Op het veld van de energietransitie manifesteert zich een nieuwe speler: ijzerenergie. IJzer kun je verbranden en daarmee warmte produceren. Vervolgens kun je het overblijvende ijzeroxide weer opwerken tot ijzer door energie toe te voegen. De technologie is schoon en het grondstofgebruik circulair. Naast verbranding met een vlam kunnen ijzer en ijzeroxide circulair worden toegepast voor chemische oxidatie en reductie. Dat kan in de vorm van een batterij. Vooral ook kansrijk lijkt ijzer als drager van overzees geproduceerde waterstof.
Het begint allemaal met ijzererts. Een ruwe grondstof die bestaat uit ijzeroxiden. Je zou kunnen zeggen: uit roest. In hoogovens wordt er veel energie ingestopt om er puur ijzer van te maken. Met het principe dat je dat proces kunt omkeren en energie weer uit ijzer kunt halen, zijn in korte tijd verschillende researchprogramma’s, startups en zelfs enkele volwaardige bedrijven aan de slag gegaan. TW.nl plaatste daar eerder enkele artikelen over.
De nieuwe technologie positioneert zich als aanvullende oplossing richting een netto emissieloze economie. Puur ijzer is een schone energiedrager. De verbranding of oxidatie genereert geen CO2 of SO2 en slechts geringe NOx.
Het primaire, cyclische proces ziet er als volgt uit:
- Verbranding/oxidatie: 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3
- Reductie: Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O
RIFT is een Nederlandse startup die ijzerpoeder op deze manier toepast als brandstof in een speciale boiler die een vlamtemperatuur van 2000° C bereikt. De geproduceerde warmte kan voor verschillende doeleinden worden gebruikt. Door de overblijvende roest te laten reageren met waterstof ontstaat weer ijzerpoeder en kan het proces worden herhaald. RIFT heeft momenteel twee industriële pilots draaien. In Helmond staat het testsysteem met de ijzerbrandstofboiler, aangesloten op het lokale warmtenet van Ennatuurlijk. Op het Cleantech Park in Arnhem staat het testsysteem dat het roestpoeder van de installatie in Helmond weer regenereert tot ijzerpoeder.
Momenteel is RIFT bezig met het opzetten van zijn eerste commerciële fabriek voor de productie van ijzerpoeder. Deze Alpha One komt in de haven van Antwerpen. Het bedrijf ontvangt hiervoor een subsidie uit het Europese Innovatiefonds. De opening van een tweede fabriek, op de Rotterdamse Maasvlakte 2, is beoogd in 2028, al is de investeringsbeslissing nog niet genomen.
Iron+ is een andere Nederlandse startup die op hetzelfde spoor zit als RIFT. Het betreft een joint venture van EMGroup, specialist in thermodynamische procesapparatuur, Pometon, een bedrijf dat onder meer ijzerpoeder produceert, en NoWit, een parapluonderneming van de afvalrecyclingsector. Op de summiere website ontbreekt informatie over specifieke eigen technologie of projecten.
Batterijfunctie
Reductie van ijzeroxide is ook mogelijk door er een elektrische stroom op uit te oefenen. Ore Energy past dit toe in een batterij. In deze batterij doet een plaat ijzer dienst als anode, water als elektrolyt en een reservoir lucht als kathode. Tijdens de ontlading van de batterij oxideert het ijzer, tijdens het opladen worden de roestdeeltjes weer omgezet in ijzer. De Ore-batterij bereikt hiermee een opslagduur van 100 uur.
Groene staalproductie
Een derde manier is wat hoogovens met ijzererts doen. Door het toevoegen van koolstof onder hoge temperatuur vindt carbothermische reductie plaats van de ijzeroxiden naar ijzer. Nadeel hierbij is het vrijkomen van CO2. Maar een groen alternatief heeft zich al aangediend: Direct Reduced Iron (DRI). Op zijn website beschrijft Tata Steel het hieruit gevormde product als ‘sponsijzer’, wat ontstaat “door ijzererts direct te reduceren met behulp van aardgas of waterstof in plaats van kolen. Dit gas bindt de zuurstof aan het ijzererts, waardoor een porieus [sic!] product ontstaat dat vervolgens in een elektrische oven (EAF) wordt omgesmolten tot hoogwaardig staal.”
Uiteraard zou voor groen staal dan groene waterstof en geen aardgas gebruikt moeten worden. In welke mate en hoe snel hoogovens op deze schone productie van ijzer kunnen overschakelen, hangt af van voldoende beschikbare groene waterstof en stroom, kosten- en investeringsafwegingen, concurrentiepositie en wetgeving. De technologie is er al.
Oude kolencentrales
Onderzoeksinstituten hebben de potentie van ijzer als brandstof en energiedrager in het vizier. Onder meer TNO en het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) zijn ermee bezig. TW berichtte eerder over een studie van KIT naar ijzer als brandstof voor de productie van stroom via een turbine. Opmerkelijk daarbij is het voorstel om voor de verbranding oude kolencentrales in te schakelen. De centrales moeten dan wel met aangepaste verbrandingsinstallaties worden uitgerust.
Stoom-ijzertechnologie
De TU Eindhoven doet vanuit de leerstoel Thermal Energy Storage onder andere ook onderzoek naar ijzer als energiedrager. Een bijzondere rol hierin speelt SOLID. Onder die naam werkt sinds 2021 een jaarlijks vernieuwd R&D-team van studenten van de TU Eindhoven aan Iron-Based Hydrogen Storage (IRHYS). RIFT is als een startup uit SOLID voortgekomen.
SOLID past het circulaire principe van ijzer en ijzeroxide toe voor het opslaan en weer vrijmaken van waterstof. In 2023 presenteerde het team een proof-of-concept-systeem waarin ijzerpoeder onder invloed van stoom oxideert: de Steam Iron Reactor 1 (SIR1). In het oxidatieproces met stoom vormt zich ijzeroxide (roest) en waterstof. De waterstof wordt uit de stoom gefilterd.
Het resterende ijzeroxide kan met waterstof weer worden geregenereerd tot ijzer. De SIR1 kan 1 kilogram waterstof opslaan en weer afgeven. Het team werkt sindsdien toe naar opschaling en ontwikkelt daarvoor een tweede, grotere stoom-ijzerreactor. Deze SIR2 met de afmetingen van een zeecontainer krijgt een energiecapaciteit van 2,5 MWh.
Belangrijk verschil
Er is een belangrijk verschil tussen de technologie en het product van RIFT en SOLID. Beide gebruiken waterstof om ijzeroxide naar ijzer om te zetten. RIFT laat ijzer echter verbranden om warmte te maken, SOLID laat ijzer oxideren om waterstof weer vrij te maken. Vervolgens kan de waterstof voor verschillende doeleinden worden gebruikt. Als IRHYS het stadium van industriële toepassing zou bereiken, dan zou het opslaan en weer vrijmaken van waterstof op verschillende locaties plaatsvinden. “Onze installatie is uiteraard nog simpelweg een studentenproject”, licht SOLID-student Tom Karstens toe. “Voor ons is het handig om de twee processen in één installatie te combineren. Bij een eventuele industriële toepassing zul je met twee specialistische installaties gaan werken.”
De overeenkomst in de toegepaste technologie is het opslaan van waterstof in ijzer. Dat biedt meteen het perspectief op een emissievrije energievorm als de waterstof groen of ten minste blauw geproduceerd is. SOLID neemt als uitgangspunt dat de waterstof afkomstig is van elektrolysers, dus groen is. In het businessmodel van RIFT heeft ook blauwe waterstof – dus met CO2-afvang en -opslag – een plek.
Uiteraard maakt de ‘kleur’ van waterstof niets uit voor de technologie. RIFT kan zelfs met vervuilde waterstofmengsels uit de voeten. Een van zijn actuele projecten – RE(W)HIRE, een samenwerking met Evonik Antwerpen – behelst “de ontwikkeling van een nieuw reductieproces voor ijzeroxide met gebruik van verontreinigde waterstof die als industrieel bijproduct wordt geproduceerd.” Doel is te bewijzen dat waterstofzuivering en procesintegratie kosteneffectief mogelijk zijn op basis van hernieuwbare ijzerbrandstof. Uiteindelijk is dit ook een vorm van verduurzaming van de industrie.
IJzer als waterstofdrager
In het conceptuele businessmodel van SOLID kan ijzer als drager van waterstof het ‘gat’ dichten voor die delen van de industrie die niet direct bediend worden door het waterstofleidingnetwerk (de ‘backbone’) dat momenteel wordt aangelegd. De vrijgemaakte waterstof kan door perifere industriële bedrijven voor hun verschillende doeleinden worden gebruikt, zoals proceswarmte, verwarming (warmtenetten), chemische grondstof of stroomproductie (via een turbine).
De productie en het gebruik van waterstof zullen wereldwijd een grote vlucht nemen richting de emissieloze economie van 2050. De meeste waterstof zal buiten Europa worden geproduceerd – onder andere in Chili, Marokko, de Golfregio en Australië – met daar ruim beschikbare en goedkope wind- en zonne-energie. Deze waterstof zal massaal naar Europa, waaronder Nederland, worden geïmporteerd.
In 2024 brachten TNO, TU/e, Metalot, RIFT en Iron+ een visiedocument uit: The potential of Iron Power technology in the energy transition, over de commerciële mogelijkheden van de energietechnologie met ijzer en waterstof. Er is daarin een casestudy gedaan naar de kosten en de energie-efficiëntie van verschillende dragers van waterstof: ijzerpoeder, methanol, ammoniak, LOHC en vloeibare waterstof. Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC), oftewel vloeibare organische waterstofdrager, ontstaat door waterstof te hydrogeneren met een chemisch middel, bijvoorbeeld dibenzyltolueen.
Uitgangspunt is de genoemde productie en omzetting of conditionering van waterstof in overzeese landen waar dit goedkoop is. De uitgewerkte casus is dat de verschillende producten allemaal per bulkschip naar de Rotterdamse haven worden vervoerd, daar worden omgezet en opgeslagen en van daaruit verder gedistribueerd naar de gebruikers voor aanwending als hoogenergetische proceswarmte. IJzeroxide gaat als enige de omgekeerde weg.
Pluspunten
Wat ijzerpoeder als drager van waterstof interessant maakt, is de waterstofdichtheid per volume. Die is 1,7 keer zo groot als van vloeibare waterstof zelf en ook groter dan die van methanol en ammoniak. Extra voordeel is dat ijzer niet-explosief is. Verder kan ijzerpoeder onder normale atmosferische omstandigheden worden opgeslagen en vervoerd, terwijl vloeibare waterstof sterk gekoeld moet worden (-252,9 °C). Daar komt bij dat het energieverlies van ijzer verwaarloosbaar gering is, terwijl dat van vloeibare waterstof op 0,5% per dag uitkomt.
Een specifiek nadeel van vloeibare waterstof is het verlies door boil-off gas (BOG). Door het opnemen van omgevingswarmte vormt zich enig waterstofgas, dat om veiligheidsredenen via een ventiel uit de tank moet worden gelaten. In mindere mate geldt dat ook voor de andere vloeibare waterstofdragers. Andere nadelen – kostenposten – laten zich raden: koeling van vloeibare waterstof kost veel energie. Dat geldt ook voor het dehydrogeneringsproces bij LOHC om de waterstof te extraheren; daarnaast moet het chemische middel na een aantal malen hergebruik worden verbrand (dus CO2-emissie). Het terugomzetten van ammoniak naar waterstof door kraken en zuiveren vergt eveneens energie. Methanol kan worden omgezet in waterstof én CO2. Die laatste emissie wordt dan belast onder het ETS-systeem en vormt dus een kostenpost. Dat zou anders zijn met biomethanol of e-methanol. Dat laatste product wordt gemaakt door groene waterstof (van een elektrolyser) in reactie te brengen met CO2, hetzij uit de lucht of als industrieel restgas. Maar deze technologie is eveneens nog niet volledig ontwikkeld.
Hoogste energie-efficiëntie
Uit de vergelijking in de casestudy komt ijzer naar voren als de brandstof met de hoogste energie-efficiëntie per geleverde MWh (67%) voor de eindgebruiker, gerekend over de volledige keten van overzees waterstofproduct tot eindgebruik in Nederland. Methanol en ammoniak zijn geen reële concurrenten als directe brandstof omdat verbranding daarvan met veel schadelijke emissies gepaard gaat. Worden ammoniak en methanol eerst weer omgezet in waterstof, dan daalt de energie-efficiëntie aanzienlijk (respectievelijk 50% en 46%). Op de tweede plaats volgt LOHC (54%), terwijl vloeibare waterstof het slechtst uitvalt (43%).
Het bedrijfsmodel voor ijzer als drager van waterstof lijkt er goed uit te zien.
Integratie met SOE
Interessant is dat het visiedocument ook meteen twee innovaties aanreikt. De eerste betreft integratie met een solid-oxide electrolyser cell (SOEC). Beide technologieën kunnen dan onderling energie uitwisselen. SOE is een elektrolysetechnologie die hoge proceswarmte vergt. Elektrolyse van water genereert waterstof en zuurstof. Een deel van de zuurstof kan worden benut voor de verbranding van ijzer. Een deel van de waterstof voedt de cyclische reductie van ijzeroxide. De verbrandingswarmte en het water uit de ijzerenergiecyclus worden teruggevoerd naar de elektrolyser.
Directe elektrochemische reductie
In de tweede plaats wordt potentieel gezien in directe elektrochemische reductie (DER) van ijzeroxide die afkomstig is uit de cyclus met ijzerverbranding. Hierbij is geen waterstof nodig en er komt dan ook geen water vrij. De batterij van Ore Energy is op dit elektrochemische principe gebaseerd. Hetzelfde geldt voor de DRI-technologie waar staalproducenten zoals Tata Steel de eerste stappen mee zetten. Een verschil is dat DRI werkt met ijzererts (meestal in de voorbewerkte vorm van pellets) en om daaruit ijzer te genereren is wel waterstof of aardgas nodig, zoals hierboven beschreven.
Het DER-proces werkt met fijne, zuivere ijzeroxide en heeft als uitgangspunt dat de benodigde stroom van hernieuwbare origine is. Een groot voordeel van DER is bovendien dat de tussenstap met waterstof niet nodig is en hernieuwbare energie direct wordt benut. Volgens het visiedocument bespaart het DER-proces 3 tot 4 MWh energie per ton ijzer in vergelijking met het traditionele hoogovenproces.
IJzerenergie staat op de kaart. Maar de nieuwe technologie is nog niet volledig ontwikkeld en ook de logistieke en commerciële aspecten moeten zich nog bewijzen. Veel factoren zijn in het voordeel van ijzerenergie. Of het echt een doorslaand succes wordt, moet de tijd leren.
