De Canadese McGill University heeft een manier gevonden om metaalpoeder op gecontroleerde wijze te verbranden. Daarmee komt het gebruik van het materiaal als autobrandstof een stap dichterbij.
Door: Jan Kees van der Veen
Metalen gebruiken als brandstof is niet nieuw. Vuurpijlen bevatten sinds de oudheid al metaalpoeder voor de voortstuwing; het metaal zorgt voor de mooie kleuren. Al vanaf het begin van de ruimtevaart worden raketten voortgestuwd door verbranding van metalen als aluminium of magnesium, maar dat gaat tamelijk rudimentair.
De McGill University, die al tien jaar onderzoek doet naar meer gecontroleerde verbranding van metaalpoeders van ijzer en aluminium, ontwikkelde een speciale brander. Die geeft na initiële ontsteking een continue en stabiele vlam.
2000 °C
Metaal verbrandt bij hoge temperaturen, waarbij metaaloxide ontstaat. Zo verbrandt ijzer bij 2000 °C tot ijzeroxide. De brander is zo ingericht dat het metaaloxide netjes wordt opgevangen voor latere regeneratie. Om die warmte om te zetten in mechanische voortstuwingsenergie is een aparte motor nodig – denk aan de stoommachine van vroeger of aan de Stirlingmotor.
Dat proces wordt de dry cycle genoemd. Er is ook een wet cycle, waarbij men het metaal laat reageren met water. Dat kan bij een lagere temperatuur van ongeveer 100 °C en levert behalve metaaloxide en warmte ook waterstof op. De waterstof kan als brandstof dienen voor een gewone verbrandingsmotor of naar een brandstofcel gaan, die een elektromotor aandrijft. De wet cycle, die vooral goed werkt met metalen als aluminium, magnesium of mangaan, levert waterstof on demand, als alternatief voor een complexe infrastructuur voor waterstofdistributie.
Energiedichtheid
Metaalbrandstof kan belangrijke problemen oplossen waar de huidige (duurzame) alternatieven mee worstelen. Het sleutelwoord voor transportbrandstoffen is energiedichtheid, de hoeveelheid energie per kilo of per liter die een materiaal kan opnemen en vrijgeven. Benzine en diesel zetten al meer dan een eeuw de standaard. Batterijen doen het zowel in volume als in gewicht een factor vijftig slechter, wat in elektronische auto’s een handicap is en ze voor vliegtuigen zelfs ongeschikt maakt. Waterstof doet het al beter, maar is volumineus en moet worden samengeperst in dikwandige tanks, al zijn er alternatieven in ontwikkeling waarbij de waterstof pas bij gebruik wordt vrijgemaakt.
Overvloed
Metalen scoren wat betreft energiedichtheid uitstekend, sommige zelfs beter dan fossiele brandstoffen. Het enige probleem is dat men nog niet weet hoe metalen hun energie het meest efficiënt kunnen afstaan en weer opnemen. Naast de hoge energiedichtheid kent metaal meer voordelen. IJzer en aluminium zijn in overvloed op aarde aanwezig, bij de verbranding komt geen CO2 vrij, en uit de verbrandingsresten zijn de metalen terug te winnen.
Tijdens een seminar aan de TU Eindhoven, waar de Canadezen hun ideeën uiteenzetten, heeft een internationaal gezelschap een metal fuels roadmap geformuleerd. Die plannen moeten de techniek werkend zien te krijgen. Een van de grootste hobbels is de regeneratie: hoe zijn door toevoeging van (schone) energie de metaaloxiden weer om te zetten in metalen? Technisch kan het, maar de huidige oplossingen zijn complex en weinig efficiënt. Onderzoek zal hier antwoorden moeten vinden, de TU/Eindhoven wil die onderzoeksvragen oppakken.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.