig jaar trad Tadeu Carneiro in dienst bij Boston Metal als chief executive officer. Hij leidde eerder in Brazilië gevestigde CBMM , de grootste producent van niobium, een metaal dat wordt gebruikt in supergeleidende legeringen.
Carneiro, die een donkere, zware bril boven een reeks donkere, zware wenkbrauwen draagt, krabbelt chemische vergelijkingen op een whiteboard terwijl hij de bedrijfsstrategie van het bedrijf in een Braziliaans accent beschrijft. Het driejarenplan is om een demonstratiefaciliteit te bouwen om ijzerlegeringen te produceren, zegt hij. Ondertussen zal het bedrijf ook beginnen met het ontwerpen en engineeren van een cel op ware grootte voor de productie van staal, een mijlpaal die hij binnen zeven jaar hoopt te bereiken.
Als Boston Metal deze benchmarks haalt, zou het een aantal bedrijfsmodellen kunnen nastreven, waaronder licentieverlening voor de technologie, samenwerking met metaalfabrikanten, verkoop van cellen of rechtstreekse productie van metalen.
Maar zoals altijd in de wetenschap, is het nog te vroeg om te zeggen hoe goed of betaalbaar het echt zal werken, totdat het product daadwerkelijk op commerciële schaal is gebouwd en getest. Bovendien zal het produceren van een groene versie van een product voor ongeveer dezelfde prijs niet voldoende zijn om de industrie te transformeren, gezien de miljarden dollars aan verzonken kosten in staalfabrieken die tientallen jaren kunnen draaien - en het feit dat een groot deel van deze industrie is gevestigd in relatief arme landen of heeft het financieel moeilijk.
Een staaf metaal geproduceerd door het gesmolten oxide-elektrolyse- of MOE-proces van het bedrijf. Met dank aan Boston Metal
Zelfs als de perfecte technologie vandaag op het toneel zou verschijnen, zou het waarschijnlijk nog tientallen jaren duren voordat we er effectief naar konden overstappen, zegt Davis.
Carneiro erkent dat het bedrijf nog een aantal resterende technische uitdagingen moet overwinnen, waaronder het verbeteren van de faraday-efficiëntie, wat betekent dat het percentage elektronen dat daadwerkelijk metaal produceert, moet worden verhoogd; het verbeteren van de thermische efficiëntie of het verminderen van de kilowattuur elektriciteit die nodig is om een bepaald volume metaal te produceren; en het opschalen van een anode van een chroomlegering die tot nu toe alleen op laboratoriumniveau is aangetoond.
Hij is er echter van overtuigd dat Boston Metal deze uitdagingen zal oplossen, zal bewijzen dat de technologie goedkoper is en uiteindelijk de industrie zal overtuigen om zijn aanpak over te nemen.
Het transformeren van de staalsector van bijna $ 1 biljoen is nog een lange weg. Maar als de startup kan aantonen dat zijn proces op industriële schaal werkt, zou het op zijn minst een kleine hoop kunnen bieden voor het oplossen van een van de moeilijkste delen van de klimaatpuzzel.