Philip de Goey, © Vincent van den Hoogen

Zon en wind zijn niet altijd en overal beschikbaar, dus hoe sla je die energie tijdelijk op? Een groep onderzoekers aan de TU Eindhoven ziet in metaalpoeder een gedroomde kandidaat: CO2-vrij, herbruikbaar en met een hoge energiedichtheid. De eerste resultaten zijn veelbelovend, maar om de technologie op grote schaal in te zetten is het eerst noodzakelijk de verbranding van die metaaldeeltjes in detail te snappen en te beheersen. Met een Advanced Grant van 2,5 miljoen euro van de European Research Council (ERC) gaat hoogleraar verbrandingstechnologie Philip de Goey nu die ‘brandende’ vraag beantwoorden.

De verbranding van ijzerpoeder is spectaculair, maar tot op heden vrijwel onbegrepen. © Bart van Overbeeke

Come on baby, light my fire. De wereldhit van The Doors uit de jaren zestig zou niet misstaan in het lab van Philip de Goey. Het verbranden van brandstoffen – op efficiënte en schone wijze – staat centraal in het onderzoek van de hoogleraar verbrandingstechnologie. Onderzoekslabs over de hele wereld gebruiken de door zijn groep ontwikkelde methodes om de verbranding van aardgas en andere fossiele brandstoffen tot in detail te begrijpen en controleren.

Sinds kort richt hij zich op een nieuw mysterie: metaalpoeders, internationaal bekend als ‘metal fuels’. Het is een pas ontdekte, veelbelovende energiedrager, door sommigen zelfs de batterij van de toekomst genoemd. Toch ontbreekt fundamenteel begrip van de verbranding van die metaalpoeders. Bijzonder, want die verbranding is helemaal niet zo nieuw: het gebeurt al tijden voor onder meer vuurwerk en raketbrandstof.

[learn_more caption=”Meer onderzoek naar metal fuels”] Naast dit fundamentele onderzoek wordt aan de TU/e op meerdere fronten gewerkt om ‘metal fuels’ in de praktijk toe te passen, te demonstreren en op te schalen. Het uiteindelijk doel is deze technologie toe te passen in de industrie (over 5 jaar) of in een kolencentrale (in 10 jaar). Dit doet de Goey in het kader van Metalot, een innovatiecentrum verbonden aan de TU/e waarvan hij de trekker is. Hierbinnen zijn een drietal grote projecten gestart met een totale omvang van zeven miljoen euro, waarbij wordt samengewerkt met een groot aantal onderzoeksinstituten en bedrijven. Het studententeam SOLID werkt in al deze projecten actief mee. Het gaat om:

 

  • Lighthouse Metal POWER: consortium gefinancierd door de provincie Noord-Brabant om een 100 kW proefinstallatie te bouwen voor de verbranding van ijzerpoeder bij Swinkels Family Brewery. Deelnemende partners: TU/e, Metalot, SOLID, Uniper, Enpuls, Nyrstar, EM Group, Heat Power en Romico.
  • Lighthouse Metal Energy Carrier: consortium gefinancierd door de provincie om een reductiesysteem te demonstreren. Deelnemende partijen: TU/e, Metalot, SOLID, Shell, EM Group, Heat Power, RISE (SE), Pometon (IT).
  • Metal POWER living Lab: OPZuid-stimuleringsproject (Europees Innovatieprogramma Zuid-Nederland) om het 100 KW systeem op te schalen tot 1 MW voor eerste pilot toepassing van hoge-temperatuur warmte en/of stoom in de industrie, Deelnemende partijen: Metalot, TU/e, SOLID, EM Group, Heat Power, Energy Storage NL, Nyrstar, Swinkels en Veolia.[/learn_more]

Hoe kan het dat we toch nog zo weinig weten van de verbranding van metaalpoeder?

“De verbranding van metaalpoeders is inderdaad geen nieuw fenomeen. Zo bepaalt de keuze van het metaal in vuurwerk welke kleuren je in de lucht ziet. Er is alleen een belangrijk verschil met metal fuels. Bij de bestaande toepassingen zijn de metaaldeeltjes omgeven door ándere materialen die brandbaar zijn. Die brandbare omgeving zorgt dat de metaaldeeltjes ook verbranden. In het geval van metal fuels moet de verbranding van de deeltjes zelf komen, en springt deze van het ene naar het andere deeltje, zonder hulp van iets anders. Dat maakt het een compleet nieuwe situatie. En één waar wetenschappelijk gezien nauwelijks eerder naar is gekeken.”

Waardoor zijn metal fuels onlangs zo in de belangstelling gekomen?

“De laatste jaren is de behoefte aan tijdelijke energieopslag steeds groter geworden, nu we steeds meer op duurzame energiebronnen als zon en wind overstappen. Grootschalige opslag in batterijen is te duur, en voor waterstof, dat ook vaak wordt genoemd als opslagmateriaal, heb je een enorm groot volume nodig. Metalen hebben een veel hogere energiedichtheid dan waterstof. Metaalpoeder is daardoor erg compact en makkelijk te vervoeren energiedrager. Ik stel me voor dat je de energie uit zon en wind haalt op de plek waar dat het beste werkt, zoals op de evenaar, en je het dan transporteert naar andere plekken.”

Bekijk een animatie over de potentie van ijzerpoeder als ‘metal fuel’, waar studententeam SOLID aan werkt.

“Een ander groot voordeel is dat het metaalpoeder herbruikbaar is. Je hoeft het poeder dus maar één keer te maken. De stappen volgen een circulair proces. Bij de verbranding ontstaat geen CO2, er blijft alleen roest over. Met waterstof zet je dit vervolgens weer terug om naar het metaalpoeder. Dit proces kun je blijven herhalen. Bij de verbranding komt energie vrij in de vorm van warmte. Dat kan gebruikt worden als stoom in industriële processen of om een turbine mee aan te drijven. Met name voor bedrijven die 1 tot 10 MW aan hoge-temperatuur-warmte nodig hebben is dit op korte termijn zeer interessant. Ook kijken we naar de maritieme sector, waar een enorme reductie in de uitstoot van vervuilende stoffen nodig is.”

Waarom is het belangrijk dat we de verbranding precies begrijpen?

“We hebben de afgelopen jaren een aantal mooie stappen gezet in het demonstreren dat metaalpoeders echt potentie hebben. Zo hebben we, samen met studententeam Team SOLID binnen het Metal Power consortium, een proefinstallatie gerealiseerd die 100 kW aan energie levert. De komende jaren gaan we dit opschalen naar een 1 MW-installatie van enkele meters hoog.

Als je echter verder wilt opschalen kun je niet zomaar iets bouwen. Je hebt systemen met stabiele verbranding nodig die ook nog eens zo optimaal mogelijk werken, en dat blijkt erg lastig. Zo weten we eigenlijk nog erg weinig. Hoe groot moeten de deeltjes zijn? Hoe springt de vlam over van het ene deeltje naar een ander? Hoe ontstaat dan uiteindelijk een vlam en hoe hard loopt die vlam dan? En, moeten de metaaldeeltjes wel ronde bolletjes zijn, of juist staafjes? Mogen ze poreus zijn? Hoe zuiver moeten ze zijn? Kijk bijvoorbeeld naar de benzine- en dieselmotoren. Die werden eind van de negentiende eeuw uitgevonden, maar ze worden nog steeds verbeterd. We hebben jaren rondgereden met motoren die niet zo efficiënt en zeker niet zo schoon waren.”

Deze twee vlammen illustreren de complexiteit van de verbranding van metaalpoeder. Links een vlam van de verbranding van methaan, rechts de verbranding van ijzerpoeder. Waar bij methaan de vlam homogeen is met een duidelijke afbakening is de vlam bij ijzerpoeder juist verre van homogeen en erg turbulent. © Philip de Goey

Hoe ga je tot dit begrip komen?

“Dat gaan we in drie stappen doen, op drie niveaus. We kijken allereerst naar hoe één deeltje verbrandt. Als een deeltje wordt opgewarmd gaat het smelten. Het ontsteekt en reageert met zuurstof, waardoor een mengsel ontstaat van verschillende combinaties van het metaal met zuurstof. In het geval van ijzer verschillende ijzeroxides, zoals Fe3O4 en Fe2O3. Bovendien moeten we de situatie zo zien te tunen dat de deeltjes niet verdampen, want dan komen er nanodeeltjes roest vrij en die kun je niet afvangen en dan raak je ze kwijt. Dat proberen we met modellen te simuleren en zo te optimaliseren.

We bestuderen dit zowel experimenteel als door modellering. We gebruiken een unieke brander waarmee de metaaldeeltjes als een fontein omhoog worden geschoten en verbrand worden. Met lasers en hogesnelheidscamera’s volgen we alles tot in detail.

Vervolgens beschouwen we meerdere losse deeltjes bij elkaar, je krijgt dan een lopend vuurtje, ook wel vlamfront genaamd. We ontwikkelen een nieuwe versie van de zogeheten Heatflux-methode, die nu wereldwijd in talloze labs wordt gebruikt om vlammen van gasvormige en vloeibare brandstoffen in detail te ontleden. In de derde stap gaan we van zo’n lopend vuurtje, een ééndimensionaal vlammenfront, naar een volledige 3D-vlam die meestal turbulent is en daardoor een chaotische structuur krijgt. Vandaar dat we spreken van een ‘multi-scale’ begrip van de verbranding van metaalpoeder. Dit zal ik allemaal doen samen met mijn verbrandingscollega’s in de groep, met name Nico Dam, Jeroen van Oijen, Yuriy Shoshin, Rob Bastiaans en Giulia Finotello.”

Aan het fundamentele onderzoek aan de verbranding gaan negen promovendi werken, zes gefinancieerd vanuit deze ERC-beurs, twee uit een recent gehonoreerd NWO-TTW project en één met een CSC beurs uit China. Er werken ook enkele promovendi aan het omgekeerde proces, waarbij metaal-oxiden weer worden omgezet tot metalen (in de chemie bekend als ‘reductie’), onder hoogleraar Niels Deen. Na deze stap is de cirkel gesloten en kun je het metaalpoeder opnieuw verbranden.

Word lid!

Op Innovation Origins lees je elke dag het laatste nieuws over de wereld van innovatie. Dat willen we ook zo houden, maar dat kunnen wij niet alleen! Geniet je van onze artikelen en wil je onafhankelijke journalistiek steunen? Word dan lid en lees onze verhalen gegarandeerd reclamevrij.

Over de auteur

Author profile picture