IJzerpoeder als energiedrager

Het toekomstige energiesysteem is nog niet uitgekristalliseerd. Het berust grotendeels op zon en wind; maar dit zijn onhandige energiebronnen, doordat ze soms teveel, soms te weinig energie leveren. We hebben opslag van energie nodig, om het teveel te benutten en om perioden van tekorten te overbruggen. Een nieuwe optie voor zulke opslag: ijzerpoeder. Met zijn eigen sterke en zwakke punten.

De basis

IJzerpoeder reageert met zuurstof tot ijzeroxide, roest: 4 Fe + 3 O₂ à 2 Fe₂O₃. Met veel warmteproductie. Zó veel dat per eenheid van volume de productie van warmte in de buurt komt van die van aardgas en benzine. En per eenheid van gewicht is ijzer veel beter dan lithium-ion accu’s. Metaalpoeder en lucht worden in een verbrander geïnjecteerd en tot ontbranding gebracht. De gevormde roest wordt met een cycloon gescheiden van de hete lucht en opgevangen in een voorraadtank. De gloeiend hete lucht kunnen we gebruiken voor industriële processen, voor elektriciteits- of warmteproductie of voor de aandrijving van machines of voertuigen.

Het gebruik van ijzerpoeder als energieopslag wordt momenteel ontwikkeld door RIFT (Renewable Iron Fuel Technology), een spin-off van de TU Eindhoven. Bij het proces ontstaat roestpoeder, dat we met waterstof weer kunnen omzetten in ijzerpoeder. Zo ‘laad je het poeder weer op’. IJzerpoeder is kortom een circulaire brandstof. Energie wordt opgeslagen in de vorm van ijzer, benut bij de verbranding; en ijzer wordt weer teruggewonnen bij het proces van ‘opladen’.

IJzerpoeder in de energie-transitie

Mark Verhagen, CEO van RIFT, zegt tegen de site van de TU/e dat ijzerbrandstof de energievoorziening zal verduurzamen. ‘Voor industriële processen en warmtenetten zijn grote hoeveelheden energie nodig. Duurzame alternatieven als elektriciteit en waterstof kunnen daarin niet altijd voorzien. In deze sectoren zijn alternatieven zoals ijzerpoeder dus heel belangrijk,’ zegt hij. En Philip de Goey, hoogleraar verbrandingstechnologie, noemt ijzerpoeder ‘een van de meest veelbelovende oplossingen voor de energietransitie, omdat het gemakkelijk en veilig te vervoeren is en kan worden opgeslagen in grote hoeveelheden.’

De technologie is nu zo ver dat RIFT een testinstallatie heeft gebouwd van 1 MW. Een testboiler die ijzerpoeder verbrandt, in Helmond. En een installatie die roestpoeder weer omzet in ijzerpoeder in Arnhem. samen met warmtebedrijf Ennatuurlijk gaat RIFT 500 huishoudens van energie voorzien met ijzerbrandstof.

De voordelen van ijzerpoeder

Start-up RIFT is ontstaan vanuit het studententeam SOLID van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e). Eerst testten zij het systeem in de fabriek van familiebrouwerij Swinkels, waar ze Bavaria bier maken. Volgens Verhagen zijn studententeams belangrijke aanjagers voor nieuwe technologieën als ijzerbrandstof. En nu hij CEO is van RIFT, vult hij deze enthousiaste teams graag aan met ervaren oudere krachten.

Het grote voordeel van het gebruik van ijzerpoeder als brandstof is natuurlijk dat er geen CO₂ ontstaat bij het proces van warmteproductie. Maar ijzer is alleen een opslagmedium voor energie – dus is het van groot belang hoe de rest van de cyclus eruit ziet. Zowel in energie-efficiency en CO₂-productie als in financieel rendement. En daarover bestaan nog stevige meningsverschillen. Er is nader onderzoek nodig om zulke gegevens te weten te komen.

Ten eerste moeten we natuurlijk een goede keuze maken voor de regerenatie van roest tot ijzer. We kunnen dat niet met koolstof doen, zoals in een hoogoven, want dan ontstaat CO₂. We moeten regenereren met duurzaam geproduceerde waterstof. Niet gemaakt via CO + H₂O à CO₂ + H₂, maar door elektrolyse van water met duurzaam opgewekte elektriciteit. Deze reductie van ijzererts met waterstof sluit aan bij de beweging in de ijzerindustrie. Om hun uitstoot van CO₂ te verminderen kiest Tata Steel in IJmuiden bijvoorbeeld niet voor CCS, maar direct voor gebruik van waterstof. Ook Thyssenkrupp in Duitsland en SSAB in Zweden hebben verregaande plannen in die richting.

IJzer als opgeslagen waterstof

We kunnen waterstof zien als tussenstap. Maar we kunnen omgekeerd het ijzerpoeder ook beschouwen als bewaard waterstof. Weliswaar zwaarder, maar ook veel gemakkelijker te hanteren. Al betekent het gebruik van zo’n tussenstap dat dit proces qua rendement (energetisch, financieel) moet concurreren met het direct gebruik van waterstof. Het proces moet qua rendement trouwens concurreren met veel méér alternatieven. Bij de opslag van zonne- en windstroom bijvoorbeeld met vraagsturing, accu’s en pompopslagcentrales. Bij de levering van CO₂-neutrale warmte vooral met direct gebruik van elektriciteit.

Bovendien zijn de technische aspecten van het gebruik van ijzerpoeder nog lang niet onder de knie. We moeten het poeder met grote precisie in de brander blazen, om te verzekeren dat het volledig wordt verbrand. Dat er daarbij een groot volume roest neerslaat dat moet worden verzameld, geeft ook technologische uitdagingen. Zoals erosie van de apparatuur door vaste ijzer- en roestdeeltjes.

De cyclus

En dan is de vraag: waar gaan we de roest regenereren? Misschien wel in zonnige streken bij de evenaar. Dan kunnen we in elk geval bestaande infrastructuur gebruiken. We bouwen dan olietankers om tot ijzertankers. We moeten het ijzerpoeder wel in een beschermende atmosfeer vervoeren, om te voorkomen dat het voortijdig verwordt tot roest. Maar ook voor deze cyclus zijn er concurrenten, zoals het gebruik van de energiedragers ammoniak, methanol en wederom waterstof. Die ter plaatse kunnen worden gemaakt en niet hoeven te worden vervoerd naar zonnige streken voor regeneratie.

En dan is er de vraag: hoe komen we aan ijzerpoeder? Bij het bestaande proces van ijzerproductie komt veel CO₂ vrij. Door reactie van ijzererts met koolmonoxide: Fe₂O₃ + 3 CO à 2 Fe + 3 CO₂. Ook ijzer moeten we dus duurzaam gaan produceren, met behulp van emissievrij geproduceerde waterstof: Fe₂O₃ + 3 H₂ à 2 Fe + 3 H₂O. En tenslotte moet ijzer nog tot ijzerpoeder worden vermalen. Een proces dat ook energie en geld kost. Kortom, de technische route naar de ijzercyclus is nog lang niet doorontwikkeld. En die route moet zich nog bewijzen in de concurrentie met alternatieven voor de opslag van energie.

Hoe levensvatbaar is ijzerpoeder als brandstof?

Op internet is daardoor een discussie op gang gekomen naar de levensvatbaarheid van dit proces. Wat is het totale rendement van warmteproductie met ijzerpoeder als tussenstap? De productie van duurzame waterstof uit elektrolyse van water levert al verliezen op, het rendement is ongeveer 75%. De totale cyclus van ijzerverbranding plus regeneratie zou dan misschien een rendement kunnen halen van 65%. Het rendement van de productie van proceswarmte uit het verbranden van ijzer zou 85-90% kunnen zijn. Voor de volledige cyclus, zoals nu in het klein beproefd bij Bavaria, is dan misschien 55-59% haalbaar. Is dat genoeg? En voor welke toepassingen?

Over twee jaar wil RIFT een installatie voor ijzerbrandstof maken van 5 MW. Hiervoor is al een intentieverklaring getekend met Veolia Industriediensten. Verhagen: ‘Ik zie ijzerbrandstof naast windmolens, zonnepanelen en waterstof als een belangrijk duurzaam alternatief voor fossiele brandstoffen. Onze doelstelling is dat we de zware industrie wereldwijd kunnen decarboniseren met ijzerbrandstof.’

Interessant? Lees dan ook:
Goedkope energieopslag in de versnelling
Energieopslag in de transitie
Energiebeleid: kies niet alleen koolstofarm – schep een nieuw energiesysteem