IJzerpoeder als nieuwe, duurzame brandstof
Onderzoekers aan de TU Eindhoven maken van ijzer een nieuwe, CO2-vrije en circulaire brandstof.
11-08-2021 - door Birger
Wit vuurwerk
We verbranden al eeuwenlang metalen, zoals ijzer in vuurwerk. Maar we weten pas sinds kort hoe het precies werkt.
Niet windenergie of zonne-energie is de duurzame energiebron van de toekomst, maar ijzerpoeder. Dat zeggen hoogleraren Niels Deen en Philip de Goey van team SOLID, een internationale club van 30 studenten en wetenschappers, verbonden aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e). IJzerpoeder stoot namelijk geen CO2 uit en kan telkens opnieuw worden gebruikt.
Deze nieuwe, duurzame brandstof is met name interessant voor de transportsector, de zware industrie en kolencentrales, die momenteel nog veel vervuilende fossiele brandstoffen gebruiken als diesel en aardgas. Maar hoe halen we energie uit ijzerpoeder? En hoe haalbaar en duurzaam is het? Wij vertellen je er graag meer over in dit artikel.
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."
Fijngemalen ijzererts is een krachtige, schone brandstof die geen CO2 uitstoot. | Foto: Bart van Overbeeke via SOLID
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.
In het filmpje hieronder van SOLID laten de onderzoekers het hele systeem zien en leggen ze precies uit hoe energie uit ijzerpoeder wordt gehaald.
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.