Een bijdrage van Ap Cloosterman.

Het zijn niet alleen gassen, vloeistoffen en vaste stoffen die kunnen branden. Ook metalen kunnen branden, zij het dan wel in poedervorm.

Vanouds is al bekend dat er bij de verbranding van ijzerpoeder veel energie (warmte) vrijkomt. IJzerpoeder maar ook Aluminiumpoeder wordt daarom ook in sterretjesvuurwerk toegepast en ook als brandstof in de ruimtevaart.
Chemisch ziet de reactie er als volgt uit:

IJzer biedt veel voordelen ten opzichte van de huidige duurzame middelen die we gebruiken om energie op te slaan of op te wekken. De volumetrische energiedichtheid van ijzer is volgens professor de Goey 3x groter dan die van waterstof. Waterstof heeft een energiedichtheid van 2,4 kWh per liter.

Voor fossiele brandstoffen als benzine is dit 8,9 kWh en voor aardgas is dit 8,8 kWh.

Energiedichtheid is de hoeveelheid energie per massa- of volume-eenheid die in een stof is opgeslagen. Het kan dus interessant zijn om ijzerpoeder als duurzame bron in te zetten voor het opwekken van energie.

23 TUe-studenten zijn samen met de hoogleraren Niels Deen, Philip de Goey en manager Mark Verhagen van SOLID gestart met het project ‘Metal Power‘. Dit doen ze samen met diverse bedrijven met financiering door de provincie Noord-Brabant. Tezamen bouwden ze een proof-of-concept-installatie die ijzerpoeder verbrandt. De hitte drijft een stoomgenerator aan, waarmee elektriciteit kan worden gemaakt.

Professor Deen: ‘Het aanbod van energie uit windturbines en zonnepanelen fluctueert enorm. Bij overaanbod moet je die energie kunnen opslaan. Dat kun je doen met accu’s, maar dat is niet geschikt voor alle situaties, zoals voor de opslag van grote hoeveelheden energie. Wij doen nu onderzoek naar een alternatief: opslag van energie in ijzerpoeder. Als je dat poeder verbrandt, komt de energie vrij als warmte.’

Professor Deen zegt verder: ‘Ook is ijzerpoeder gemakkelijk te transporteren en kan het worden gerecycled. Als je ijzerpoeder verbrandt om met hete gassen een turbine of motor aan te drijven, dan blijft er roestpoeder over. Met waterstof, geproduceerd uit elektriciteitsoverschotten van duurzame bronnen, maak je daar weer ijzerpoeder van.’

Chemisch ziet de reactie er als volgt uit:

Met het Metal Power concept zijn er verschillende toepassingen als energiebron mogelijk.
In onderstaande figuur is dit weergegeven.

Links treft u de metaalbrander aan, waarin metaalpoeder en lucht wordt geïnjecteerd en tot ontbranding wordt gebracht.

Na de verbranding blijft er roest over, die met een cycloon wordt gescheiden van de hete lucht. Het ijzeroxide (roest) wordt vervolgens opgevangen in een voorraadtank.

De gloeiend hete lucht wordt ingezet om stoom te produceren waarmee vervolgens met een generator elektriciteit wordt opgewekt. Deze elektriciteit kan aan het stroomnet geleverd worden of kan gebruikt worden voor de aandrijving van machines of tractieverkeer.

Verder kan het systeem energie (warmte) leveren voor industriële doeleinden (hoge temperaturen) en tenslotte ook met behulp van een ingebouwde metal-air burner de energie leveren voor auto’s, die vervolgens elektrisch worden aangedreven.

Het totale proces ziet er dus als volgt uit:


 

Applied Energy Volume 160, 15 December 2015, Pages 368-382

De toepassing van dit Metal Power proces lijkt ook buitengewoon geschikt voor de aandrijving van duurzame schepen.

Kolencentrales, die buiten bedrijf zijn gesteld, zouden geschikt gemaakt kunnen worden om door verbranding van ijzerpoeder (i.p.v. kolen) energie op te wekken.

Uniper is projectpartner en eigenaar van een grote (schone) kolencentrale op de Maasvlakte, die in 2030 moet stoppen met kolen. Een andere brandstof, zoals houtsnippers (dit is toch niet te geloven!) mag wel en als het Metal Power project gerealiseerd kan worden is dat een beter alternatief.

Swinkels Family Brewers (voorheen Bavaria) gaat deze technologie gebruiken in zijn brouwproces en gebruikt ijzerpoeder als duurzame brandstof om stoom te produceren voor het brouwproces.

Automobilisten gaan misschien wel ijzer ‘tanken’ in plaats van benzine of diesel – het lijkt een vreemd idee, maar eigenlijk ligt het gebruik van metal fuels voor de hand.

IJzer is heel goede energiedrager, zeggen de onderzoekers. Het herbergt per kilogram veel meer energie dan bijvoorbeeld de lithium-ion accu’s die nu in elektrische auto’s worden gebruikt. Met name voor het langeafstand transport van goederen over de weg en zee, zijn accu’s niet geschikt. Nu torst een truck een tank met 600 liter diesel mee. Als je dat wilt vervangen door accu’s, heb je het equivalent van 40 ton nodig.

Het kostenplaatje van de zgn. ijzercyclus vormt een probleem en lijkt nog onvoldoende concurrerend. Allereerst moet er uit ijzer ijzerpoeder gemaakt worden. De ijzerprijs ligt op ongeveer € 0.20 per kg. IJzerpoeder kost € 16.- tot € 40.- per kg. en de prijs is afhankelijk van de gevraagde kwaliteit. Het is nog niet duidelijk welke kwaliteit vereist is.

Vervolgens moet er uit het afvalproduct roest weer ijzerpoeder gemaakt worden. De kostprijs hiervan is niet bekend, maar zal waarschijnlijk niet veel afwijken van de bovengenoemde poederprijs.

Voor de productie van waterstof gaan we er van uit dat er stroom geleverd wordt door windturbines, die hun stroom niet kwijt kunnen op het stroomnet. Deze stroom kan dan gebruikt worden voor de productie van (groene) waterstof door middel van elektrolyse.

Het kostenplaatje voor de productie van groene waterstof is allesbehalve te verwaarlozen. Allereerst hebben te maken met de opwekking van stroom door windturbines. Het rendement hiervan wordt uitgedrukt als productiefactor = de verhouding tussen het gemiddeld geleverde vermogen en het nominaal vermogen. De productiefactor van windturbines: op land 22,5%; op zee 40%

De opgewekte stroom wordt normaal aan het elektriciteitsnet geleverd. Bij overproductie wordt de stroom dus gebruikt om waterstof te produceren door middel van elektrolyse.

Dr. Fred Udo heeft hierover rendement gegevens verstrekt. Zie hier. Elektrolyse van water: 75%. Compressie en opslag van waterstof: 90%. Verder dient men er rekening mee te houden dat de levensduur van windturbines en de elektrolyse apparatuur beperkt is.

De geproduceerde waterstof wordt niet rechtstreeks als brandstof ingezet maar is slechts een extra component bij de omzetting van roestpoeder in ijzerpoeder. Eigenlijk zijn dit dus extra kosten t.o.v. van het direct rijden op waterstof.

Een auto rijdt op een liter benzine 10 tot 20 kilometer. Waterstof aan de pomp kost € 10.- per kg. Met 1 kg waterstof kan men 100 km rijden. De waterstoftank in de auto bevat 5 kg waterstof. De km prijs met waterstof varieert tussen de prijs van benzine en diesel.

Als we ijzerpoeder in onze tank gooien dan kunnen we waarschijnlijk 20 tot 40 kilometer rijden op een kg ijzerpoeder.

Er zijn nog veel onduidelijkheden om een juiste kostenafweging op te stellen, maar het ziet er dus wel naar uit dat de km. prijs met het Metal Power systeem nog niet kan concurreren met benzine of waterstof.

Voordat het project zijn operationele status kan bereiken zijn er nog een aantal problemen op te lossen:

● Het onderzoek naar de meest efficiënte vorm en deeltjesgrootte van de ijzerkorrels.
● Bij de hoge verbrandingstemperaturen verbrandt ook een klein deel van de in de lucht aanwezige stikstof tot NO2 (stikstof uitstoot), maar wel veel minder dan in geval van fossiele brandstoffen.
● De nog onvoldoende kennis van het verbrandingsproces.
● Het huidige aanbod van ijzerpoeder is nog onvoldoende. Met het huidige aanbod zouden er 10 centrales gestookt kunnen worden.
● Het project Metal Power moet duurzaam zijn en dat betekent dat de winning van ijzererts en de productie van ijzerpoeder ook duurzaam moet zijn, hetgeen nog niet het geval is.
● De opvang van roestdeeltjes is nog problematisch: het poeder kruipt tussen de cilinder en de piston en schuurt daardoor de motor kapot. Dit geldt niet voor een Stirling motor of stoomgenerator.
● In een staalfabriek wordt ijzererts (een ijzeroxide verbinding) met cokes omgezet in ijzer. Dit is een vervuilend proces. Omzetting met waterstof geeft geen vervuiling, maar dit proces is nog onvoldoende operationeel.
● Het kostenaspect verdient grote aandacht.

Afsluitend kunnen we stellen, dat het project Metal Power alle aandacht en steun verdient om gerealiseerd te worden, zodat dit proces mogelijk een waardevolle bijdrage kan leveren aan onze energietransitie.

Geraadpleegde literatuur

https://www.nemokennislink.nl/publicaties/studenten-gebruiken-ijzer-als-brandstof/

https://www.bright.nl/nieuws/artikel/4420801/overtollige-energie-duurzaam-opslaan-bavaria-swinkels-brouwerij-bier

https://www.deingenieur.nl/artikel/eerste-installatie-gebouwd-met-ijzerpoeder-als-brandstof

https://www.volkskrant.nl/wetenschap/stoppen-we-straks-ijzer-in-de-tank~be36f5fc/

https://www.trouw.nl/duurzaamheid-natuur/er-gloort-een-groene-toekomst-voor-energie-uit-ijzerpoeder~b4425ccf/

https://nl.wikipedia.org/wiki/Energiedichtheid

https://www.metalot.nl/2017/05/05/ijzeren-brandstof/

https://nl.wikipedia.org/wiki/Metaalbrandstof

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261915011071#f0050