Fossila bränslen behöver ersättas med förnybara alternativ och kanske några av våra vanligaste metaller kan vara lösningen. Vid Lunds universitet används avancerad laserdiagnostik för att undersöka om järn, aluminium och kisel kan bli framtidens bränsle.
Projektanslag 2019
Towards CO2 neutral energy conversion using advanced laser diagnostics and modelling – COCALD
Huvudsökande:
Marcus Aldén, professor i förbränningsfysik
Medsökande:
Lunds universitet
Xue-Song Bai
Alexander Konnov
Elias Kristensson
Zhongshan Li
Lärosäte:
Lunds universitet
Beviljat anslag:
34 000 000 kronor under fem år
Även om utbyggnaden av sol- och vindkraft tagit fart de senaste åren så behövs fler alternativ för att ersätta energin från förbränning av fossila bränslen. Sedan 1980-talet har Marcus Aldén tillsammans med sina kollegor vid Lunds universitet utvecklat en rad olika laserdiagnostiska tekniker som på atomnivå kan kartlägga olika förbränningsprocesser. I ett nytt projekt riktar de nu sin uppmärksamhet mot förbränning av metall i pulverform.
– Vi har en världsledande utrustning där vi använder avancerad laserteknik och detektionsutrustning för beröringsfria mätningar i små punkter och med mycket hög tidsupplösning. Den ger oss unika möjligheter att validera nya förbränningsmodeller, säger Marcus Aldén.
Oförtjänt dåligt rykte
Fördelarna med att ersätta fossila bränslen med metaller som järn, aluminium och kisel är flera, menar Aldén. Dels är dessa ämnen vanligt förekommande i jordskorpan och dels har de ett stort energiinnehåll. Men framförallt så bildas ingen koldioxid vid förbränningen.
– Förbränning har fått ett oförtjänt dåligt rykte eftersom vi använt bränslen som skapat problem. I grunden är det inget fel med förbränning som är en reaktion med hög temperatur. Förbränning är ett optimalt sätt att utvinna energi, säger Marcus Aldén.
Tanken är dessutom att skapa ett kretslopp där restprodukterna efter förbränningen tas om hand för att med hjälp av grön elektrolys återomvandlas till metall igen. Grön elektrolys innebär att elektriciteten som tillförs enbart kommer från förnybara energikällor.
Men utmaningarna är många och flera av dem ännu okända, menar Marcus Aldén.
– Ännu vet vi inget om hur tryckberoende processen kan vara, hur en turbulent strömning påverkar förbränningen, eller om det bildas kväveoxider som behöver tas om hand. Därför bygger projektet på ett nära tvärvetenskapligt samarbete, säger han.
Internationellt samarbete
Flera forskare kommer att bidra med kunskaper inom bland annat fluiddynamik, kemisk kinetik och termodynamik. Dessutom finns ett samarbete med Eindhovens tekniska universitet och McGill University i Montreal i Kanada, som är bland de få som tidigare undersökt förbränning av metaller.
– Uppriktigt sagt så är jag ingen expert på förbränning, men jag har lång erfarenhet av utveckling och tillämpning av olika laseroptiska mättekniker. Därför är det så viktigt att vi skapar samarbeten med kollegor som har kompletterande kompetenser och kan bidra med att tolka och analysera våra resultat, säger han.
Inom laserdiagnostiken används pulsade lasrar för att mäta under mycket korta tidsperioder där laserstrålen kan fokuseras på ett mycket litet område. Tekniken gör det också möjligt att mäta i flera punkter samtidigt och även i flera plan eller volymer.
Förenklat uttryckt så sker mätningen genom att en laserstråle träffar molekyler och atomer som i sin tur ”reflekterar” ljuset. Bland annat färgen på det utsända ljuset avslöjar vilken molekyl som träffats. Med hjälp av laserdiagnostik kan allt från ämneskoncentrationer, temperaturer, hastigheter och partikelstorlekar påvisas. Det största fördelen med tekniken är att den är beröringsfri vilket förhindrar att mätningarna påverkar processen.
– De praktiska experimenten fyller en viktig roll eftersom vi kan anpassa förutsättningarna efterhand för att se om och hur det förbättrar förbränningen. Samtidigt som vi kan modellera oss fram för att öka förståelsen.
Ett sätt att förbättra förutsättningarna är att använda plasma, i form av elektrisk energi, för att hjälpa till att stabilisera processen.
– Det är ett långskott, men vi måste prova med hopp om att det faktiskt fungerar.
Här bygger forskarna vidare på kunskap från ett tidigare projekt, även det med stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse, där de laserdiagnostiska metoderna användes för att studera förgasning, katalys och nanoteknik.
Bränna ammoniak
Projektet omfattar också nya sätt att förbränna ammoniak, som även det ger en förbränning utan att bilda koldioxid. Intresset för att bränna ammoniak är stort bland industrier som letar efter fossilfria alternativ, berättar Aldén.
– Dessvärre brinner det dåligt och genererar kväveoxider. Vi behöver förstå vad som händer och hur vi kan undvika det. En möjlighet att förbättra effektiviteten är att samelda ammoniak och vätgas till exempel.
Vätgas ses av många som ett första alternativ till framtida energibärare, och förbränningen av metaller kan även medverka till att bilda vätgas. Aldén ser två typer av förbränningsmetoder framför sig, den ena för att ta tillvara värmen som bildas, och den andra där metallpartiklar av framförallt aluminium fås att reagera med varm vattenånga vilket ger vätgas.
Ännu finns många olösta frågor, betonar Aldén. Dessutom krävs en systemanalys för att avgöra hur detta område kan komplettera andra förnybara energikällor.
– Det är alldeles för tidigt att säga att vi kommer att sätta in metallbrännare i våra villor. Men här finns så många fördelar: tillgången av bränslen är mycket god, energiinnehållet stort och vi undviker koldioxid. Alla grunder finns för att gå vidare.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild S. Li, J. Huang, C. Brackmann
