Nowy sposób wytwarzania stali może obniżyć emisję CO2 o 5% za jednym zamachem

Dzięki uprzejmości Boston Metal

Nierówny dysk z ciemnoszarej stali pokrywa ławkę w przestrzeni laboratoryjnej Boston Metal, spinoutu MIT znajdującego się pół godziny na północ od miasta o tej samej nazwie.

Jest to pierwsza partia firmy ze stopu o wysokiej wytrzymałości, stworzona przy użyciu nowatorskiego podejścia do obróbki metalu. Zamiast wielkiego pieca stosowanego w produkcji stali od wieków, Boston Metal opracował coś bliższego baterii. W szczególności jest to tak zwane ogniwo elektrolityczne, które wykorzystuje energię elektryczną zamiast węgla do przetwarzania surowej rudy żelaza.

Jeśli technologia będzie działać na skalę tak tanią, jak mają nadzieję jej założyciele, może zaoferować wyraźną drogę do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych z jednego z najtrudniejszych do oczyszczenia sektorów światowej gospodarki i największego pojedynczego przemysłowego źródła zanieczyszczenia klimatu.

Po ostatnich sześciu latach pracy nad pomysłem dziewięcioosobowa firma wchodzi w kolejną fazę. Jeśli startup zakończy trwającą rundę finansowania, planuje zbudować duży obiekt demonstracyjny i opracować ogniwo na skalę przemysłową do produkcji stali.

Cięcie węgla

W dzisiejszym głównym podejściu do produkcji stali, tlenek żelaza jest umieszczany w wielkim piecu z koksem, twardą, porowatą substancją pochodzącą z węgla. W wysokich temperaturach koks zamienia się w tlenek węgla, który wysysa tlen z żelaza, tworząc metal pośredni zwany surówką – wraz z dwutlenkiem węgla, który unosi się do atmosfery.

Ten i inne etapy procesu pompują do atmosfery około 1,7 gigaton dwutlenku węgla rocznie, co stanowi około 5 procent globalnej emisji dwutlenku węgla, zgodnie z niedawnym artykułem w Nauka (patrz Nadal nie mamy pojęcia, jak wyeliminować więcej niż jedną czwartą emisji energii ). A to już wcześniej, biorąc pod uwagę paliwa potrzebne do rozpalenia pieców.

Samochody, budynki i mosty są całkiem dobrze uzależnione od posiadania stali, mówi Steven Davis, główny autor tego badania i naukowiec zajmujący się systemami ziemi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine. Więc jeśli tego nie zmienimy – a nie ma oznak, że tak jest – musimy znaleźć sposób na dekarbonizację tego procesu.

Jednak całkowite wyeliminowanie emisji będzie wymagało albo technologii, która może wychwytywać dwutlenek węgla przed opuszczeniem huty, co jest zarówno drogie, jak i technicznie napięte, albo zastosowania alternatywnych materiałów do usuwania tlenu z tlenku żelaza.

Księżycowy strzał

Donald Sadoway, chemik z MIT, zaczął nieumyślnie pracować nad rozwiązaniem w połowie 2000 roku.

NASA zaoferowała nagrodę w wysokości ćwierć miliona dolarów pierwszemu zespołowi badawczemu, który mógł dowiedzieć się, jak wydobyć tlen z powierzchni Księżyca, co jest warunkiem założenia baz księżycowych. Sadoway zaproponował użycie ogniwa elektrolitycznego – które wytwarza prąd elektryczny do rozbijania związków – do ekstrakcji tlenu ze skał księżycowych. Produktem ubocznym był stopiony metal, co skłoniło go do zbadania możliwości zastosowania podobnego podejścia do przetwarzania metali na Ziemi.

Ale produkcja czegoś takiego jak stal wymagałaby anody wykonanej z tanich materiałów, które nie korodują w wysokich temperaturach ani nie reagują z tlenkiem żelaza. W 2013 r. Sadoway i badacz metalurgii MIT, Antoine Allanore, opublikowali: papier w Natura wnioskując, że anody wykonane ze stopów na bazie chromu mogą sprawdzić wszystkie te skrzynki.

W poprzednim roku, Sadoway, Allanore i inny partner współtworzył startup znany jako Boston Electrometallurgical, który stał się Boston Metal.

Do tej pory firma zebrała 13 milionów dolarów, głównie od brazylijskiego inwestora Ingo Wendera, Departamentu Energii USA i Narodowej Fundacji Nauki. Firma odmówiła ujawnienia źródła oczekującej inwestycji do czasu sfinalizowania tej transakcji.

Niepewny przemysł

Jedno z jego ogniw elektrolitycznych znajduje się na zapleczu Boston Metal. To przysadzisty metalowy walec, z rurą przypominającą komin wyłaniającą się z góry i owalnym otworem z przodu. Jest przeznaczony do produkcji żelazostopów, wysokomarżowego materiału używanego do produkcji niektórych gatunków stali – i początkowego rynku docelowego startupu.

Komin to właściwie anoda. Cienka warstwa metalu wzdłuż dna tworzy katodę. Te dodatnie i ujemne elektrody działają razem jak rodzaj pompy, przepychając elektrony przez elektrolit w komorze, mieszankę minerałów metalicznych i innych tlenków.

Precyzyjne składniki tego elektrolitu są kluczowym elementem podstawowej technologii firmy. W przypadku stali, inne tlenki działają jako rozpuszczalnik w wysokich temperaturach, rozpuszczając tlenek żelaza bez rozkładu.

Jak ogniwo elektrolityczne Boston Metal przetwarza metal za pomocą energii elektrycznej.

Gdy prąd elektryczny podgrzewa tę zupę, tlen uwolniony z pęcherzyków żelaza do góry, a powstały metal gromadzi się na dole. Po stuknięciu lub przebiciu przez operatora wykładziny w otworze z przodu, stopiony metal wylewa się w płonącą pomarańczową linię.

Zaletą stosowania węgla w produkcji stali jest to, że nadaje on wytrzymałość produktowi końcowemu, przynajmniej gdy jest we właściwych proporcjach. Adam Rauwerdink, dyrektor ds. strategii firmy, powiedział w e-mailu, że aby wyprodukować określone gatunki stali, węgiel i inne składniki można po prostu dodać, gdy metal stygnie.

Ale niektórzy zastanawiają się, jak przekonujące będzie to dla notorycznie konserwatywnego przemysłu stalowego, który przecież produkuje materiał, który musi podtrzymywać drapacze chmur.

Węgiel jest wymagany na pewnym poziomie dla właściwości mechanicznych samej stali, powiedział Nathan Lewis, chemik z California Institute of Technology, w e-mailu. I co zrozumiałe, branża waha się przed zmianą tego procesu.

Następne kroki

W zeszłym roku Tadeu Carneiro dołączył do Boston Metal jako dyrektor generalny. Wcześniej prowadził z siedzibą w Brazylii CBMM , największy producent niobu, metalu stosowanego w stopach nadprzewodzących.

Carneiro, który nosi parę ciemnych, ciężkich okularów nad ciemnymi, ciężkimi brwiami, zapisuje równania chemiczne na tablicy, opisując strategię biznesową firmy z brazylijskim akcentem. Mówi, że trzyletni plan zakłada budowę zakładu demonstracyjnego do produkcji żelazostopów. W międzyczasie firma rozpocznie również projektowanie i konstruowanie pełnowymiarowego ogniwa do produkcji stali, co ma nadzieję osiągnąć w ciągu siedmiu lat.

Jeśli Boston Metal osiągnie te standardy, może realizować szereg modeli biznesowych, w tym licencjonowanie technologii, współpracę z producentami metali, sprzedaż ogniw lub bezpośrednią produkcję metali.

Ale jak zawsze w nauce, dopóki produkt nie zostanie faktycznie zbudowany i przetestowany na skalę komercyjną, jest zbyt wcześnie, aby powiedzieć, jak dobrze lub tanio będzie naprawdę działać. Co więcej, samo wyprodukowanie ekologicznej wersji produktu za mniej więcej tę samą cenę nie wystarczy, aby przekształcić branżę, biorąc pod uwagę miliardy dolarów poniesionych kosztów w hutach, które mogą działać przez dziesięciolecia – oraz fakt, że znaczna część tej branży ma siedzibę w krajach stosunkowo biednych lub borykających się z problemami finansowymi.

Sztabka metalu produkowana w procesie elektrolizy stopionego tlenku (MOE) firmy. Dzięki uprzejmości Boston Metal

Nawet gdyby idealna technologia pojawiła się dzisiaj na scenie, prawdopodobnie minie kilka dziesięcioleci, zanim będziemy mogli skutecznie na nią przejść, mówi Davis.

Carneiro przyznaje, że firma nadal musi sprostać wielu pozostałym wyzwaniom technicznym, w tym poprawie wydajności faradaicznej, co oznacza zwiększenie odsetka elektronów, które faktycznie produkują metal; zwiększenie wydajności cieplnej lub zmniejszenie kilowatogodzin energii elektrycznej wymaganej do wyprodukowania określonej ilości metalu; i zwiększenie skali anody ze stopu chromu, która do tej pory została zademonstrowana tylko na poziomie laboratorium.

Jest jednak przekonany, że Boston Metal rozwiąże te wyzwania, udowodni, że technologia jest tańsza i ostatecznie przekona branżę do przyjęcia takiego podejścia.

Przekształcenie sektora stalowego o wartości prawie 1 biliona dolarów to wciąż długa droga. Jeśli jednak startup będzie w stanie wykazać, że jego proces działa na skalę przemysłową, może to przynajmniej dać małą nadzieję na rozwiązanie jednego z najtrudniejszych elementów klimatycznej układanki.

ukryć