Schone energieopslag in ijzerpoeder

Het verbranden van ijzerpoeder levert energie op. Het eindproduct is roest, met energie maak je van dit roest weer schoon ijzerpoeder. Bij Metalot brengen ze dit circulaire en schone procedé voor energieopslag naar de praktijk.

Raoul Voeten kan zich de euforie voorstellen die Antonie Brouwer gevoeld moet hebben toen hij in 1948 nabij de Krimweg in Coevorden op een aardgasbel stuitte. De Managing director van Metalot praat enthousiast over ijzerpoeder als energiedrager. “Er is geen wereld denkbaar waarin we veel minder energie gaan gebruiken. Dus we moeten op zoek naar niet fossiele oplossingen. En dit is een geweldige oplossing.”

Philip de Goey, oprichter en bestuursvoorzitter van Stichting Metalot, is mede-uitvinder van ijzerpoeder als brandstof. Hij is tevens fulltime hoogleraar aan de TU in Eindhoven. De vinding deed hij in 2015 met een onderzoeksteam binnen de European Space Agency (ESA), vertelt hij. “We werkten aan technologie om met een ruimtevaartuig dieper het heelal in te gaan. Daarvoor hadden we een circulair systeem nodig voor energieopslag en zo kwamen we op metaalpoeders uit. Na die ontdekking bedacht ik me: waarom zouden we in het heelal beginnen met deze technologie, terwijl we op aarde niet weten hoe we de energietransitie moeten vormgeven?”

Acht jaar later is Metalot klaar om de toepassing in het lab op te schalen en in de praktijk te brengen. Of, zoals De Goey de ontwikkelingen schetst: “aan de TU heb ik gewerkt aan het onderzoek rond de eerste kWh uit ijzerpoeder, bij Metalot werken we aan de eerste MWh en nu is het ecosysteem rond deze technologie klaar voor de volgende stap.” Nu kijkt het bedrijf samen met andere partijen hoe het in de praktijk past binnen de energietransitie.

En dat zijn het soort projecten dat Stijn van Aken voor zijn rekening neemt. Hij gaat kleine energiehubs opzetten gebaseerd op ijzerpoeder als energiedrager. “Op dit moment bestaat maar 20 procent van de energie die Nederland gebruikt uit elektriciteit en het netwerk is al vol. We willen naar meer dan 80 procent. Als je het hele energienet wilt verzwaren, dan ben je decennia kwijt.” En er moet veel meer koper de grond in. “Daarbij worden bedragen genoemd van honderd miljard en perioden van 20 jaar.”

Proces

Het proces is vrij eenvoudig. IJzerpoeder van 100 tot 150 micron wordt verbrand, ofwel, geoxideerd. “Het is een omkeerbaar chemisch proces”, legt De Goey uit. “Stoom en ijzer geeft roest plus waterstof.” En hij schrijft het uit: “4Fe + 3O₂ à 2Fe₂O_3.” Op die manier levert dit proces een rendement van 80 procent.

Een kuub ijzerpoeder geeft voldoende energie om, zonder CO2-uitstoot, een dag lang 1 megawatt aan vermogen te leveren. “Een machinefabriek of kozijnenfabrikant met 5.000 vierkante meter heeft daar ruim genoeg aan”, weet Voeten.

Wel heeft zo’n bedrijf een ketel nodig en een reductieapparaat om het verbrande ijzerpoeder te ontroesten. Daarbij komt nog een opslagplaats voor ijzerpoeder, plus transport en elektronica. Al met al een enorme kostenpost voor een bedrijf.

“Maar zo moet je niet tellen”, meent Voeten. “Je moet je afvragen: wat kost de energie? En dan praat je over zo’n 20 tot 30 cent per kWh aan warmte.” Dat is nog best veel vergeleken met gas, dat slechts 12 cent kost, erkent Voeten. “Maar het is ook wat waard om weer zelf controle te hebben over de energie om CO₂-vrij te produceren met NOx uitstoot die een factor 5 tot 10 lager ligt.”

Bovendien is deze noviteit nog kleinschalig en nog lang niet uitontwikkeld. “Wij liggen honderd jaar achter op fossiele energie.” Op termijn wordt de ijzerpoedercyclus zeker competitief met aardgas, meent Voeten, want er is minder apparatuur voor nodig. “Wij hebben geen dure raffinaderij nodig, maar slechts een reductie-apparaat.”

Batterij

“We wisten al dat we metalen konden verbranden”, vertelt de Goey over zijn uitvinding. En Van Aken schetst maar eens het voorbeeld vuurwerk: “Die verschillende kleuren komen van verschillende metalen.” De Goey vervolgt: “We wisten alleen niet dat het schoon kon.” Want bij het verbranden van ijzerpoeder komt een hoop energie vrij, maar geen CO2 en nauwelijks NOx.

Is het ijzer verbrand, dan kan het met elektrolyse en reductie worden opgewerkt zodat het opnieuw verbrand kan worden. “Uiteraard kost dat energie. Maar niet veel meer dan je erin stopt.” IJzerpoeder is daarom geen brandstof maar een energieopslag met hoog rendement.

Bij het verbranden, of oxideren van ijzerpoeder, komt die opgeslagen energie weer vrij in de vorm van warmte. De energie kan voor lange perioden in het ijzerpoeder worden opgeslagen. Zo kunnen seizoenen worden overbrugd. “Energie die je ’s zomers opvangt kun je ’s winters gebruiken.”

Iets wat met reguliere batterijen niet goed kan. “Voor 1 MWh heb je maar 0,125 kuub ijzerpoeder nodig. Bij traditionele batterijen zou dat een container van 27 kuub zijn. Die hoeveelheden batterijmaterialen zijn nauwelijks beschikbaar en kostbaar.

IJzer daarentegen is alomtegenwoordig. “Op de lijst van meest voorkomende elementen in de aardkorst staat ijzer op nummer vier,” weet De Goey. “Het zit bijna overal in de bodem, het is betaalbaar, er hoeft dus geen geopolitieke strijd om gevoerd te worden.”

Praktijk

IJzerpoeder is veilig en compact, maar het is wel een heel gewicht. “Misschien is het een mooie energiedrager voor de scheepvaart”, meent De Goey. “Maar als batterij voor auto’s is het te zwaar.”

Waterstofopslag zou beter geschikt zijn voor mobiele toepassingen. “Dat zou dan onder hoge druk moeten. Maar zelfs onder de 350 bar is de hoeveelheid opgeslagen energie nog steeds zeven keer lager dan bij eenzelfde volume ijzerpoeder.”

De voordelen zijn legio: ijzerpoeder is veilig. Je kunt het gewoon vastpakken, evenals het verbrande ijzerpoeder dat iets donkerder van kleur is. Je krijgt er hoogstens stoffige vingers van.

Zinkbewerker

Wethouder Lemmen is tevens bestuurslid van de Stichting Metalot. Is dat geen belangenverstrengeling? Nee hoor, vindt Lemmen, “De overheid dient beleid te ontwikkelen voor de toekomst. Dat geldt dus ook voor de energietransitie. Bij technische oplossingen worden wij graag betrokken.”

Voeten noemt het de Gouden Driehoek: Binnen de stichting zijn zowel onderwijs en wetenschap, de overheid en het bedrijfsleven betrokken. Hij somt op: Gemeente Cranendonck, provincie Brabant, TU Eindhoven en Nyrstar.

“Nyrstar is een zinkbewerker om de hoek”, zegt De Goey. Toch is het niet zomaar het eerste het beste bedrijf. De fabriek, eveneens gevestigd in Budel, verbruikt maar liefst één procent van de Nederlandse stroombehoefte. “Net zoveel als de hele stad Eindhoven.”

Over Eindhoven gesproken: die stad ligt 25 kilometer verderop en blijft alleen maar uitbreiden. In de gehele metropool-regio Eindhoven, waar Budel ook onder valt, is er voor de komende jaren nog eens 550 hectare aan bedrijventerrein nodig, weet wethouder Lemmen. “Die energiebehoefte krijgen we niet uit het reguliere netwerk. En we hebben te kampen met een stikstofcrisis. Als boeren ook lokale energie gaan leveren, is er al een groot probleem opgelost.”

Verdieping: Gemeentesubsidie voor Energieboerderij

Op een onstuimige dag in maart, krijgt Metalot bezoek van Marcel Lemmen, wethouder economie bij de gemeente Cranendonck waar Budel onder valt. Hij mag namens de gemeente een cheque uitreiken ter waarde van 40.000 euro voor het kleine ketenonderzoek ‘Van veehouder naar Energieboer’ waarvan Stijn van Aken de projectleider is.

“Het onderzoek richt zich op de praktijk. Dus hoe het technisch werkt, maar ook welke economische, maatschappelijke en juridische consequenties het heeft”, legt Van Aken uit.

De wethouder valt hem bij: “In eerste instantie denken we dan vooral aan een boerderij. Daar is de ruimte. Er zijn daken voor zonnepanelen, er is plek voor windmolens en er is een verdienmodel voor de boer.” Want, zo benadrukt hij: “Bij veel varkensboeren wordt momenteel het verdienmodel afgenomen. Maar in plaats van voedsel kunnen zij ook uitstekend energie produceren.” Vandaar, zo vertelt hij, dat ook de landbouworganisatie ZLTO bij het project is betrokken om mede te onderzoeken hoe boeren samen met Metalot ijzerpoederregeneratieprojecten op het platteland kunnen beginnen.