IJzer als het nieuwe goud. Gaat dat echt gebeuren? Dat is in elk geval wel de inzet van Niels Deen, hoogleraar Power & Flow bij de faculteit Werktuigbouw aan de TU/e die hier onderzoek naar doet in samenwerking met het onlangs opgerichte Eindhoven Institute for Renewable Energy Systems (EIRES).
Het is al mogelijk om aan korreltjes ijzer zo fijn als poedersuiker geheel CO2-vrij energie te onttrekken door ze te verbranden. Bij dat proces wordt een wolk ijzerpoeder aangestoken door een vlam onderin een buis. Daarna blaast een ventilator de wolk door de buis omhoog. De warmte die bij de verbranding van de ijzerpoederwolk vrijkomt stijgt op als een wervelwind en stroomt door het uiteinde op het hoogste put van de buis naar een warmteleiding voor de uiteindelijke industriële toepassing. Het verbrande ijzerpoeder wordt door de wervelwind naar de buitenzijde van de buis geslagen en stroomt door een gat naar een (lager gelegen) aftakking. Het komt daar terecht omdat het verbrande poeder zwaarder is dan de hete lucht.
Hoe krijg je die roest er weer helemaal uit?
De korrels ijzer zijn tijdens de verbranding geoxideerd waardoor ze veranderd zijn in korreltjes roest. Ze hebben daardoor hun capaciteit verloren om opnieuw te oxideren ofwel te verbranden. De truc is dus om ervoor te zorgen dat de ijzer en de zuurstofmoleculen weer uit elkaar getrokken worden. Ook dat is nu al mogelijk. Dat gebeurt door bij een bepaalde temperatuur waterstof toe te voegen aan het roestige ijzerpoeder. Tijdens dat proces hechten de zuurstofmoleculen op de roestkorreltjes zich aan de waterstofmoleculen waardoor er uiteindelijk een hoeveelheid water ontstaat en een hoeveelheid ijzer.
Het probleem is alleen nu nog dat het niet helemaal duidelijk is onder welke omstandigheden en bij welke temperatuur de roestkorreltjes honderd procent van de zuurstof gezuiverd moeten worden, zegt Deen. “Het zijn hele kleine korreltjes. Ze hebben een doorsnede van maar 20 micrometer, bijna onzichtbaar. Je kunt daardoor niet makkelijk zien of de roest er tot in de kern uitgehaald is. En bij een bepaalde hoogte van de temperatuur kunnen ze gaan smelten waardoor het geen korreltjes meer zijn.”
Het probleem van korrels die niet voor de volle honderd procent uit ijzer bestaan is dat ze minder efficiënt zijn. De capaciteit om te oxideren (ofwel roesten) is daardoor immers lager geworden en dat levert dus minder warmte op dan als ze wel uit zuiver ijzermoleculen zouden ontstaan. Het is dus heel belangrijk omdat proces te perfectioneren.
Geen enkel korreltje mag verloren gaan
Een tweede voorwaarde voor energieopwekking waarbij ijzerpoeder als energiedrager gebruikt wordt is dat al het ijzerpoeder dat in het proces verbrand wordt, ook opgevangen wordt door de installatie. Dat lukt nu nog niet voor honderd procent, zegt Deen. “Stel dat je tijdens het proces 1 procent van het ijzerpoeder verliest omdat het in de hete luchtkoker terecht komt. Dan ben je je startvoorraad ijzerpoeder na honderd rondjes draaien kwijt.”
Het probleem daarbij is niet dat het ijzerpoeder duur is om te maken. IJzer is een van de meest voorkomende metalen ter wereld. Maar het kost wel veel energie om het te maken, zegt Deen. Terwijl het doel is om efficiënter om te gaan met energiebronnen en om circulair te produceren.
Als het lukt om het proces te perfectioneren, lost dat een heel groot probleem op. “IJzerpoeder kan dan de energiedrager worden in kolencentrales. Het proces is niet helemaal hetzelfde. Maar er zijn wel veel overeenkomsten. Kolencentrales verbranden namelijk ook fijn kolenpoeder. Het is niet zo dat daar hele brokken steenkool in gaan. Er zal wel een extra installatie aan toegevoegd moeten worden om ze geschikt te maken voor het verbranden van ijzerpoeder.”
Principe van raketbrandstof
Het zou een oplossing zijn voor eigenaren van kolencentrales, zoals Uniper, die in de ontwikkeling van de technologie door de TU/e investeert.
De technologie is nog maar jong, zegt Deen. “We zijn er pas een jaar of twee mee bezig.” Het initiatief daarvoor is gekomen van Philip de Goey, een hoogleraar verbrandingstechnologie aan de TU/e met een trackrecord van onderzoek dat wereldwijd bekend is, zegt Deen. “Hij las over onderzoek dat gedaan wordt aan de McGill University in Canada naar het gebruik van metaalpoeder als raketbrandstof en bedacht dat het als energiedrager voor de industrie ontwikkeld zou kunnen worden.” Hij kreeg daarvoor dit jaar een beurs van de European Research Council van 2,5 miljoen euro.
Aan andere universiteiten of instituten in de wereld is er volgens Deen geen onderzoek naar het gebruik van ijzerpoeder als energiedrager. Het is dus een uniek experiment, waarvoor in oktober een eerste pilotinstallatie in bedrijf genomen is bij de bierbrouwerij van Bavaria in Lieshout, vlakbij Eindhoven.
De ontwikkeling van metal fuel is een van de vier ikonische projecten van het Eindhoven Institute for Renewable Energy Systems (EIRES). EIRES is in 2020 opgericht door de TUe. Andere projecten zijn de ontwikkeling van een zoutbatterij om duurzaam opgewekte warmte op te slaan en de ontwikkeling van goedkope eletrolyzers. Ook worden er digitale modellen ontwikkeld (digital twins) om inzicht te krijgen in de beste keuze voor nieuwe technologieën die tijdens de energietransitie ontwikkeld worden. De keuze daaruit moet voor 2050 gemaakt worden.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
