Energieopslag in ijzerpoeder bij Bavaria, innovatief maar inefficiënt

Ethan Hoover, via Unsplash Public Domain

Op het terrein van de Bavaria brouwerij te Lieshout installeert het Metal Power Consortium een warmtebron van 100 kilowatt die gebruikmaakt van ijzerpoeder als brandstof. De brander genereert stoom voor het brouwproces.

Circulaire energiebron met (te) veel cirkels

IJzer is net als benzine een brandstof. Waar benzine bij verbranding met zuurstof uit de lucht reageert tot waterdamp en CO2, reageert ijzer met zuurstof tot ijzeroxide. IJzeroxide is ook wel bekend als roest, of ijzererts.

Een ijzeren pan kun je desondanks veilig boven het gasfornuis houden. Het oppervlak van de pan dat in aanraking komt met zuurstof is te klein voor een felle reactie. Het Metal Power Consortium gebruikt fijn ijzerpoeder en blaast dat de brander in zodat wel een felle vlam mogelijk is. Net als elke vlam kan ook brandend ijzerpoeder zo dienen als industriële warmtebron.

Toevoeging 31 oktober 2020: Reactie van projectleider Metal Power inzake efficiëntie verwerkt in laatst alinea. Bedankt Tim Spee!


Schone energiedrager met een hoge energiecapaciteit

Philip de Goey, hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e), werkt al enkele jaren met deze bijzondere energiedrager. Sinds 2018 timmert ook studententeam Solid van de TU/e aan de weg om metaalbrandstoffen tot een succes te maken en inmiddels zijn naast brouwer Swinkels (voorheen Bavaria) onder meer ook energieconcern Uniper, metaalverwerker Nyrstar en specialist in verbrandingstechniek EMGroup aangehaakt.

Verenigd in het Metal Power Consortium onderzoeken deze partijen samen de kansen van ijzerpoeder als circulaire brandstof voor de energietransitie. “Wij denken dat ‘metal energy’ naast zonne- en windenergie best weleens een oplossing kan zijn voor de verduurzaming van de energievoorziening”, zegt Marthijn Junggeburth, program manager sustainability bij Swinkels tegen Fluids Processing. Het eerste voordeel van ijzerpoeder is dat bij verbranding geen CO2 ontstaat. De roest die wel ontstaat is net als het ijzerpoeder zelf een vaste stof en als zodanig redelijk eenvoudig terug te winnen.

De intentie is om het roestpoeder na de verbranding op te vangen en met hernieuwbare energie weer op te werken tot ijzerpoeder, dat opnieuw kan branden. Zo is het mogelijk om bijvoorbeeld wind- en zonne-energie in een gesloten cyclus in ijzerpoeder op te slaan. Hoewel ijzerpoeder een vrij zware vorm van energieopslag is, is de energiecapaciteit in termen van volume vrij hoog. Dat maakt opslaan en transporteren van grote hoeveelheden energie in theorie eenvoudig.

Op donderdag 29 oktober 2020 neemt Swinkels de proefinstallatie officieel in gebruik. De festiviteiten zijn via livestream te volgen


Interessante oplossing op zoek naar bijzonder specifiek probleem

Dat ijzerpoeder brandt zonder directe CO2-uitstoot en dat ijzerpoeder en ook de roest die bij verbranding ontstaan relatief eenvoudig te transporteren zijn, is een mooi startpunt voor een studentenproject. De interesse van de industriële partners binnen het Metal Power Consortium is echter wat moeilijker te plaatsen.

Nergens onmisbaar

De kwaliteiten van ijzerpoeder als compacte en (in potentie) CO2-neutrale energiedrager zijn namelijk mooi maar verre van uniek.

Als opslagmedium voor wind- en zonnestroom heeft ijzerpoeder concurrentie van onder meer vraagsturing, accu’s, pompopslagcentrales en waterstof. Als bron van CO2-neutrale warmte op hoge temperaturen heeft ijzerpoeder concurrentie van fossiele bronnen met CCS, biomassa, biogas, elektriciteit, kernenergie en opnieuw waterstof. Als middel om duurzame energie over zee te transporteren concurreert metaalpoeder met onder meer ammonia, methanol en wederom waterstof.

In geen van deze toepassingen doet ijzerpoeder iets overduidelijk beter dan de concurrerende opties. Lastig van ijzerpoeder is ondertussen dat het poeder met gecontroleerde verspreiding de brander ingeblazen moet worden om volledig te verbranden. Lastig is ook dat het reactieproduct niet als gas de schoorsteen uitvliegt maar neerslaat als roest. Dat samen vraagt om gespecialiseerde verbrandingsinstallaties, waarmee veel mis kan gaan.

Bovendien is het roestpoeder dat ontstaat zowel in gewicht als volume groter dan het ijzerpoeder waarmee de verbrandingsreactie begon. De zuurstof uit de lucht is nu samen het het originele volume ijzerpoeder opgeslagen in de roest. Als ijzerpoeder dient om goedkope duurzame energie bijvoorbeeld uit zonrijke landen te transporteren dan moeten er meer schepen terugvaren met roest dan er heen varen met ijzerpoeder. Als in plaats van ijzerpoeder waterstof of ammoniak wordt gebruikt voor energietransport dan zijn retourvrachten überhaupt niet nodig. Water en stikstof zijn overal beschikbaar.


IJzerpoeder is eerst en vooral een opslagmiddel voor waterstof

Nog veel spannender dan het verbranden van het ijzerpoeder is het duurzaam produceren ervan. IJzeroxide (roest of erts) verwerken tot ruwijzer is een energie-intensief proces waarbij hoge temperaturen nodig zijn en normaliter veel fossiele energie gebruikt wordt. De hoogovens in IJmuiden zijn met afstand Nederlands grootste puntbron van CO2-uitstoot.

Verduurzamen van de ijzerproductie is vooral moeilijk omdat de gebonden zuurstof chemisch uit de ijzeroxide (Fe2O3) moet wegreageren. Tata Steel in IJmuiden produceert uit steenkolen eerst koolmonoxide (CO) en laat dat met de ijzeroxide reageren tot ruwijzer (Fe) en CO2. De meest kansrijke methode om ijzeroxide zonder CO2-uitstoot om te zetten in ruwijzer is een reactie met emissievrij geproduceerde waterstof (H2). In plaats van CO2 ontstaat bij deze reactie waterdamp (H2O).

Onhandig afhankelijk

Terwijl ijzerpoeder in alle denkbare toepassingen direct concurreert met waterstof is er dus ook waterstof nodig om het ijzerpoeder te produceren.


Zeker 4 kWh windstroom nodig voor elke kWh poederstroom

De productie van duurzame waterstof is al een uitdaging op zich, met zowel uit elektriciteit als uit aardgas (dan wel met CCS) vrij grote conversieverliezen. Deze waterstof gebruiken om ijzer te maken, dit ijzer vervolgens vermalen, transporteren en verbranden maakt dat van de origineel opgeslagen duurzame energie amper nog iets overblijft. Zeker als je uiteindelijk, zoals energieconcern Uniper overweegt, opnieuw elektriciteit met het ijzerpoeder wil genereren.

Nooit efficiënter dan groene waterstof

De productie van waterstof via elektrolyse heeft een energetisch rendement van ruwweg 75% en de kolencentrales die Uniper zou willen ombouwen hebben op steenkool een rendement van 40-45%.

Stel dat deze elektriciteitscentrales na de ombouw naar ijzerpoederverbranding even efficiënt zijn en de rest van de energie-omzettingen van roest naar fijngemalen ijzerpoeder geen enkel energieverlies kennen, dan haalt deze keten een rendement van krap 33%. Maar natuurlijk kennen ook al die andere stappen energieverliezen. Mijn inschatting is dat Uniper in deze toepassing zeker 4 en misschien wel meer dan 6 kilowattuur (kWh) wind- of zonnestroom nodig heeft voor elke kWh ijzerpoederstroom. Dan is het niet alleen een omslachtige maar vrijwel zeker ook een irreëel dure vorm van energieopslag.

Al met al moet je wel heel graag iets met deze innovatie willen doen om ijzerpoeder te verkiezen boven de vele andere even duurzame opties. Tof natuurlijk dat studenten, Bavaria, Uniper en de rest van het Metal Power Consortium out of the box pionieren. Ook ik hoop dat het Metal Power Consortium goud in handen heeft. Maar ik zie het niet. Zelfs als alles ideaal loopt blijft het de vraag voor welk specifieke probleem ijzerpoeder nu echt een voor de hand liggende oplossing is.


Toevoeging 31 oktober 2020: Tim Spee, projectleider Metal Power namens de TU/e, heeft via Twitter en per mail gereageerd op dit artikel. De energetische efficiëntie van de emissievrije productie/regeneratie van ijzer schat hij in op 65%. De efficiëntie van de productie van proceswarmte uit het verbranden van ijzer op 85-90%. Voor de volledige cyclus – zoals nu in het klein beproefd bij Bavaria – kom je dan aan 55-59% rendement van wind- of zonnestroom naar stoom voor het brouwproces. Naar mijn inschatting een reële waarde, aan de optimistische kant maar niet onvoorstelbaar.

Genereren van elektriciteit uit circulair ijzerpoeder ligt volgens Spee nog wat verder in de toekomst.



Bron: Team Solid, Innovation Origins, TU/e, Fluids Processing / Imagecredit: Ethan Hoover, via Unsplash Public Domain

Thijs ten Brinck

Dit vind je misschien ook leuk...