Brandend ijzer is een veelbelovende bron van circulaire energie

Nog even, en dan zullen we ijzer zien branden. Dat klinkt misschien raar, maar dat is toch echt wat ze hier onderzoeken, bij de onderzoeksgroep ‘power & flow’ aan de Technische Universiteit Eindhoven: de verbranding van ijzer en andere metalen als bron van CO₂-vrije energie. Met de grote vraag: kan dit een alternatief zijn voor fossiele brandstoffen?

„Steek ’m maar eens aan”, zegt Roy Hermanns, technisch natuurkundige en coördinator van het programma ‘metal fuels’. Student Kai Hurks en promovendus Giliam van der Wielen starten een machine op. Overal lopen zilverglimmende buizen en leidingen. Centraal staat een koker met in het midden een taps toelopende, roestvrijstalen punt, waar zometeen ijzerpoeder door omhoog zal worden gespoten. Hurks reguleert de toevoer van hete lucht die het ijzerpoeder moet laten ontbranden. „Het verwarmingselement moet eerst opwarmen tot een graad of 600, dat duurt nog wel even”, zegt hij.

Intussen legt Hermanns de achtergrond uit. We moeten van de fossiele brandstoffen af, want die veroorzaken klimaatopwarming. Zonne- en windenergie zijn alternatieven waarop breed wordt ingezet. Maar wat als de zon niet schijnt, of als het niet waait? „Je hebt in dit systeem veel opslagcapaciteit nodig”, zegt Hermanns. Met elektriciteit kan dat in grote batterijen. Daarvoor moet het stroomnet worden uitgebreid, maar dat proces gaat in Nederland momenteel veel te langzaam om de groeiende vraag bij te benen. Je kunt (overtollige) wind- en zonne-energie ook omzetten in waterstof en dat in tanks opslaan, zegt Hermanns. Maar waterstof is explosief. Opslag en transport vragen extra veiligheidsmaatregelen.

„Metalen zoals ijzer zijn een uitkomst”, zegt Hermanns. Ze zijn veilig en makkelijk te transporteren, in stabiele, vaste vorm – in geval van ijzer is dat als poeder. Bovendien is hun energiedichtheid (de hoeveelheid energie per kilo of liter) een stuk hoger dan die van waterstof. Hermanns: „Dus hoef je niet zulke grote volumes te vervoeren.” Door de hoge energiedichtheid kun je bij de verbranding ook hoge temperaturen bereiken. „Makkelijk tot 2.000 graden”, zegt Hermanns. Met die warmte kun je water omzetten in stoom, iets waar de zware industrie heel veel behoefte aan heeft voor allerlei processen. Of je gebruikt de stoom om een turbine te laten draaien die elektriciteit genereert. Mogelijkheden zat.

Postdoc Nicole Stevens komt erbij. Ze laat twee plastic potjes zien. In het ene zit lichtgrijs ijzerpoeder. „Als je dit verbrandt”, zegt Stevens terwijl ze het andere potje, met donkergrijs poeder, omhoog houdt en op en neer schudt, „krijg je dit: ijzeroxide. Zeg maar, roest.” Dat ijzeroxide, legt ze uit, kun je via een chemische reactie weer omzetten in ijzer. „Je hebt dus in potentie een circulair proces.” Dat is nóg een voordeel. En misschien wel het belangrijkste: het hele proces stoot geen CO₂ of ander broeikasgas uit. Stevens begrijpt dat het veel mensen raar in de oren zal kinken: metaal verbranden. „Het lijkt onmogelijk”, zegt Stevens. „Maar ijzerpoeder wordt al eeuwen gebruikt in vuurwerk.”

„We kunnen”, zegt Van der Wielen. Een paar seconden later zien we de eerste wit-geel-oranje flikkeringen van ontbrandend ijzerpoeder. Maar veel meer wordt het in de volgende minuut niet. Het blijft bij wat sputteringen. „Er klopt iets niet”, zegt Hurks. Na nog een vergeefse poging stelt Hermanns voor even koffie te gaan drinken. Dan kan hij meteen wat meer achtergrond geven. Over een half uur komen we weer terug.

Hermanns vertelt dat het idee achter metaalbrandstoffen pas twaalf jaar geleden is bedacht, door Philip de Goey, hoogleraar verbrandingstechnologieën aan de TU Eindhoven. Hij is vorig jaar met emeritaat gegaan. „Ik steek graag dingen in de fik”, zegt De Goey desgevraagd via de telefoon. Kolen, benzine, diesel, biobrandstoffen. Hij heeft er jaren onderzoek naar gedaan. In 2010 startte hij, samen met Jeffrey Bergthorson van de McGill-universiteit in Canada, een onderzoek naar het gebruik van ijzerpoeder in rakettechnologie. „We wilden weten hoe vlammen zich in gewichtloze toestand door het ijzerpoeder voortplanten. Gewoon, voor de leuk.”

Toen in 2014 op een congres bij de Europese ruimtevaartorganisatie ESA in Noordwijk de resultaten werden gepresenteerd, daagde het idee om ijzerpoeder, en wellicht ook andere metalen, veel breder te gaan inzetten, als vervanger van fossiele brandstoffen. „Eerst was ik sceptisch. Maar al snel raakte ik ervan overtuigd dat metalen een perfecte oplossing kunnen zijn voor de langetermijnopslag van energie”, zegt De Goey. In zijn auto, op weg van het congres terug naar zijn huis in Budel, nam hij een drastisch besluit. De laatste elf jaar van zijn carrière zou hij zich helemaal op die metaalbrandstoffen gaan storten. „Al mijn lopend onderzoek heb ik aan anderen overgedaan.”

Mensen verklaarden hem voor gek, zegt Hermanns. „Velen vonden het een absurd idee.” Maar De Goey richtte meteen een non-profitorganisatie op, Metalot, die universiteiten, overheden en bedrijven samenbrengt. „Bouwers van branders, boilers, allerlei leveranciers haalde hij erbij”, zegt Hermanns. „Om het idee zo snel mogelijk naar de markt te krijgen.” En er kwam een studententeam, Solid. Dat richtte zich op het optimaliseren van de ijzerverbranding. „Er waren bijvoorbeeld nog geen gespecialiseerde branders voor ijzerpoeder”, zegt Hermanns.

Een van de uitdagingen was om de temperatuur tijdens de verbranding van het ijzerpoeder niet te ver te laten oplopen. Als een deeltje ontbrandt, legt Hermanns uit, wordt het bij circa 1.500 graden Celsius vloeibaar. Maar zo’n deeltje zuigt veel zuurstof aan, en kan makkelijk verder opwarmen naar 3.000 graden Celsius. „En dan verdampt het. Dat wil je niet, want dan kunnen er nanodeeltjes naar de lucht ontsnappen.” Het proces is inmiddels zo afgestemd dat de deeltjes ijzerpoeder groot genoeg blijven om ze goed te kunnen afvangen. Ook de stabiliteit van de vlam was een lastige, zegt Hermanns. „IJzer brandt niet zo goed en gelijkmatig als aardgas.” Ook dat probleem is aangepakt. „We kunnen de vlam stabiel houden.”

We gaan weer terug naar de proefopstelling. Bij aankomst zegt Van der Wielen al meteen dat het niet meer goed zal komen vandaag. „Het ijzerpoeder is te vochtig.” Hoe dat kan weten ze niet.

Hermanns stelt voor naar de volgende afspraak te gaan, naar RIFT (Renewable Iron Fuel Technology), een start-up die de ijzerpoedertechnologie op de markt brengt. We lopen naar de rand van de campus, naar een gloednieuw kantoorgebouw, en nemen de lift naar de bovenste, negende verdieping. We worden naar een vergaderkamer geleid. Even later komt Marc Verhagen binnen. Hij is medeoprichter en ceo van RIFT. Hij vertelt dat hij in het door De Goey opgerichte studententeam Solid heeft gezeten. Als chemisch technoloog en bedrijfskundige werkte hij mee aan het eerste demo-project. Dat was in 2020.

Samen met Koninklijke Swinkels en joint venture Iron+ bouwden ze bij de Bavaria bierbrouwerij in Lieshout een ijzerpoedersysteem (vermogen 100 kilowatt) dat elektriciteit leverde. Het kreeg internationaal veel aandacht. „Het was vooral bedoeld om de wereld te laten zien dat het concept werkt”, zegt Verhagen. Later dat jaar richtte hij met twee partners RIFT op, als spin-off van het studententeam.

Om de ijzerpoedertechnologie concurrerend te krijgen probeert het bedrijf de efficiëntie van het systeem te verbeteren. „We sleutelen onder meer aan de grootte van de ijzerpoederdeeltjes, en verbeteren de isolatie van de boiler.” Ook probeert het bedrijf z’n grondstoffen zo goedkoop mogelijk in te kopen, zoals poeder dat is gemaakt van vermalen oud ijzer.

Vorig jaar juni kondigde RIFT z’n eerste commerciële contract aan, met Kingspan Unidek in Gemert, fabrikant van onder meer isolatiemateriaal. Dat wil de ijzerpoedertechnologie inzetten voor de productie van stoom, die het nodig heeft om isolatieplaten van geëxpandeerd polystyreen te maken. Daarvoor gebruikt Kingspan Unidek nu nog aardgas. Het wil dat vervangen met het ijzerpoedersysteem, dat een vermogen heeft van 5 megawatt. Het systeem moet 2028 gaan draaien.

Afgelopen maart kondigde RIFT aan 114 miljoen euro aan investeringen te hebben binnengehaald. Met dat geld wil het bedrijf een zogeheten reductiefabriek bouwen, die ijzeroxide (roest) omzet tot ijzer. Het vermogen van het daar geproduceerde ijzer ligt op 40 megawatt. Voldoende, zegt Verhagen, om nog eens zeven systemen te bouwen zoals dat bij Kingspan Unidek. De reductiefabriek is in principe gepland in de Antwerpse haven. Maar RIFT kondigde twee maanden geleden ook aan een akkoord te hebben bereikt met de Rotterdamse haven voor een locatie in de Prinses Margriethaven in de Tweede Maasvlakte. Dus misschien dat de fabriek toch in Rotterdam komt. „Hoewel daar wel problemen met netcongestie zijn. Maar de belastingen zijn er weer iets gunstiger”, zegt Verhagen terwijl hij op z’n horloge kijkt. Hij moet er weer vandoor.

We gaan naar de laatste afspraak voor vandaag: het door De Goey opgerichte Metalot. Het is net verhuisd naar Maarheeze, vertelt Hermanns. Een half uurtje later rijden we een bouwterrein op, waar trucks af en aan rijden. „Philips maakte hier vroeger tl-armaturen”, zegt Hermanns terwijl we een gebouw binnenlopen. Nu werken universiteiten, bedrijven en overheden hier samen aan metaalbrandstoffen, en vooral het verbeteren van de ijzerpoedertechnologie. Hermans vertelt dat de technologie internationaal meer aandacht begint te krijgen. Er zijn succesvolle start-ups in Duitsland, Frankrijk. Er lopen projecten in Namibië, Oman, Australië.

In landen met veel (dus relatief goedkope) zonne- of windenergie kun je de stroom onder meer gebruiken om waterstof te produceren – dat gebeurt via elektrolyse. Die waterstof kun je vervolgens gebruiken om ijzeroxide om te zetten naar ijzerpoeder. Het waterstof haalt de zuurstof van het ijzeroxide – zuurstof zit liever aan waterstof dan aan ijzer – en vormt water. „Het gevormde ijzer kun je vervolgens makkelijk transporteren”, zegt Hermanns.

Via wat beveiligde deuren lopen we grote labruimtes binnen. Er staat onder meer een aan de TU Eindhoven ontwikkelde, nieuw type brander. Hij is efficiënter, vertelt Hermanns, onder meer omdat hij makkelijker te ontsteken is. Hij stoot ook nauwelijks meer stikstofoxiden uit. Zeker in Nederland, waar veel bouwprojecten en bedrijfsuitbreidingen stranden op de uitstoot van stikstof, is dit nog een extra voordeel.

Verder wordt hier geëxperimenteerd met de reductie van ijzeroxide tot ijzer zónder het gebruik van waterstof. „Als je die stap kunt omzeilen, maakt dat de toepassing van de technologie makkelijker.” Een collega van Hermanns, hoogleraar Yali Tang, heeft er een technologie voor ontwikkeld en brengt die sinds kort via start-up Eyzore op de markt. Ook kijken ze hier naar verschillende soorten grondstoffen. Zoals stof uit de ovens van de Budelse zinksmelter Nyrstar. „Er zijn allerlei goedkope stromen die je kunt gebruiken”, zegt Hermanns.

Het masterplan achter Metalot is te zien in een kantoorkamer op de eerste verdieping. Er staat een maquette met ijzerpoederfabriekjes, vrachtwagens, en drie typen eindgebruikers. „We beginnen klein”, zegt Hermanns, „met wijkprojecten waar de technologie warmte levert aan huishoudens”. Sinds 2022 loopt er al zo’n project in Helmond, met warmtenetbeheerder Ennatuurlijk. Er zijn ook plannen om soortgelijke projecten op te zetten op de Eindhovense campus, en in een wijk in Budel, samen met Nyrstar. De volgende stap is een opschaling naar fabrieken in de zware industrie, zoals RIFT er eentje gaat bouwen bij Kingspan Unidek. Het langetermijndoel van Metalot is om kolencentrales van circa 1 gigawatt om te bouwen en te laten draaien op ijzer, of een ander metaal. Duitse onderzoekers hebben er al aan gerekend – Duitsland heeft nog relatief veel kolencentrales – en concluderen dat de verbranding van ijzerpoeder niet alleen veel schoner, maar ook efficiënter is dan van kolen.

Als we weer naar buiten lopen, komen we langs een plexiglazen zuil. Het is een eenvoudig, klein demomodel, zegt Hermanns. Hij drukt op een knop. In de zuil begint het te flikkeren. Even later bewonderen we een constante stroom ontbrandend ijzerpoeder. Toch nog een vuurtje vandaag.