Het klinkt als een onmogelijk idee: ijzer verbranden. Toch is al lang bekend dat metaal in poedervorm kan branden. Het wordt bijvoorbeeld gebruikt in vuurwerk. Is het ook toepasbaar als energiebron, liefst op grote schaal?
IJzer is een scheikundig element met het symbool Fe (Ferro). In het periodiek systeem heeft het metaal nummer 26. Het wordt gewonnen uit ijzererts dat zich over grote delen van de wereld verspreid bevindt in de aardkorst.
Het verbranden van ijzerpoeder is in principe een snelle manier van roesten. Het restmateriaal is roest en kan met behulp van de exacte hoeveelheid schoon geproduceerde waterstof worden gereduceerd. Zo ontstaat er op een circulaire manier nieuwe brandstof: nieuw ijzerpoeder. Het verbranden ervan is CO2-vrij en vormt daarmee een duurzaam alternatief voor fossiele brandstoffen.
TU Eindhoven
Philip de Goey, professor aan de TU Eindhoven, richt zich met zijn team volledig op de mogelijkheden van metaalpoeder. Met zijn specialiteit in Flame & Combustion Engineering is hij een autoriteit op het gebied van verbranding. Al geruime tijd wordt er intensief gewerkt aan het verbrandingsproces van ijzerpoeder vanwege de mogelijke voordelen hiervan: geen CO2-uitstoot, de ruime aanwezigheid van de basisgrondstof en de veiligheid.
Volgens De Goey is verbranding in het algemeen verantwoordelijk voor meer dan 80 procent van de huidige energievoorziening en deze techniek zal ook in de toekomst zeer belangrijk blijven. De brandstofsoorten zullen echter verschuiven van fossiel naar bio-, solar- en metaalbrandstoffen.
Future Energy Lab
Om de ontwikkeling op grotere schaal aan te pakken is op een industriepark in het Brabantse Budel een bedrijfsruimte ingericht: het Metalot Future Energy Lab. Metalot is een stichting met als doel het doorontwikkelen en opschalen van technologieën van de TU Eindhoven die bijdragen aan de energietransitie en circulariteit van metalen.
Opgericht door de TU Eindhoven, Provincie Noord-Brabant, Gemeente Cranendonck en zinkproducent Nyrstar werkt Metalot hard aan de ontwikkeling van de Metal Power-technologie. Hoewel meerdere metaalsoorten in aanmerking komen voor dit proces, zoals aluminium, zink en magnesium, richt men zich met name op ijzer. Toepassingen bestaan onder meer uit het verduurzamen van kolencentrales, de chemiesector en de langdurige opslag van hernieuwbare energie. Belangrijk dus om pieken en dalen in het elektriciteitsverbruik op te vangen in batterijen. Doordat productie en verbruik van elektriciteit sterk kunnen variëren, zou metaalpoeder hiervoor als energiedrager een potentiële oplossing kunnen zijn.
Gecontroleerde verbranding
Buiten de loods staat de verbrander opgesteld: een silo waar het ijzerpoeder wordt ingeblazen, wordt verbrand en onderaan wordt opgevangen en teruggevoerd in een opslag. Stijn van Aken, projectleider Metal Fuels, vertelt hoe lastig het is om puur ijzerpoeder goed te laten branden. Bij vuurwerk wordt altijd een brandbare substantie als ontsteking bij het ijzerpoeder gevoegd. Om de uitstoot tot vrijwel 0 te verminderen kan dat hier niet; het ene brandende deeltje moet het andere aansteken voor een constante vlam. De verhouding tussen brandstof en lucht moet zeer nauwkeurig afgepast zijn. Juist deze gecontroleerde procesbeheersing is essentieel.
De eerste proefopstelling had een vermogen van 100 kW en heeft dienst gedaan bij de brouwerij Swinkels, het familiebedrijf achter onder andere Bavaria. Nu staat er in Budel een opstelling van 500 kW. Van Aken: “We hebben deze brander zelfs al kortstondig kunnen opstoken tot 700 kW! Het verlies per cyclus is teruggebracht van enkele procenten naar minder dan 0,1 procent.”
Hij laat zien hoe er bij elke proef aan de veiligheid wordt gedacht en vertelt over de apparatuur waarmee gewerkt wordt. “Als je dit materiaal verbrandt, kun je met de warmte of met stoom een turbine aandrijven. Er wordt gewerkt aan compactere verbrandingsinstallaties.”
Binnen staat de voorraad poeder, in big bags van 1.000 kilo opgeslagen. Het fijne materiaal voelt aan als heel fijn zand, maar dan veel zwaarder, bijna als een vloeistof. Het wordt in Italië geproduceerd uit schroot, een mooie stap dus naar een circulair product, al moeten er ook op dit vlak nog wat stappen worden gezet.
Een idee voor de scheepvaart?
Hoewel bij de doorontwikkeling van metaalverbranding het vizier niet primair op de transportsector wordt gericht, zou het wellicht toch interessant kunnen zijn voor de binnenvaart. Voorwaarde is wel dat er compacte verbrandingsketels worden ontworpen die in combinatie met een of meerdere turbines voldoende vermogen kunnen genereren. In combinatie met een accupakket kan aan de gehele energiebehoefte van het schip worden voldaan.
Voordelen zijn onder meer de grote veiligheid omdat het poeder niet spontaan kan ontbranden en stofexplosies niet mogelijk zijn. In containers verpakt kan op elke willekeurige kade of terminal de brandstof aan boord worden genomen en het restmateriaal kan meteen worden afgevoerd om in een speciale fabriek weer opgewerkt te worden tot nieuwe brandstof. Een compleet nieuw netwerk van bunkerstations door heel Europa zou dan niet nodig zijn.
IJzerpoeder weegt ruwweg de helft van staal. Per 1.000 kilo is een hoeveelheid arbeid realiseerbaar van 1,8 tot 2 megawattuur, per volume is de energiedichtheid daarmee vergelijkbaar met dieselolie. Een 110-meterschip zou zo op een reis van Rotterdam naar Bazel ongeveer 50 ton verbruiken. Na verbranding neemt de massa van het materiaal een kleine 30 procent toe. Voor het opwerken van het restmateriaal is per 1.000 kilo ongeveer 25 kilo waterstof nodig.
Voordat het eerste schip op ijzerpoeder gaat varen, is er nog een lange weg te gaan. De ontwikkeling van de installatie aan boord en het volledig uitstootvrij en circulair maken van de gehele productie- en bevoorradingsketen zal de nodige inspanning vergen, ook wat betreft regelgeving en financiering. Zoals bij elke nieuwe techniek die zich nog moet bewijzen gelden ook hier de drie voorwaarden: haalbaarheid, schaalbaarheid en betaalbaarheid.
Door Chris van Loon
