Metalen: brandstof van de toekomst

De scheepvaartindustrie is een sector van groot belang. In een wereld waar producten van over de hele wereld naar jouw deur kunnen worden bezorgd, zijn oceaan-varende schepen het hart van de wereldwijde handel. Maar deze schepen hebben een groot impact op het klimaat. In 2018 was de scheepvaartindustrie verantwoordelijk voor 1056 miljoen ton koolstofdioxide uitstoot—2.89% van de totale uitstoot wereldwijd—en men voorspelt dat dit blijft groeien. Daarom zijn veel verschillende alternatieven in ontwikkeling. Sinds kort krijgt een nieuwe drager van energie de aandacht: metalen. Technische Universiteit Eindhoven en het Maritiem Kenniscentrum onderzochten in 2019 de mogelijkheid of schepen door metaal aangedreven kunnen worden. Uit het rapport blijkt dat het mogelijk is, maar er is nog verder onderzoek nodig.

In een gewoonlijk verbrandingsproces worden brandstoffen zoals diesel of zware stookolie verbrand, waarna ze reageren met de zuurstof in de lucht. Bij deze reactie komt veel energie vrij—bij het verbranden van diesel, bijvoorbeeld, komt 45.5 MJ per kilogram vrij—maar het vormt ook koolstofdioxide. Een zelfde soort reactie vind plaats bij het verbranden van een metaal. Het metaalpoeder wordt verbrand en reageert met zuurstof, maar in plaats van koolstofdioxide worden metaaloxides gevormd. Na de verbranding kunnen de metaaloxides verzameld worden uit de ketel of uit filters. De metaaloxides gaan daarna door een proces van reductie, waarin energie in de metaaloxides wordt gestopt om het zuurstof te verwijderen. Hierdoor wordt het originele metaal herstelt, wat het metaal maakt tot een hernieuwbare energiedrager.

Dit proces werkt voor verschillende metalen, zoals ijzer en aluminium. Maar volgens Dr. Roy Hermanns, een onderzoeker die verbonden is aan het onderzoek naar de verbranding van metalen aan de Technische Universiteit Eindhoven, is er een zeer hoge temperatuur nodig om veel van deze metalen met zuurstof te laten reageren. Aluminium bijvoorbeeld moet 3268°C bereiken voordat het reageert—een temperatuur die veel hoger is dan voor de reactie met een brandstof als diesel (≈2000°C). De toepassing van dat soort metalen zou tot geheel nieuwe systeemeisen leiden.

Een van de uitzonderingen hierop is ijzer. Voor ijzer hoeft maar een temperatuur van 1955°C bereikt te worden om de reactie met zuurstof te laten plaatsvinden, wat betekent dat de systeemvereisten veelal gelijk kunnen blijven. IJzer heeft ook andere voordelen, zoals de overvloed ervan op aarde. Naast de mogelijkheid om de verbruikte ijzeroxide om te zetten naar ijzer, maakt dit ijzer tot een stabiele brandstofbron voor de lange termijn. Bovendien, dankzij bestaand onderzoek in de staalindustrie is het mogelijk ijzeroxide te reduceren met behulp van waterstofgas. Bij deze methode, die in het Circored-proces al wordt toegepast, reageert de zuurstof met het waterstofgas en vormt water. Als het waterstofgas wordt gemaakt met hulp van hernieuwbare energie, is de hele cyclus volledig koolstofdioxidevrij.

De technologie van het verbranden van ijzer voor energie heeft veel verschillende toepassingen. Verschillende bedrijven en groepen hebben het bijvoorbeeld getest voor industriële processen, waaronder studententeam SOLID van de Technische Universiteit Eindhoven. In 2019 werd hun 100 kW Metal Power-systeem in de praktijk gebracht bij de Koninklijke Swinkels Familiebrouwerij, waar het met succes genoeg stoom heeft geproduceerd om het brouwproces van het bier aan te drijven. Team SOLID was ook betrokken bij het rapport over de technische en economische haalbaarheid van het proces voor maritieme doeleinden. In samenwerking met het Maritiem Kennis Centrum en een aantal wetenschappers van de TU/e werden drie  schepen van verschillende afmetingen bestudeerd: het kleine onderzoeksschip Pelagia, het middelgrote containerschip Rijnborg, en het grote containerschip Emma Maersk. Uit het rapport blijkt dat het gebruik van ijzer als energiedrager voor de aandrijving van schepen in de toekomst haalbaar is en dat de technologie kan worden toegevoegd aan de lijst van alternatieven die worden ontwikkeld. 

Toch zijn er aantal dingen waar men rekening mee moet houden, zoals het gewicht van ijzer. De hoeveelheid energie die je krijgt van het verbranden van een kilo ijzer is 7,4 MJ—een stuk minder dan het verbranden van een brandstof als diesel. Als een middelgroot schip als de Rijnborg dezelfde actieradius wil houden als met haar huidige brandstof, zou het schip 35% tot 50% langer moeten worden om meer laadvermogen te creëren. De technologie is ook economisch interessanter voor schepen van grotere afmetingen. Uit het rapport blijkt dat de kosten van aanbouw—in verhouding naar hun grootte—op de Emma Maersk 40% lager zijn dan die op de Rijnborg. Maar de kosten om deze technologie te gebruiken liggen binnen de grenzen voor beide scheepsgroottes, aangezien het mogelijk is om de kosten eruit te halen door containers te verschepen binnen de capaciteiten van de schepen.

In het rapport wordt ook een overzicht gegeven van het onderzoek dat in de toekomst nog gedaan moet worden voordat dit werkelijkheid wordt. Zo moet bijvoorbeeld het rendement van de ketel worden verhoogd, moet de ijzeroxide beter worden gefilterd, en moet verder onderzoek worden gedaan naar de kosten. Hermanns voegt daaraan toe dat er ook stappen moeten worden gezet in de beleidsvorming. Omdat grote containerschepen over de internationale grenzen varen, moet het beleid wereldwijd veranderen. Veel landen hebben bijvoorbeeld normen voor wat een brandstof is. Daar moet ijzer aan toegevoegd worden.

Ook al is het nog niet werkelijk getest op een schip, ijzer zal waarschijnlijk een interessante optie zijn als energiedrager. Al zal het niet de oplossing zijn voor al onze schepen. Volgens Hermanns: “Er is niet één technologie die uiteindelijk [als enige] gebruikt gaat worden. Je moet voor iedere applicatie gaan kijken wat het meest energie- en kostenefficiënt is.” Voor kortere reizen en kleinere schepen zijn waterstof, batterijen, of andere oplossingen uiteindelijk misschien betere opties. Maar de kans is groot dat in het volgende decennium jouw pakje van de andere kant van de planeet naar je zal worden bezorgd via een containerschip dat wordt aangedreven door ijzer.