211service.com
En ny måte å lage stål på kan kutte 5 % av CO2-utslippene på et slag
Med tillatelse fra Boston Metal
En klumpete skive av mørkegrått stål dekker en benk i laboratorierommet til Boston Metal, en MIT spinout som ligger en halvtime nord for byen med samme navn.
Det er selskapets første parti av høystyrkelegeringen, laget ved hjelp av en ny tilnærming til metallbehandling. I stedet for masovnen brukt i stålproduksjon i århundrer, har Boston Metal utviklet noe som er nærmere et batteri. Nærmere bestemt er det det som er kjent som en elektrolysecelle, som bruker elektrisitet - i stedet for karbon - for å behandle rå jernmalm.
Hvis teknologien fungerer i så billig skala som grunnleggerne håper, kan den tilby en klar vei til å kutte klimagassutslipp fra en av de vanskeligste å rengjøre sektorer i den globale økonomien, og den største enkeltstående industrielle kilden til klimaforurensning.
Etter å ha jobbet med ideen de siste seks årene, går det ni personer store selskapet over i neste fase. Hvis den avslutter en ventende finansieringsrunde, planlegger oppstarten å bygge et stort demonstrasjonsanlegg og utvikle en celle i industriell skala for stålproduksjon.
Kutte karbon
I hovedtilnærmingen til stålproduksjon i dag, plasseres jernoksid i en masovn med koks, et hardt, porøst stoff avledet fra kull. Under høye temperaturer blir koksen til karbonmonoksid, som plukker oksygen fra jernet, og produserer et mellommetall kjent som råjern – sammen med karbondioksid som strømmer ut i atmosfæren.
Dette og andre trinn i prosessen pumper rundt 1,7 gigatonn karbondioksid ut i atmosfæren årlig, noe som tilsvarer rundt 5 prosent av de globale karbondioksidutslippene, ifølge en fersk artikkel i Vitenskap (se Vi har fortsatt ingen anelse om hvordan vi skal eliminere mer enn en fjerdedel av energiutslippene ). Og det er før du tar hensyn til drivstoffet som kreves for å fyre ovnene.
Biler, bygninger og broer er alle ganske godt avhengige av å ha stål, sier Steven Davis, hovedforfatter av denne studien og en jordsystemforsker ved University of California, Irvine. Så med mindre vi endrer det - og det er ingen tegn på at vi er - må vi finne ut en måte å dekarbonisere prosessen.
Men å fullstendig eliminere utslipp vil kreve enten teknologi som kan fange opp karbondioksid før det forlater stålverket, som er både dyrt og teknisk belastet, eller bruk av alternative materialer for å fjerne oksygen fra jernoksid.
Måneskudd
Donald Sadoway, en kjemiker ved MIT, begynte utilsiktet å jobbe med en løsning på midten av 2000-tallet.
NASA hadde tilbudt en kvart million dollar-pris til det første forskerteamet som kunne finne ut hvordan man kunne trekke ut oksygen fra månens overflate, en forutsetning for å etablere månebaser. Sadoway foreslo å bruke en elektrolysecelle - som produserer en elektrisk strøm for å bryte ned forbindelser - for å trekke ut oksygen fra månens bergarter. Biproduktet var smeltet metall, en erkjennelse som førte til at han utforsket muligheten for å bruke en lignende tilnærming for å behandle metaller tilbake på jorden.
Men å produsere noe som stål vil kreve en anode laget av billige materialer som ikke vil korrodere under høye temperaturer eller lett reagere med jernoksid. I 2013 publiserte Sadoway og MIT metallurgiforsker Antoine Allanore en papir i Natur konkluderer med at anoder laget av krombaserte legeringer kan sjekke alle disse boksene.
Året før, Sadoway, Allanore og en annen partner hadde medstiftet en oppstart kjent som Boston Electrometallurgical, som skulle bli Boston Metal.
Selskapet har til dags dato samlet inn 13 millioner dollar, hovedsakelig fra den brasilianske investoren Ingo Wender, det amerikanske energidepartementet og National Science Foundation. Firmaet nektet å avsløre kilden til en ventende investering før transaksjonen er fullført.
En nølende bransje
En av elektrolysecellene sitter i bakrommet til Boston Metal. Det er en knebøy metallsylinder, med et skorsteinslignende rør som kommer ut fra toppen og en ovulær åpning foran. Den er designet for å produsere ferrolegeringer, et materiale med høy margin som brukes til å produsere visse stålkvaliteter – og oppstartens første målmarked.
Skorsteinen er egentlig en anode. Et tynt lag av metall langs bunnen danner katoden. Disse positive og negative elektrodene fungerer sammen som en slags pumpe, som skyver elektroner gjennom elektrolytten i kammeret, en blanding av metalliske mineraler og andre oksider.
De nøyaktige ingrediensene i den elektrolytten er en kritisk del av selskapets kjerneteknologi. Når det gjelder stål, fungerer de andre oksidene som løsemiddel ved høye temperaturer, og løser opp jernoksidet uten å spalte seg selv.
Hvordan Boston Metals elektrolysecelle behandler metall ved hjelp av elektrisitet.
Når den elektriske strømmen varmer opp den suppen, bobler oksygen frigjort fra jernet opp til toppen, og det resulterende metallet samler seg på bunnen. Når operatører banker, eller slår gjennom, en foring gjennom hullet i fronten, renner smeltet metall ut i en brennende oransje linje.
En fordel med å bruke karbon i stålproduksjon er at det gir styrke til sluttproduktet, i det minste når det er i riktig proporsjon. Adam Rauwerdink, selskapets strategidirektør, sa i en e-post at for å produsere spesifikke stålkvaliteter, kan karbon og andre ingredienser ganske enkelt tilsettes når metallet avkjøles.
Men noen lurer på hvor overbevisende det vil være for den notorisk konservative stålindustrien, som tross alt produserer et materiale som trenger å holde skyskrapere.
Karbon kreves på et eller annet nivå for de mekaniske egenskapene til selve stålet, sa Nathan Lewis, kjemiker ved California Institute of Technology, i en e-post. Og forståelig nok er industrien nølende med å endre den prosessen.
Neste skritt
I fjor begynte Tadeu Carneiro i Boston Metal som administrerende direktør. Han ledet tidligere Brasil-basert CBMM , den største produsenten av niob, et metall som brukes i superledende legeringer.
Carneiro, som bruker et par mørke, tunge briller over et sett med mørke, tunge øyenbryn, rabler kjemiske ligninger på en tavle mens han beskriver selskapets forretningsstrategi med brasiliansk aksent. Treårsplanen er å bygge et demonstrasjonsanlegg for å produsere ferrolegeringer, sier han. I mellomtiden vil selskapet også begynne å designe og konstruere en fullskalacelle for produksjon av stål, en milepæl han håper å nå innen syv år.
Hvis Boston Metal oppnår disse standardene, kan det forfølge en rekke forretningsmodeller, inkludert lisensiering av teknologien, samarbeid med metallprodusenter, salg av celler eller produksjon av metaller direkte.
Men som alltid i vitenskapen, før produktet faktisk er bygget og testet i kommersiell skala, er det for tidlig å si hvor godt eller rimelig det virkelig vil fungere. Dessuten vil det å bare produsere en grønn versjon av et produkt for omtrent samme pris ikke være nok til å transformere industrien, gitt milliarder av dollar i ugjenkallelige kostnader i stålverk som kan operere i flere tiår – og det faktum at mye av denne industrien er basert i relativt fattige land eller sliter økonomisk.
En metallstang produsert av selskapets smeltet oksidelektrolyse, eller MOE, prosess. Med tillatelse fra Boston Metal
Selv om den perfekte teknologien kom på banen i dag, vil det sannsynligvis gå flere tiår før vi effektivt kunne gå over til den, sier Davis.
Carneiro erkjenner at selskapet fortsatt må overvinne en rekke gjenværende tekniske utfordringer, inkludert å forbedre den faradaiske effektiviteten, som betyr å øke prosentandelen av elektroner som faktisk produserer metall; forbedre termisk effektivitet, eller redusere kilowatt-timene med elektrisitet som kreves for å produsere et gitt volum metall; og oppskalering av en kromlegeringsanode som til dags dato kun er demonstrert på laboratorienivå.
Han er imidlertid sikker på at Boston Metal vil løse disse utfordringene, bevise at teknologien er billigere, og til slutt overbevise industrien om å ta i bruk sin tilnærming.
Å transformere stålsektoren på nesten 1 billion dollar er fortsatt et langt skudd. Men hvis oppstarten kan vise at prosessen fungerer i industriell skala, kan det i det minste gi et lite håp om å løse en av de vanskeligste delene av klimapuslespillet.