Le déploiement des combustibles métalliques demande plus que de la théorie

L'expérience pratique des industries de l'acier, de l'aluminium et des métaux non ferreux est la bienvenue

Metal fuels zijn metalen of legeringen waarvan de energie-inhoud vrijkomt wanneer ze worden omgezet in hun oxidevorm — Les combustibles métalliques sont des métaux ou des alliages dont le contenu énergétique est libéré lorsqu'ils sont convertis à leur forme d'oxyde (© RIFT)

Dans le cadre de la réduction de l'utilisation des combustibles fossiles et des émissions de CO₂, on recherche assidûment des alternatives appropriées. Les combustibles métalliques pourraient bien être l'œuf de Colomb à cet égard... Non seulement la combustion de ce type de combustible ne rejette pas de CO₂, mais sa capacité à conserver l'énergie pendant longtemps pourrait être la solution au casse-tête du stockage de l'énergie. Bien que beaucoup de travail (de réflexion) soit encore nécessaire, l'optimisme règne, notamment grâce à l'implication croissante du secteur métallurgique.

Potentiel

L'énergie solaire et l'énergie éolienne sont largement utilisées, et les biocarburants (renouvelables) tels que le biodiesel et le bioéthanol sont intéressants car ils émettent généralement beaucoup moins de gaz à effet de serre que leurs équivalents fossiles. L'hydrogène, qui doit encore franchir un certain nombre d'obstacles, apparaît comme un combustible approprié pour l'industrie, entre autres, tandis que la géothermie apparaît comme un fournisseur d'énergie géothermique pour le chauffage et la production d'électricité. La cinquième catégorie à potentiel est celle des combustibles métalliques.

Conditions d'utilisation

Les combustibles métalliques sont des métaux ou des alliages dont le contenu énergétique est libéré lorsqu'ils sont transformés en oxyde. Les conditions préalables importantes sont les suivantes:

une densité énergétique élevée: la capacité de stocker beaucoup d'énergie par unité de poids;
la possibilité de contrôler le processus de combustion, qui doit également correspondre aux exigences de température de l'application concernée;
le métal doit être facilement récupérable après la combustion;
le métal doit être largement disponible et (donc) abordable.

Pour une utilisation optimale des combustibles métalliques, il est important de comprendre (d'apprendre à comprendre) comment le système et les particules se comportent, à la fois pendant la combustion - ce que l'on appelle la caractéristique de la flamme, voir encadré - et pendant la phase de recyclage des résidus. Les aspects qui méritent une attention particulière sont la taille et la distribution des particules, la cinétique de combustion et les mécanismes de réaction, le transfert de chaleur à l'intérieur du système, l'extensibilité du processus et la stabilité cyclique.

CARACTÉRISTIQUE DE LA FLAMME
Une caractéristique de la flamme décrit les propriétés physiques et chimiques d'une flamme pendant le processus de combustion. Les paramètres importants sont les suivants
- la température maximale de la flamme, qui dépend du type de combustible et de l'environnement de combustion;
- la forme et le 'comportement' de la flamme: pointue, large, turbulente, (in)stable. La stabilité est cruciale dans les fours industriels;
- la couleur de la flamme, qui est caractéristique à la fois de la température et du processus chimique sous-jacent à la combustion;
- la vitesse de combustion et de propagation de la flamme, qui détermine la vitesse à laquelle la réaction de combustion se propage dans le mélange de combustible et d'oxygène.
En fonction de la composition du combustible et des conditions de la chambre de combustion, certaines flammes produisent de la fumée, de la suie ou d'autres résidus. Il est également important de connaître ces éléments pour comprendre le processus de combustion.

Poudre de fer

Le zinc et le magnésium se prêtent davantage à des applications où la vitesse de combustion et le poids sont importants. La poudre de fer ayant fait l'objet du plus grand nombre d'expériences dans le monde, ce combustible est pris comme exemple.

Si l'on souffle de l'oxygène dans un nuage de poudre de fer, on obtient un mélange extrêmement combustible avec une densité énergétique élevée (condition 1). Il s'agit d'un processus de combustion hétérogène de la poudre sans flamme en phase gazeuse. La chaleur dégagée est transformée en vapeur qui peut être utilisée, entre autres, pour entraîner une turbine; les mesures de sécurité standard en matière de poudres et d'explosions industrielles (principes ATEX) suffisent (condition 2). Ces mesures diffèrent d'ailleurs de celles qui s'appliquent aux installations au gaz ou au pétrole.

heterogeen verbrandingsproces — Les combustibles métalliques impliquent un processus de combustion de poudres hétérogènes sans flamme en phase gazeuse (© RIFT)

Ensuite, il reste du fer oxydé (poudre de rouille) et de l'eau comme produit résiduel de la réduction; il n'y a donc pas de rejet de CO₂. La poudre de rouille est collectée et peut être reconvertie en poudre métallique avec de l'hydrogène (condition 3). Le fait que la plage de température dans laquelle se déroule le processus soit similaire à celle du pétrole et du gaz permet de réutiliser certaines parties des installations destinées à cet effet.

Stockage de l'énergie

Le fer est disponible en abondance (condition 4) et, en outre, le métal est facile et sûr à transporter, surtout si on le compare à des vecteurs énergétiques tels que l'hydrogène et l'ammoniac. L'énergie peut également être convertie en poudre de fer pour une longue durée grâce aux liaisons chimiques entre les atomes de fer sous sa forme métallique. Le métal agit ainsi comme un vecteur d'énergie durable et circulaire et peut être considéré comme une batterie chargée. Il n'y a pratiquement aucune perte due à l'autodécharge (perte d'énergie sans utilisation de la batterie) ou aux fuites.

Opslag ijzerbrandstof — Analyse comparative du stockage des combustibles ferreux: densité d'énergie thermique à gauche, énergie thermique par volume à droite (© RIFT)

Les combustibles métalliques peuvent être particulièrement utiles pour les applications à forte consommation d'énergie où l'espace est une contrainte, par exemple dans l'industrie ou le transport sur de longues distances, et où les batteries traditionnelles ou d'autres méthodes de stockage de l'énergie sont moins efficaces. Les batteries sont mieux adaptées au stockage à petite échelle et à court terme.

Rôle du secteur des métaux

Le secteur des métaux s'intéresse de plus en plus au développement des carburants métalliques, un développement qui s'inscrit parfaitement dans le cadre de l'économie circulaire. Étant donné que les oxydes métalliques restant après l'incinération peuvent être reconvertis en métaux purs par un processus de réduction, les combustibles métalliques s'intègrent parfaitement dans ce concept.

Il devient de plus en plus évident que le secteur des métaux peut et veut jouer un rôle actif dans ce développement, non seulement en fournissant les matières premières nécessaires, mais aussi et surtout en contribuant activement à l'innovation, à la production et à l'application, en s'appuyant sur l'expertise disponible.

Expertise requise

La mise en place des carburants métalliques est un processus qui se déroule étape par étape, et chaque étape nécessite une expertise métallurgique spécifique.

Metal fuels — Les carburants métalliques peuvent être particulièrement utiles pour les applications à forte consommation d'énergie où l'espace est une contrainte, par exemple dans l'industrie ou les transports de longue distance (© RIFT)

Sélection des matériaux

Tous les métaux ne conviennent pas comme combustibles métalliques. Comme nous l'avons mentionné, un combustible métallique approprié combine un pouvoir oxydant élevé, une manipulation sûre, une densité énergétique élevée et la possibilité de réutiliser le produit de l'oxydation. Pour ce faire, il faut connaître les éléments suivants:

les facteurs affectant les propriétés telles que la solidité, la ténacité et la résistance à la fatigue;
la thermodynamique, qui permet de comprendre l'influence de l'énergie, de la température et de l'entropie sur le comportement d'un métal;
la cinétique de l'oxydation et de la combustion;
les technologies de fabrication et de traitement.

Extraction et affinage

Ces deux processus relèvent de la métallurgie extractive. L'extraction consiste à extraire le métal des minerais ou minéraux naturels, tandis que l'affinage est la purification chimique ou électrolytique du métal extrait. Ces deux opérations nécessitent des connaissances - en partie dérivées de l'exploitation minière - dans des domaines tels que:

les propriétés physiques et chimiques du matériau métallique
les méthodes de séparation du métal et du minerai (technologie d'extraction);
les processus de purification des métaux, par exemple la réduction électrolytique et l'électrolyse.

IJzer is volop beschikbaar, en bovendien is het metaal eenvoudig en veilig te transporteren — Le fer est disponible en abondance et le métal est facile et sûr à transporter (© RIFT)

Conditionnement du combustible

Le métal est converti sous la forme qui servira de combustible: souvent une fine poudre, parfois des granulés ou des films minces. Cette conversion est cruciale pour que le métal puisse être utilisé de manière efficace, sûre et reproductible. Pour ce faire, il est nécessaire de connaître des éléments tels que:

la détermination et l'établissement de la bonne forme physique (granulé, poudre, pellet) ;
la distribution fine associée à une taille de particule contrôlée (pour les systèmes cycliques, la forme de granulé ou de pellet est la plus appropriée) ;
le traitement de surface contre l'oxydation ou la déstabilisation
l'homogénéisation et la classification.

Traitement de surface et stabilisation

Ces deux aspects ont une incidence directe sur la stabilité chimique, la conservation des propriétés thermiques et mécaniques, la sécurité et la contrôlabilité, entre autres. Ils requièrent des connaissances dans des domaines tels que:

la chimie des surfaces et la formation de films d'oxyde, les revêtements de surface et les couches protectrices (la couche d'oxyde ou de passivation détermine la stabilité et les caractéristiques d'allumage du combustible);
la morphologie et la microstructure des particules (qui influencent les propriétés telles que la réactivité, la vitesse de combustion et le dégagement de chaleur);
la stabilité thermique et le comportement des phases (les transitions de phase indésirables peuvent affecter la réactivité).

Met een mobiele installatie waarmee 100 kW aan energie kan worden opgewekt is gaandeweg kennis opgedaan ten aanzien van de prestaties van metal fuels in praktijksituaties — Une installation mobile capable de produire 100 kW d'énergie a permis d'acquérir progressivement des connaissances sur les performances des combustibles métalliques dans des situations pratiques (© Omroep Brabant)

Intégration dans un système énergétique

La méthode d'application - par exemple sous forme de poudre dans un incinérateur - nécessite les modifications nécessaires en ce qui concerne le flux de poussière, la sécurité contre les explosions, la cinétique de combustion et la récupération des oxydes obtenus. Pour ce faire, il est nécessaire de connaître des aspects tels que:

le comportement de la matière fondue et des phases (pour la conception du système de fusion et de combustion et la sécurité logistique);
la cinétique d'oxydation et de combustion, en relation avec une conversion énergétique efficace et des processus de combustion et/ou de réduction contrôlables;
les propriétés mécaniques à haute température;
le recyclage et la récupération des combustibles métalliques.

Optimisation de processus

L'optimisation de processus consiste à affiner les processus de production et de fabrication en ajustant des paramètres tels que le comportement à la fusion, la stabilité à l'oxydation, la densité et la résistance mécanique. Pour ce faire, il est nécessaire de connaître des éléments tels que:

la composition chimique et les structures cristallographiques des métaux et des alliages et l'identification des impuretés;
les processus de fusion, l'électrolyse et les réactions de réduction, ainsi que les méthodes permettant d'optimiser l'influence de la température, des électrolytes et des agents réducteurs;
la microstructure et les propriétés de surface afin d'améliorer les performances des carburants.

APPLICATION DES CARBURANTS MÉTALLIQUES
Bien que la technologie des carburants métalliques soit encore en cours de développement, les perspectives sont prometteuses:
- utilisation comme carburant pour les camions et les bateaux: contrairement aux batteries ou à l'hydrogène, les carburants métalliques offrent une densité énergétique élevée et, comme nous l'avons mentionné, sont faciles à stocker et à transporter;
- une solution durable de stockage de l'énergie, étant donné que les combustibles métalliques peuvent stocker l'énergie pendant une (plus) longue période;
- l'utilisation de combustibles métalliques dans des systèmes modulaires de petite taille, ce qui ouvre la voie à des solutions énergétiques flexibles et sur mesure;
- l'utilisation de poudre de fer pour alimenter les centrales électriques. Le fait de pouvoir utiliser à cette fin des centrales électriques au charbon menacées de fermeture permet d'éviter une destruction de capital à grande échelle.

Développements ultérieurs

Testopstelling MEtal Fuels — Installation d'essai avec une chaudière dont le combustible est le fer (© RIFT)

Les chercheurs travaillent actuellement à l'amélioration des processus de combustion, à l'augmentation des rendements énergétiques et à la réduction des coûts et, comme le montre ce qui précède, le secteur des métaux a un rôle explicite à jouer à cet égard.

Le développement de carburants métalliques offre à l'industrie des métaux de base non seulement un nouveau débouché, mais aussi la possibilité de jouer un rôle clé dans l'approvisionnement futur en énergie durable. Les connaissances et les installations actuellement utilisées pour produire de l'acier, de l'aluminium et des métaux non ferreux sont directement utiles pour développer la technologie des carburants métalliques.

Toutefois, les décideurs et les hommes politiques doivent être conscients de la position concurrentielle de l'industrie néerlandaise des métaux de base et des défis auxquels elle est actuellement confrontée. En outre, il est important de créer un soutien suffisant pour la commercialisation de la technologie. Lorsqu'il y a une volonté, il y a un moyen, à condition que cette volonté soit soutenue par une vision, une politique, des investissements et une innovation technologique.

Avec la coopération de Metaal Nederland et de Regenerative Iron Fuel Technology (RIFT)