Met brandend ijzer kan je, net als aardgas en benzine, in combinatie met zuurstof uit de lucht warmte opwekken. In plaats van CO2 maak je dan ijzeroxide, zeg maar roest. Maar kan je er ook bier mee te brouwen? De Bavaria brouwerij van Swinkels Family Brewers, onderzoekt het met een proefneming in de praktijk. 

Tekst: Harold van den Hauten

In samenwerking met het Metal Power consortium, bestaande uit EM Group, HeatPower, Romico en onderzoekers en studententeam SOLID van de TU Eindhoven (TU/e), werd een industriële proefinstallatie naar Lieshout getransporteerd en aan de stoomvoorziening van de brouwerij aangesloten. Om deze innovatie in het echt mee te maken bezocht onze redacteur de brouwerij, waar Sjirk Hatenboer van studententeam SOLID hem verwelkomde.

2 Tsjirk Hatenboer Tsjirk Hatenboer

Wereldprimeur

De onderzoeksinstallatie is een wereldprimeur van een industriële installatie voor verbranding van ijzerpoeder en biedt de industrie perspectief voor verduurzaming. De installatie wordt gebruikt om stoom te leveren voor het brouwproces, zodat de ketels kunnen worden verwarmd. Volgens de studenten is hij goed voor honderd kilowatt, vergelijkbaar met het vermogen van de cv-ketels van vijf huishoudens. Hoeveel biertjes ermee gebrouwen kunnen worden is nog onbekend.

‘Doel is vooral het aantonen van de potentie van de installatie met het oog op verder onderzoek naar de technologie’

“Doel is vooral het aantonen van de potentie van de installatie, met het oog op verder onderzoek naar de technologie”, aldus het studententeam. Het project, gesponsord door de provincie Noord-Brabant, is een samenwerking tussen TU Eindhoven, Metalot, EM Group, HeatPower, Romico, Uniper, Enpuls, Nyrstar en SOLID. De installatie wordt onderzocht bij Metalot in Budel. Het project biedt mogelijkheden voor ondernemers, studenten en bewoners om samen te werken aan innovaties, waarbij met name duurzaamheid en respect voor de natuur van belang zijn. Binnen het project Metal Power willen de partners een systeem voor energieopslag via metaal verder ontwikkelen.

Inmiddels is het systeem uit het laboratorium en opgeschaald tot het huidige test- en demonstratiesysteem dat nu op de brouwerij stoom genereert voor de productie. Philip de Goey, projectleider, hoogleraar aan de TU en voorzitter van het innovatiecentrum van Metalot: “Met dit demonstratiesysteem willen we aantonen dat op grote schaal verbranden van metaalpoeder, ijzerpoeder in dit geval, mogelijk is.”

Waarom doen we dit allemaal?

Dat we op termijn van fossiele brandstoffen af moeten, zal inmiddels wel tot iedereen zijn doorgedrongen. Op de weg daarheen zijn veel mogelijkheden die elk voor- en nadelen hebben met de bijbehorende voor- en tegenstanders. Bekend zijn oplossingen als zon- en windenergie, biomassa, CO2-opvang, waterstofgas, en vrij recent duikt ook kernenergie weer op in de discussie. Bij de uitdaging van de energietransitie spelen tijd, plaats en medium een grote rol.

‘Waarom niet meer aandacht voor oplossingen die direct warmte opleveren?’

Bij tijd kan je denken aan het gegeven dat zon en wind stroom leveren op het moment dat de zon schijnt en de wind waait; of we nou stroom nodig hebben of niet. Bij plaats kan je denken aan het feit dat we in Nederland weinig ruimte hebben en dat zonnepanelen en windparken juist veel ruimte nodig hebben. In de woestijn daarentegen is veel plaats maar is weer weinig vraag naar energie. Medium slaat op de vorm van de energie: stroom of warmte. Met hernieuwbare energie genereren we veel stroom, maar we hebben ook veel warmte nodig; niet alleen voor de huishoudens, maar zeker ook voor de industrie, en wel in grote hoeveelheden.

De vraag naar warmte (waaronder ook met hoge temperaturen) is een aspect waar in de transitie-discussie nogal eens overheen wordt gewandeld. We hebben het steeds maar over de productie van stroom. Ja, daar kan je wel weer warmte van maken, maar waarom niet meer aandacht voor oplossingen die direct warmte opleveren? De toepassing bij Bavaria brouwerij in Lieshout is een goed voorbeeld dat het kan. We willen een energiedrager waar we veel energie in kunnen stoppen en die we kunnen gebruiken hoe, waar en wanneer we willen. En dat is nou precies waar het verbranden van ijzer in beeld komt.

6 De 100kW testinstallatie is even stoomleverancier voor Bavaria brouwerij in Lieshout De 100kW testinstallatie is even stoomleverancier voor Bavaria brouwerij in Lieshout

Warmte in de brouwerij

Het brouwen van bier is een typisch voorbeeld van een industrieel proces dat veel warmte vraagt. Swinkels Family Brewers werkt er voortdurend aan om slimmer en duurzamer te ondernemen. De familiebrouwer is bezig met een energietransitie als onderdeel van haar ambitie om volledig circulair te ondernemen, en de warmteontwikkeling kan duurzamer. Swinkels Family Brewers, sinds 2019 koninklijk, is al zeven generaties lang een familiebedrijf en beschikt over verschillende brouwerijlocaties. Wereldwijd werken er ongeveer 1.800 mensen. Bij de productie van bier is nogal wat warmte nodig, onder andere in de vorm van stoom. “Als familiebedrijf investeren we in een duurzame en circulaire economie, omdat wij in generaties denken en niet in jaren” aldus Peer Swinkels, CEO bij Royal Swinkels. In deze denkwijze past de proef met het branden van ijzer om van fossiele brandstoffen af te komen en een circulaire energievoorziening te bouwen.

Hoe werkt het?

Dat er energie in ijzer zit, weten we als we vuurwerksterretje afsteken, maar ook in ander vuurwerk zien we ijzer en andere metalen branden. Dit is het idee dat in Eindhoven is uitgewerkt tot een werkende energieleverancier. In het proces wordt ijzerpoeder verbrand tot ijzeroxide, algemeen bekend als roest. De energie die dit oplevert kan gebruikt worden als warmte en die warmte kan ook worden omgezet in stoom. Dit laatste gebeurt met de proef bij Bavaria, de stoom kan rechtstreeks naar het stoomnet van Bavaria waar het gebruikt wordt bij de productie van het bier. Na de verbranding wordt de gevormde roest opgevangen in een cycloon. 3 IJzerbrandstofcyclus IJzerbrandstofcyclus

‘Dat er energie in ijzer zit, weten we als we vuurwerksterretjes afsteken’

In de volgende stap wordt het ijzerpoeder teruggewonnen uit de roest. Dat gebeurt door waterstof aan de roest toe te voegen. Voor een hernieuwbaar proces moet de waterstof worden gemaakt uit groene energie. Het ijzerpoeder kan nu weer aan het proces deelnemen. In principe hebben we aldus een circulair hernieuwbaar proces gecreëerd dat geen CO2 en nauwelijks of geen NOx uitstoot. Het terugwinnen van ijzer door reductie van ijzeroxide gebeurt op de plek waar dat het meest economisch uitpakt. De roest kan dus getransporteerd worden naar gebieden met veel zon en van daar weer terug naar de plek waar het nodig is. IJzer is een zeer compacte energiedrager en is gemakkelijk te vervoeren per schip. In tegenstelling tot het vervoer van waterstof kan het met een relatief goedkope bulkcarrier. Voor een meer gedetailleerde uitleg over metaal brandstoffen zie het kader hieronder.

Metaal als brandstof
Dit verhaal gaat over ijzer als brandstof. Maar we moeten bedenken dat ijzer niet het enige metaal is dat we kunnen gebruiken als energiedrager. In het verleden is al aan toepassingen gedacht en gewerkt zoals raketaandrijving en ‘brandstof’ voor schepen en zelfs voor automobielen. Daarvoor is aan een ander metaal als energiedrager gedacht, dat laatste lijkt aantrekkelijk genoeg. In plaats van benzine te tanken ga je op weg met een paar kleine pakketjes Borium. Opgebruikt: wissel je boriumoxide in voor een schoon pakketje ‘boriumbrandstof’. Het is er nog niet van gekomen want de praktijk verzet zich nog tegen de theorie.

In de figuur hieronder is een aantal brandstoffen en energiedragers afgebeeld waarin je de energie-inhoud voor verschillende brandstoffen en energiedragers kunt aflezen. Je ziet energiedichtheid uitgedrukt per volume en per gewicht. Hier is goed te zien dat ijzer een grote energiedichtheid per volume heeft, vergeleken met benzine en waterstof.
  4 Energiedragers

IJzer is dus een energiedrager die heel compact is, wat een voordeel is bij het vervoer. De keuze voor ijzer in plaats van een van de andere metalen berust op een aantal praktische argumenten. Zo is ijzer een veel voorkomende stof en relatief goedkoop. Een ander aspect is de temperatuur van de vlam. De temperatuur van de ijzervlam van ongeveer 1900 °C komt goed overeen met die van de brandstof van bestaande installaties, zodat die met weinig aanpassingen geschikt is voor ijzerpoeder als brandstof. Kijk in de grafiek ook eens naar de matige score van de lithium batterij. Er is veel batterij nodig om energie op te slaan.

Om de verbranding van ijzer op gang te krijgen is wel een gasvlam of elektrische ontsteking nodig. Eenmaal brandend kan de ijzervlam zichzelf in principe in stand houden. Het resultaat van de verbranding is energie en roest. De roestdeeltjes worden in een cycloon afgevangen en worden in een volgende stap, de regeneratie, weer omgezet in ijzer. De regeneratie bestaat uit de reductie van het peroxide tot ijzerpoeder. Het poeder wordt in een reactor gemengd met waterstof, dat voor een milieuvriendelijk proces natuurlijk ‘groen’ moet zijn. Uit de reactor komt schoon ijzerpoeder en water.

5 Brandend ijzer Brandend ijzer

Hoe verder

De installatie bij Bavaria brouwerij kan je zien als een prototype waar, ook volgens het studententeam, nog verbeteringen mogelijk en ook nodig zijn. Zo is de brander om praktische reden horizontaal geplaatst. Het ijzeroxide blijft dan deels verderop in de leiding liggen en die moet dan herhaaldelijk worden schoongemaakt. Een verticale montage zou handiger zijn, de zwaartekracht helpt dan om de leiding schoon te houden. Op dit moment heeft de brander continu een waakvlam nodig om uitval te voorkomen. Dit komt mede doordat de toevoer van ijzerpoeder te vaak handmatig moet gebeuren. Met een betere aanvoer is een permanente waakvlam wellicht overbodig.

Het regeneren van het oxide tot ijzer kan op verschillende manieren, zoals een wervelbed of een bandoven. De meest geschikte wijze staat nog niet vast. Het Eindhovens consortium werkt intussen aan en nieuw en innovatief systeem waarvan we nog wel meer zullen horen.

Om kort te gaan: men is zeer te spreken over de onderzoeksperiode. De installatie past gewoon goed in de vraag van Bavaria. Er wordt nu gewerkt aan een vijf keer grotere installatie waarin het geleerde wordt verwerkt. Hopelijk is die binnen een tot anderhalf jaar gereed voor een langdurige test, waarvoor Bavaria wederom kandidaat is.

Meer lezen?
Metalot: metalot.nl
Team Solid: teamsolid.org

Altijd op de hoogte blijven?