Thema

 

Metaal als brandstof

Het is bijna te mooi om waar te zijn. Metaalpoeders kunnen worden gebruikt als emissievrije brandstoffen. Kolencentrales kunnen worden omgebouwd naar enorme circulaire ijzerpoederaccu’s en voor vergroening van vrachtauto’s en schepen lijken metaalbrandstoffen een alternatief voor loodzware batterijen. Professor Philip de Goey: ‘Het zou geweldig zijn als we in Nederland op dit vlak koploper worden in de wereld.’

Wim Raaijen

geanimeerde-knop

Het verbranden van metalen. Het lijkt wat vreemd, maar de Chinezen doen het al eeuwen in vuurwerk. Daarin worden metalen vooral gebruikt voor de kleuren. Zo zorgt bijvoorbeeld koper voor groen en magnesium voor wit. Wat er feitelijk gebeurt, is dat metaalpoeder met zuurstof reageert, ofwel oxideert. Er ontstaan dan heel veel kleine roestdeeltjes. Groen is de kleur van koperroest.
Deze verbranding is mogelijk bij heel veel metalen, bijvoorbeeld ook bij ijzer, stelt professor Philip de Goey van de TU Eindhoven. Metalen oxideren namelijk heel goed. Verbranden lukt niet bij grotere stukken ijzer, maar wel als het wordt verpoederd. De Goey: ‘Denk aan deeltjes van vijf tot tien micron.’
Bovendien gaat het bij verbranden om een exotherme reactie, een omzetting waar veel warmte bij vrijkomt. En wat nog veel mooier is: roest kan ook weer terug reageren naar metaalpoeder. Reductie heet dat in de scheikunde. Daar is veel elektrische energie voor nodig. Dat maakt deze cyclus van oxidatie en reductie wel uitermate geschikt voor de opslag van energie. Zonder uitstoot van CO2.

Waterstof
Het is reden genoeg voor een grote autofabrikant als Peugeot om te experimenteren met magnesium als brandstof voor auto’s. Dat de aandrijving van auto’s in de toekomst elektrisch zal gebeuren, daar zijn de meeste deskundigen het wel over eens. Maar de vraag is vooral hoe auto’s voldoende energie mee gaan nemen. Er wordt momenteel veel onderzoek gestoken in de verbetering van lithium-ion batterijen, maar die zijn vooralsnog duur, zwaar en leveren nog een beperkte actieradius. Er wordt ook veel gespeculeerd over groen waterstof als autobrandstof van de toekomst. De energiedichtheid van dit gas is echter laag. Zelfs ten opzichte van andere gassen als methaan (aardgas), propaan en butaan legt waterstof het af. Helemaal als het wordt vergeleken met vloeibare brandstoffen. Het voordeel van waterstof is dat het geen CO2 uit stoot. Dat voordeel hebben metaalbrandstoffen ook. En vaste stoffen kunnen per volume-eenheid nog meer energie dragen dan vloeistoffen. Bovendien is metaalpoeder en in het bijzonder ijzerpoeder goedkoop.

Te zwaar
Voor mobiliteit ziet De Goey daarom zeker mogelijkheden voor metal fuels. ‘Met ijzerpoeder kun je in de helft van het volume van benzine evenveel energie meenemen. IJzerpoeder is echter wel tweemaal zo zwaar.’ Maar wel weer veel lichter dan batterijen. Daarom ziet De Goey vooral grote mogelijkheden bij grotere voertuigen. ‘Voor auto’s werken batterijen voorlopig wel, maar voor vrachtvervoer en schepen is dat echt anders. Neem bijvoorbeeld een grote truck: als vervanging van zevenhonderd liter diesel heb je zo’n vijftien ton aan batterijen nodig; dat gaat dus niet werken.’ Helemaal voor schepen zijn goede innovatieve oplossingen gewenst. Grote boten varen op zware stookolie. Dat levert enorme emissies op van niet alleen CO2, maar ook veel andere schadelijke stoffen. Metaalbrandstoffen kunnen oplossing bieden.
Bij vliegtuigen ligt dat overigens anders. Daar zijn batterijen, maar ook metal fuels vooralsnog te zwaar voor. De Goey: ‘Vloeibare brandstoffen zullen daar nog lang nodig zijn, misschien bio- of synthetische alternatieven voor kerosine.’

Minder ruimte
Ook in de industrie en de energiesector ziet De Goey veel toepassingsmogelijkheden voor metaalpoeder als energieopslag. Zeer concreet onderzoek doet de vakgroep van De Goey naar de mogelijke ombouw van kolencentrales naar ijzerpoedercentrales. Sterker nog, binnenkort wil de TU Eindhoven beginnen aan de bouw van een testfaciliteit voor ijzer als brandstof voor energiecentrales. Energiebedrijf Uniper, een afsplitsing van het Duitse E.on, ondersteunt het project. Uniper ziet mogelijkheden in ijzerpoeder als alternatieve brandstof voor zijn nieuwe kolencentrale, MPP3 op de Maasvlakte, die in 2016 werd geopend. Uiterlijk 2030 moeten energiebedrijven van de Nederlandse overheid stoppen met het stoken van kolen.
Het grote voordeel van ijzerpoeder is de mogelijkheid om energie voor langere tijd op te slaan. Met de groei van duurzame energiebronnen als wind en zon is de grote uitdaging voor de toekomst seizoensopslag. Batterijen zijn vooral geschikt voor korte cycli. Bijvoorbeeld overdag zonne-energie opslaan om ’s avonds te gebruiken voor verlichting. ’s Zomers opgewekte zonne-energie moet echter beschikbaar zijn op donkere, windstille winterse dagen. Langdurige energieopslag is cruciaal voor het succes van de energietransitie naar duurzame bronnen.
Ook op dit vlak is waterstof een veel genoemd medium voor seizoensopslag. Maar ook hier kan de lage energiedichtheid parten spelen. Het is lastig om waterstof in grote hoeveelheden op te slaan. Bij opslag voor de lange termijn is er bij gebruik van ijzerpoeder in ieder geval veel minder ruimte nodig.

De Goey: ‘Kolenbranders kunnen ook prima worden ingezet als metaalbranders.’

Lees meer: Proces

IJzerpoeder kan als brandstof in een gesloten cyclus worden gebruikt. Verbranden betekent immers oxidatie. De ijzeroxide (roest) die na verbranding ontstaat, kan weer worden gereduceerd tot ijzerpoeder. Dat kan vervolgens opnieuw als brandstof worden ingezet. Om dit proces helemaal circulair te maken, is voor deze reductie dan wel duurzaam opgewekte stroom nodig.
Bij het proces is wel sprake van veel energieverlies (zie illustratie). De inschatting is nu dat de driekwart van de elektriciteit opgewekt door windmolens of zonnepanelen in het proces verloren gaat. De vraag is echter of dit werkelijk verlies is. De opgewekte energie wordt opgeslagen in periodes dat er niet of nauwelijks vraag is. Zonder opslagmogelijkheid hadden windturbines moeten worden stilgezet en was er helemaal geen stroom opgewekt.

(Bron: Jip Krens/TU Eindhoven)

De Goey: ‘Het zou geweldig zijn als Nederland op dit vlak koploper wordt.’

Levensvatbaarheid
De Goey denkt dat een groot deel van bijvoorbeeld de kolencentrale op de Maasvlakte dienst kan doen in een omgebouwde ijzerpoedercentrale. ‘Kolenbranders kunnen ook prima worden ingezet als metaalbranders. De belangrijkste aanpassing is dat roestdeeltjes worden opgevangen, om weer omgezet te worden in ijzerpoeder. De centrale moet een gesloten systeem worden. We willen natuurlijk geen emissie van roestdeeltjes naar de buitenlucht.’ Natuurlijk kost de ombouw wel wat. De Goey kan nog geen concrete bedragen noemen, maar zeker is wel dat de kapitaalvernietiging bij volledige sluiting van de centrale veel hoger zal uitvallen.
De proefinstallatie wordt gebouwd op het terrein van zinkfabrikant Nyrstar in Budel. Daar verrijst een speciale campus voor onderzoek naar metalen en energie: Metalot 3C. Voor de tests zijn enkele miljoenen nodig. Bij de NWO loopt een subsidieaanvraag voor zes miljoen euro en daarnaast moet er twee miljoen euro beschikbaar komen via een groep van partners. Overigens zijn naast Uniper ook partijen als Tata Steel zeer geïnteresseerd in het onderzoek. De Goey heeft goede hoop dat de subsidies doorgaan en de tests later dit jaar kunnen beginnen.
De hoogleraar heeft veel vertrouwen in de mogelijkheden van ijzerpoeder als vervanger van kolen in energiecentrales. ‘Over tien jaar zou zo’n centrale er kunnen staan. Misschien zelfs eerder, als er maar voldoende geld beschikbaar is.’ Technisch lijkt veel mogelijk. De levensvatbaarheid zal echter vooral afhangen van de kosten per megawattuur geproduceerde elektriciteit. Vraagteken daarbij is bijvoorbeeld wat duurzame elektriciteit gaat kosten in periodes van overtollige productie. Sowieso is het belangrijk dat Nederland vaart maakt met offshore-windparken en zonnecentrales. Er moet natuurlijk wel voldoende groene stroom worden geproduceerd.

Elektrolyse
Dat Metalot 3C is neergestreken op het terrein van zinkfabrikant Nyrstar in Budel is niet geheel toevallig. Ook zink is een interessant metaal voor energieopslag. Bovendien is de zinkfabrikant continu op zoek naar mogelijkheden om haar enorme energiebehoefte te vergroenen. Ze heeft haar terrein daarom opengesteld voor onderzoekspartijen en technostarters die willen bijdragen aan de energietransitie.
In maart dit jaar werd bovendien bekend dat Nyrstar samen met de provincie Noord-Brabant gaat investeren in een gigantisch zonnepark. Op het terrein in Budel komen dit jaar maar liefst 170.000 zonnepanelen. Het zonnepark kost ongeveer 36 miljoen euro en moet jaarlijks 48 megawattuur stroom opleveren. Dit staat gelijk aan het energiegebruik van 16.000 huishoudens. Vooralsnog is de opgewekte stroom is voor gebruik van de consument.
Tegelijkertijd onderzoekt Nyrstar samen met de vakgroep van De Goey de mogelijkheid om de zonne-energie op te slaan in zinkpoeder. Zodat de energie continu voor de zinkfabriek beschikbaar is, en niet alleen als de zon schijnt. Nyrstar in Budel heeft een continue vraag van 150 megawatt aan stroom – evenveel als de stad Eindhoven – onder andere voor elektrolyse. Een proces dat gewoonweg niet efficiënter kan. De Goey: ‘Het totale energieverbruik van de fabriek vergroenen met de combinatie van zonne-energie en zinkpoeder zal niet lukken, maar wellicht dat een tiende mogelijk is.’

Voorsprong
Nog maar een paar jaar geleden stapte Philip de Goey met zijn vakgroep in het onderzoek naar metaalbrandstoffen. Hij wordt met de dag enthousiaster als hij naar de mogelijkheden kijkt. ‘Het zou geweldig zijn als we in Nederland op dit vlak koploper worden in de wereld. Er zijn momenteel vijf, misschien zes plaatsen in de wereld waar serieus onderzoek wordt gedaan naar metal fuels. Bijvoorbeeld in Canada, Duitsland en Zweden. Door nu het voortouw te nemen, kunnen we een voorsprong opbouwen.’

Video
Share

Your name

Your e-mail

Name receiver

E-mail address receiver

Your message

Send

Share

E-mail

Facebook

Twitter

Google+

LinkedIn

Sign up

Your name

Your e-mail

Sign up