IJzerpoeder als circulaire brandstof voor chemische processen

studententeam SOLID (Tu/e) onderzoekt potentieel van metal fuels als alternatieve energiedrager

Fossiele brandstoffen worden geweerd uit de industrie en transportsector omwille van hun vervuilende emissies, maar duurzame alternatieven hebben hun tekortkomingen qua energieopslag. Studententeam SOLID van de Technische Universiteit Eindhoven onderzoekt de mogelijkheden van ijzerpoeder als een schone en circulaire brandstof. IJzerpoeder is dankzij een hoge energiedichtheid geschikt voor toepassing in chemische processen.

 

fossiele brandstoffen breed inzetbaar maar vervuilend

Het is niet gek dat fossiele brandstoffen een sterke positie hebben weten te creëren in de industrie en transportsector. Het succes van fossiele brandstof kent zijn oorsprong in zijn brede toepasbaarheid als energiebron. Desondanks leidt het door zijn vervuilende emissies tot ongewenste neveneffecten die over de vele jaren van gebruik de klimaat­verandering tot gevolg hebben.

Duurzame alternatieven properder maar fluctuerend beschikbaar

In het bewerkstelligen van de energietransitie is de vraag naar alternatieven hoog. Hier bieden duurzame methodes van zowel energieopwekking als energieconsumptie het antwoord, door de afwezigheid van schadelijke emissies die bijdragen aan de klimaatverandering. Binnen het kader van duurzame technieken en methodes die het opwekken van energie bewerkstelligen wordt een gemeenschappelijk karakter blootgelegd: ze hebben een fluctuerende beschikbaarheid. Zo schijnt de zon niet altijd en waait de wind soms niet. Wanneer men vraag en aanbod van energie in kaart brengt, wordt duidelijk dat de pieken in vraag en aanbod niet altijd met elkaar overeenkomen. Deze inherente eigenschap van dergelijke technieken wordt beschouwd als een grote tekortkoming.

Chemische industrie vereist hoge temperaturen

In toevoeging hierop is de energievoorziening voor bepaalde indus­trieën door middel van elektriciteit, ongeacht hoe groen, vaak geen geschikte vervanger voor huidige methodes. Een voorbeeld hiervan is de chemische indus­trie, die een warmte van hoge temperatuur verlangt, wat algemeen inefficiënt gerealiseerd wordt via elektriciteit als energiebron. Het opnieuw definiëren van de knelpunten in de huidige energietransitie legt de fundering van waaruit de meerwaarde van een energiedrager kan worden beschouwd. Deze meerwaarde vindt men in een energiedrager die tot voor kort nog geheel onbekend was: metaalbrandstoffen. Metalen kunnen op vergelijkbare wijze als organische stoffen, zoals fossiele brandstof, een reactie aangaan met zuurstof.

IJzerpoeder als brandstof

Onder de vele metalen blijkt dat ijzerpoeder, om redenen die later aan bod komen, bijzonder geschikt is als een brandstof voor verscheidene toepassingen. De kracht en potentie van ijzerpoeder als brandstof ligt verscholen in een aantal eigenschappen. Zo is ijzerpoeder bijvoorbeeld niet alleen een schone, maar bovendien een circulaire brandstof. Het technische principe dat ten grondslag ligt aan deze kwaliteiten, kan het best worden beschreven aan de hand van de cyclus.

 

Beschrijving van de cyclus

Het ijzer wordt in fijne poedervorm tot ontbranding gebracht, waarbij het ijzer reageert met zuurstof om ijzeroxides te vormen. Bij deze verbranding ontstaat onder de juiste omstandigheden vrijwel uitsluitend het reactieproduct Fe₃O₄. Die ijzeroxides worden vervolgens gescheiden van de verhitte lucht in drie stappen:

• De warme lucht wordt eerst door een cycloon geleid waarin de lucht circuleert en zodoende de grotere deeltjes tegen de rand van de cycloon blaast.
• Vervolgens worden middels de vorm van de cycloon, een omgekeerde kegel, de deeltjes naar beneden geduwd om afgevangen te worden.
• Daaropvolgend wordt de stroming door de Rotating Particle Separator (RPS) geleid, die belast is met de verantwoordelijkheid voor het afvangen van de kleinere deeltjes. Voor uiterste zekerheid gaat de luchtstroom nog door een speciaal HEPA-filter.

De warme lucht, nu vrij van reactieproducten, laat zich op veel verschillende manieren toepassen. De ijzeroxides (roest) kunnen door middel van een reductieproces worden omgezet in ijzerpoeder.

Het reduceren omvat een chemisch proces waarbij het zuurstofatoom in ijzeroxides reeageert met een andere stof zodat uitsluitend ijzer als eindproduct overblijft. Deze techniek bestaat al en wordt toegepast voor het verkrijgen van ijzer uit ijzererts. Hier reduceert men het ijzererts met koolstofmonoxide (CO), zodat een reactie plaatsvindt waarbij het zuurstofatoom (O) bindt aan het koolstofmonoxide om koolstofdioxide (CO₂) te vormen. Dit is door de emissie van CO₂ een vervuilend proces en daarom zijn nieuwe innovaties in ontwikkeling om reduceren met waterstof (H₂) mogelijk te maken. Het reduceren met waterstof verloopt op vergelijkbare wijze, echter bindt het zuurstofatoom aan de waterstofatomen. De onderstaande reactie­vergelijkingen geven deze processen weer. Met water als reactieproduct kunnen we dus op duurzame wijze reduceren. Om de complete cyclus groen te houden, kunnen we het eerdergenoemde energie overschot, verkregen door onder andere zon en wind, gebruik­en voor het produceren van waterstof. Zodanig is de cyclus zowel gesloten als groen en fungeert het ijzerpoeder als energiedrager. Hoewel deze cyclus in scheikundige zin niet vergelijkbaar is met een batterij, deelt dit proces wel twee van zijn kenmerken: opladen en ontladen. Hierbij kunnen we het reduceren opvatten als het opladen van de batterij en het verbranden als het ontladen van de batterij, allebei op schone wijze.

1) Fe₃O₄ + 4CO → 4CO₂ + 3Fe
2) Fe₃O₄ + 4H₂ → 4H₂O + 3Fe

veelbelovend in een breed scala aan chemische processen

De warmte die vrijkomt tijdens de verbranding, kent zijn toepassing in een breed scala aan chemische processen. Daarbovenop is ijzerpoeder ook geschikt voor het opwekken van elektriciteit of om te voorzien in de energiebehoefte van transport in de maritieme sector. Naast de voordelen van circulariteit en schone energievoorziening zijn er nog meer redenen waarom ijzerpoeder veelbelovend is.

Element ijzer ruimschoots aanwezig

Ten eerste is het belangrijk dat de gekozen brandstof reageert met een element dat van nature al ruimschoots aanwezig is in de lucht en het product op een veilige manier af­gevangen en hergebruikt kan worden.

Relatief hoge volumetrische energiedichtheid

Ten tweede is het essentieel dat de energiedichtheid van een brandstof passend is voor de gekozen toepassing. IJzerpoeder heeft een relatief hoge volumetrische energiedichtheid, in de buurt komend van veel fossiele brandstoffen, en is daarom een geschikte vervanger voor fossiele brandstof in energie-intensieve ondernemingen. Ook levert de verbranding van ijzerpoeder een hoge temperatuur, zoals veel benodigd in de chemische industrie, en is het in tegenstelling tot veel andere metalen rijkelijk aanwezig op onze planeet, wat essentieel is voor het grootschalig implementeren van metaalbrandstoftechnologie.

Lage reactiviteit voordeel bij opslag en tranport

De lage reactiviteit van ijzerpoeder maakt dat de energie makkelijk en hierdoor goedkoop, voor langere termijn op te slaan en te vervoeren is.

studententeam Solid

Het idee van metalen die fungeren als energiedrager is afkomstig uit een wetenschappelijke publicatie in 2015 aan de McGill University (Canada). Kort daarna inspireerde dit ook mensen in Nederland en werd in 2016 het studententeam SOLID opgericht. Dat is een interdisciplinair studententeam van de Technische Universiteit Eindhoven dat zich actief inzet voor het realiseren van dit innovatieve en vooruitstrevende concept, ijzerpoeder als een alternatieve energieopslag.

Ecosysteem rond ijzerpoeder

Vanuit de kennis dat de technologie op zichzelf niet de sleutel vormt tot het groene succes waarnaar SOLID streeft, zet het team zich ook in voor het opbouwen van het ecosysteem rondom ijzerpoeder. SOLID past de ontwikkelde metaalbrandstoftechnologie toe in verschillende projecten.

Eerste project bij bierbrouwer

Zo wordt een eerste industriële installatie geconstrueerd (100 kW), via een samenwerking binnen het Metal Power-consortium. Dat consortium bestaat uit Heat Power, EM Group, Romico Engineering Solutions, Metalot3C, Technische Universiteit Eindhoven, Enpuls, Uniper, Nyrstar en SOLID, en is mede gefinancierd door de Provincie Noord Brabant. De installatie zal in mei 2020 haar werking demonstreren door het bierbrouwproces van Bavaria te voorzien van stroom.

Tweede project rond halveren CO₂-uitstoot in scheepvaart

Met de demonstratie van die unieke energiecentrale in zicht gaat SOLID op zoek naar de volgen­de uitdaging op het gebied van metaalbrandstoffen. Met het klimaatakkoord, dat de internationale scheepvaart verplicht tot het halveren van de CO₂-uitstoot in 2050 ten opzichte van 2008 en een tussentijds doel van 40% vermindering in 2030, opent dit de deur naar nieuwe mogelijkheden voor SOLID en metaalbrandstoffen. SOLID ziet zijn kans schoon om de volgende stap te zetten in de ontwikkeling van metaalbrandstoffen door het concept toe te passen op een schip. De warmte die vrijkomt bij verbranding wordt gebruikt om het schip voort te stuwen.

Belangrijke rol in de energietransitie

Met de missie van SOLID om schone en hernieuwbare energie beschikbaar te maken voor iedereen op ieder moment, is het team ervan overtuigd dat metaalbrandstoffen een belangrijke rol gaan spelen in de energietransitie.