¿Podemos quemar metal para obtener calor, en lugar de combustibles fósiles?

Aug 15, 2023

Intente quemar un lingote de metal de hierro y tendrá que esperar mucho tiempo, pero si lo muele hasta convertirlo en polvo, estallará fácilmente en llamas. Así es como funcionan las bengalas: polvo metálico ardiendo en un hermoso despliegue de luz y calor. ¿Pero podríamos quemar hierro para algo más que diversión? ¿Podría este simple material convertirse en un combustible barato, limpio y libre de carbono?

En nuevos experimentos (realizados en cohetes, en microgravedad), investigadores canadienses y holandeses están buscando formas de aumentar la eficiencia de la quema de hierro, con miras a convertir este material abundante, el cuarto más común en la corteza terrestre, aproximadamente el 5% de la su masa, en una fuente de energía alternativa.

Hierro como combustible: El hierro está disponible en abundancia y es barato. Más importante aún, el subproducto de la quema de hierro es el óxido (óxido de hierro), un material sólido que es fácil de recolectar y reciclar. Ni la quema de hierro ni la conversión de su óxido producen carbono en el proceso.

El hierro tiene una alta densidad energética: requiere casi el mismo volumen que la gasolina para producir la misma cantidad de energía. Sin embargo, el hierro tiene poca energía específica: es mucho más pesado que el gas para producir la misma cantidad de energía. (Piense en tomar una jarra de gasolina y luego imagine que intenta recoger un trozo de hierro de tamaño similar). Por lo tanto, su peso es prohibitivo para muchas aplicaciones. Quemar hierro para hacer funcionar un automóvil no es muy práctico si el combustible de hierro pesa tanto como el automóvil mismo.

Ni la quema de hierro ni la conversión de su óxido producen carbono en el proceso.

Sin embargo, en su forma en polvo, el hierro es más prometedor como portador o sistema de almacenamiento de energía de alta densidad. Los hornos de hierro podrían proporcionar calor directo para la industria, la calefacción doméstica o generar electricidad.

Además, el óxido de hierro es potencialmente renovable al reaccionar con la electricidad o el hidrógeno para volver a convertirse en hierro (siempre que tenga una fuente de electricidad limpia o hidrógeno verde). Cuando hay un exceso de electricidad disponible a partir de energías renovables como la solar y la eólica, por ejemplo, el óxido podría convertirse nuevamente en polvo de hierro y luego quemarse según sea necesario para liberar esa energía nuevamente.

Sin embargo, actualmente estos métodos de reciclaje de óxido consumen mucha energía y son ineficientes, por lo que mejorar la eficiencia de la quema de hierro puede ser crucial para hacer viable un sistema circular de este tipo.

La ciencia de la quema discreta: Las partículas en polvo tienen una alta relación superficie-volumen, lo que significa que es más fácil encenderlas. Esto también es válido para los metales.

En las circunstancias adecuadas, el hierro en polvo puede arder de una manera conocida como combustión discreta. En su forma más ideal, la llama consume completamente una partícula antes de que el calor que irradia queme otras partículas cercanas. Al estudiar este proceso, los investigadores pueden comprender y modelar mejor cómo se quema el hierro, lo que les permitirá diseñar mejores hornos para quemar hierro.

Actualmente, no se comprende bien la velocidad a la que se queman las partículas de hierro en polvo o cómo liberan calor en diferentes condiciones.

La combustión discreta es difícil de lograr en la Tierra. La combustión discreta perfecta requiere una densidad de partículas y una concentración de oxígeno específicas. Cuando las partículas están demasiado cerca y compactadas, el fuego salta a las partículas vecinas antes de consumirlas por completo, lo que resulta en una combustión más caótica y menos controlada.

Actualmente, no se comprende bien la velocidad a la que se queman las partículas de hierro en polvo o cómo liberan calor en diferentes condiciones. Esto obstaculiza el desarrollo de tecnologías para utilizar eficientemente el hierro como combustible a gran escala.

Quemar metal en microgravedad: En abril, la Agencia Espacial Europea (ESA) lanzó un cohete suborbital de “sonda” que transportaba tres configuraciones experimentales. Mientras el cohete trazaba su trayectoria parabólica a través de la atmósfera, los experimentos estuvieron durante unos minutos en caída libre, simulando la microgravedad.

Uno de los experimentos de esta misión estudió cómo arde el polvo de hierro en ausencia de gravedad.

En microgravedad, las partículas flotan en una nube distribuida de manera más uniforme. Esto permite a los investigadores modelar el flujo de partículas de hierro y cómo se propaga una llama a través de una nube de partículas de hierro en diferentes concentraciones de oxígeno.

Conocer cómo se propagan las llamas a través del polvo de hierro en diferentes condiciones podría ayudar a diseñar hornos de combustión de hierro mucho más eficientes.

Las centrales eléctricas de combustibles fósiles existentes podrían modernizarse para funcionar con combustible de hierro.

Energía limpia y libre de carbono en la Tierra: Varias empresas están buscando formas de incorporar combustibles de hierro en sus procesos. En particular, podría servir como una forma más limpia de suministrar calor industrial quemando hierro para calentar agua.

Por ejemplo, la cervecería holandesa Swinkels Family Brewers, en colaboración con la Universidad Tecnológica de Eindhoven, cambió al combustible de hierro como fuente de calor para impulsar su proceso de elaboración de cerveza, lo que representa 15 millones de vasos de cerveza al año. La startup holandesa RIFT está ejecutando plantas de energía de combustible de hierro de prueba de concepto en Helmond y Arnhem.

A medida que los investigadores continúen mejorando la eficiencia de la quema de hierro, su aplicabilidad también se extenderá a otros casos de uso. Pero, ¿existe la infraestructura necesaria para esta transición?

A menudo, la transición hacia nuevas fuentes de energía se ve frenada por la necesidad de crear nueva infraestructura para utilizarlas. Afortunadamente, este no es el caso al cambiar de combustibles fósiles al hierro. Dado que la temperatura ideal para quemar hierro es similar a la de los hidrocarburos, las centrales eléctricas de combustibles fósiles existentes podrían adaptarse para funcionar con combustible de hierro.

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