IJzerpoeder als nieuwe, duurzame brandstof

Waarom ijzerpoeder als we al duurzame brandstoffen hebben?

Het gebruik van fossiele brandstoffen als aardgas, diesel en steenkolen zorgt voor de uitstoot van enorm veel broeikasgassen. Het gebruik van deze energiebronnen heeft daarmee een grote rol gespeeld in de opwarming van de aarde.

Om de klimaatdoelen te halen en de opwarming van de aarde te beperken tot maximaal 1,5 graden, moeten we dus afstappen van deze vervuilende brandstoffen en omschakelen naar duurzamere alternatieven.

Bij personenauto's gaat dit redelijk: er komen steeds meer (hybride) elektrische auto's bij. En de eerste gezinswagen op zonne-energie, de Lightyear One, is ook al een feit. Toch gaat de omschakeling een stuk minder hard bij vrachtschepen en de zware industrie, een sector die in 2019 verantwoordelijk was voor meer dan de helft van de uitstoot van alle broeikasgassen in Nederland.

Dit komt vooral omdat er nog te weinig duurzame energie wordt opgewekt om grote fabrieken in de toekomst draaiende te kunnen houden op elektricteit. Daarnaast slaan batterijen nog te weinig stroom op om schepen volledig groen te kunnen laten varen. Als we dus de klimaatdoelen willen halen, hebben we een nieuwe, krachtige en duurzame brandstof nodig waardoor ook deze sectoren kunnen verduurzamen.

Onderzoekers aan de TU/e zeggen een slimme oplossing te hebben uitgevonden: ijzerpoeder als dé groene, CO₂-vrije en circulaire brandstof van de toekomst.

"We doen als mensheid al eeuwen aan metaalverbranding. Denk aan vuurwerk, ontwikkeld door de Chinezen. Maar hoe het allemaal precies werkt, dat weten we pas sinds enkele jaren", zegt hoogleraar verbrandingstechnologie Philip de Goey.

Collega-hoogleraar Niels Deen vervolgt: "Er was altijd een simpeler alternatief: fossiele brandstoffen. Als die ruim beschikbaar en goedkoop zoek je niet snel naar alternatieven. Maar we hebben nu de tijdgeest mee."

IJzerpoeder als brandstof: hoe werkt dat?

Deen legt uit: "Zie het ijzerpoeder als een opgeladen batterij. Bij verbranding haal je de energie eruit en blijft er een lege batterij over in de vorm van roest. Als je van de roest opnieuw ijzerpoeder maakt, heb je de batterij weer opgeladen. Dat kun je telkens herhalen."

De revolutionaire verbrandingstechniek werkt als volgt:

• Eerst wordt ijzerpoeder gecombineerd met lucht.
• Vervolgens wordt het poeder-luchtmengsel naar een verbrandingskamer overgebracht. Daar wordt de combinatie ontstoken en onstaat er een enorme ijzeren vlam. De vonk is heel heet: zo'n 2.000 graden Celcius.
• De warmte die door de vlam wordt gegenereerd wordt gebruikt om stroom op te wekken, bijvoorbeeld via een Stirlingmotor - een verbrandingsmotor met een zuiger en een cilinder.
• In de warmtewisselaar wordt ook energie opgevangen. Het hete gas wordt gebruikt om water op te warmen en stoom te genereren.
• Bij de verbranding van het ijzerpoeder komt geen CO₂ vrij, alleen ijzeroxide (roest). Via een centrifuge wordt het roestpoeder gescheiden en op de bodem opgevangen.
• Deze roest kan vervolgens weer worden omgezet in ijzerpoeder. Dat gebeurt door er energie doorheen te blazen. Wanneer groene stroom gebruikt, zoals windenergie, dan stoot het recyclen geen CO₂ uit. Volgens Tim Spree, projectleider, ligt het geschatte rendement van de emissievrije productie/regeneratie van ijzerpoeder op 65%. Dat betekent dat er ongeveer één derde van het gebruikte stroom verloren gaat bij het recyclen van roestpoeder naar ijzerpoeder.
• Het hele proces begint nu weer van voren af aan.

Drie toepassingen: mobiliteit, industrie en kolencentrales

Het onderzoeksteam heeft verschillende prototypes gebouwd en de techniek wérkt. Nu moet de installatie nog commercieel aan de man worden gebracht. De onderzoekers denken zelf aan drie concrete toepassingen van de techniek: transport, industrie en kolencentrales.

Mobiliteit

In een online hoorcollege legt Deen uit hoe hij denkt dat we over tien jaar zullen tanken.

"Stel dat je in de toekomst naar Amsterdam wilt rijden. Dan haal je een cassette van ongeveer 10 kilogram met ijzerpoeder bij het tankstation. Die stop je in je auto. Je rijdt naar Amsterdam heen en terug, dan hou je een cassette met roestpoeder over. Dit verbrande ijzer is nu 15 kilogram. Die breng je terug naar het tankstation, waar de cassette weer wordt opgeladen met duurzame energie en het opnieuw kan worden getankt door een andere automobilist", aldus Deen.

Een groot nadeel van ijzerpoeder is echter dat het heel zwaar is: het weegt ongeveer twee keer zoveel als benzine. Maar het is wel veel lichter dan batterijen. Daarom ziet De Goey vooral kansen op korte termijn voor ijzerpoeder als brandstof in grotere voertuigen voor transport. "Batterijen werken voorlopig wel voor auto’s, maar niet voor vrachtvervoer of schepen. Denk aan een enorme vrachtwagen: om 700 liter diesel te vervangen is ongeveer vijftien ton batterijen nodig", volgens De Goey.

Om al die batterijen kwijt te kunnen is er geen ruimte meer voor de vracht. Elektrische vrachtwagens werken dus nog niet, voor dit soort voertuigen biedt ijzerpoeder een uitkomst.

Maritieme scheepsvaart

Vooral voor schepen zijn innovatieve brandstoffen nodig. Grote schepen worden momenteel aangedreven door zware stookolie. Dit resulteert in een enorme uitstoot van CO₂ en een heleboel andere gevaarlijke chemicaliën. Uit onderzoek blijkt zelfs dat grote cruiseschepen evenveel CO₂ uitstoten als 84.000 auto's. Daarom is een cruise de meest vervuilende vakantie die er bestaat.

De internationale scheepvaart moet zijn CO₂-uitstoot in 2050 met 50% hebben verminderd, ten opzichte van 2008. Dit doel kan vrijwel alleen worden gehaald als men overstapt op alternatieve brandstoffen, zoals ijzerpoeder. De Goey zegt dat SOLID momenteel bezig is met het ontwikkelen van een prototype schip dat vaart op fijngemalen ijzerpoeder.

Industrie

Ook voor de zware industrie ziet De Goey veel mogelijkheden voor metaalpoeder als energieoplossing. Met name voor bedrijven die hoge temperaturen nodig hebben voor chemische processen. Denk bijvoorbeeld aan het maken van bakstenen uit klei, dat gebeurt bij temperaturen van circa 1.200 graden Celsius. Het kost enorm veel energie om de oven zo warm te krijgen met stroom uit het stopcontact. Stoken met ijzerpoeder gaat een stuk sneller en is vele malen duurzamer.

De eerste industriële toepassing van ijzerpoeder is overigens al een feit. In de Bavaria-brouwerij van Swinkels Family Brewers wordt tegenwoordig bier geproduceerd met ijzerbrandstof. Hiervoor werd fossiele warmte gebruikt, maar dat stootte te veel CO₂ uit waarna de brouwerij de overstap waagde.

Kolencentrales

Ten slotte denken de onderzoekers dat we onze kolencentrales kunnen ombouwen tot enorme circulaire ijzerpoederaccu's. Uiterlijk in 2030 moeten Nederlandse energiebedrijven stoppen met het stoken van kolen.

Deen: "Als je grote Nederlandse kolencentrales sluit, is dat een enorme kapitaalvernietiging. Als je deze echter kunt ombouwen zodat ze kunnen worden gebruikt om energie op te wekken met ijzerpoeder wordt het gebruik van deze brandstof aantrekkelijk voor energiebedrijven." Het ombouwen van kolencentrales om ijzerpoeder te verbranden vergt echter veel tijd en geld. Volgens team SOLID duurt het zo'n 10 jaar voordat de eerste werkende ijzerpoedercentrale een feit is.

Het vermogen van ijzerpoeder om energie voor een lange periode vast te houden is hierbij een belangrijk voordeel. Waar batterijen ideaal zijn voor kortdurende energieopslag is ijzer zeer geschikt voor langdurige opslag. Dit is belangrijk want we moeten ook kunnen beschikken over duurzame energie tijdens donkere, windstille dagen. Het kunnen opslaan van duurzame energie voor een lange periode is daarom van cruciaal belang voor een succesvolle energietransitie.

Hoe haalbaar en duurzaam is ijzerpoederbrandstof?

Metaalpoeder als circulaire, koolstofvrije en duurzame brandstof klinkt als toekomstmuziek. Hoe haalbaar en duurzaam is het nou echt?

Om alle vrachtauto’s, schepen, fabrieken en kolencentrales van voldoende ijzerpoeder te voorzien hebben we heel veel fijngemalen ijzer nodig. IJzererts is een van de meest voorkomende elementen op de aarde, maar hoe zit dat met ijzerpoeder?

De Goey in een interview met het AD legt uit: "Er zijn nu zo’n tien leveranciers wereldwijd. Met het huidige aanbod zou je nu tien kolencentrales kunnen ombouwen en van ijzerpoeder voorzien. Maar als de markt erom vraagt, is er snel meer aanbod." Deen vervolgt: "Het grote voordeel is dat je dat poeder één keer maakt. Je kunt het constant hergebruiken. IJzer blijft ijzer."

Op dit moment is er dus te weinig ijzerpoeder in omloop, waardoor er nieuw ijzererts moet worden gedolven. Een groot probleem is dat de milieu-impact van ijzerertswinning enorm is: er komen veel emissies vrij bij de opgraving, transport en verwerking van ijzererts tot ijzerpoeder. Daarnaast leidt de winning in veel gebieden tot waterschaarste en -vervuiling. Verre van duurzaam dus.

Ook is het belangrijk om te noemen dat het overgebleven roestpoeder moet worden opgeladen met stroom om er weer ijzerpoeder van te maken. Als dit wordt gedaan met grijze stroom, bijvoorbeeld met kolen of gas, dan is ijzerpoederbrandstof niet de koolstofvrije brandstof die het claimt dat het is.

Kortom: er is nog veel werk aan de winkel voordat we ijzer in onze auto kunnen gooien of kolencentrales zijn omgebouwd tot ijzerpoedercentrales. Maar in de tussentijd kunnen we alvast wel van een biertje gebrouwd met ijzerpoeder genieten.