Is de verbrandingsmotor een vervuilende erfenis uit het verleden die we zo snel mogelijk achter ons willen laten? Niet zo snel! Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven denken een manier te hebben gevonden om deze energiebron duurzaam te maken, zodat hij klaar is voor de 21ste eeuw. Het geheim: waterstof en het edelgas argon. Hun grootste uitdaging is nu een manier te vinden om het gasmengsel op het juiste moment te ontsteken. Of zoals Jeroen van Oijen, onderzoeker bij de faculteit Mechanical Engineering van de TU/e, het formuleert: “We willen weten wanneer we de schommel een zetje moeten geven”. Geïntrigeerd? Lees dan snel verder!
Verbrandingsmotoren, of ze nu met stoom, diesel of benzine worden aangedreven, zijn lange tijd de drijvende kracht geweest achter onze moderne wereld. Zorgen over de schade die deze motoren toebrengen aan het milieu, als gevolg van hun CO2 en NO-uitstoot, maken ze echter tot een verdachte erfenis, die vaak in één adem wordt genoemd met kolengestookte elektriciteitscentrales. Veel onderzoekers die werken aan duurzame energieopwekking, willen daarom verder kijken dan verbranding als middel om energie te produceren. Toch denkt Jeroen van Oijen dat het nog te vroeg is om de verbrandingsmotor af te schrijven.
Vertel Jeroen, waarom denk jij dat het nog te vroeg is om de verbrandingsmotor af te schrijven?
“Wij aan de TU/e geloven sterk dat we de verbrandingsmotor zo kunnen vernieuwen dat hij ook in de 21e eeuw nog meekan. Om dit te bereiken, onderzoeken we een aantal milieuvriendelijke verbeteringen voor deze motor (zie hier en hier). Een van de dingen waarmee ik me bezighoud, is de zogeheten Argon Power Cycle (APC). APC is een revolutionaire technologie, die in plaats van lucht argon gebruikt als werkvloeistof. Combineer dat met waterstof als brandstof, en je hebt een uiterst efficiënte machine, die niet alleen emissievrij is, maar ook kan helpen bij de opslag van groene energie uit zon en wind”.
Waarom argon?
Lucht bestaat voor 1 procent uit argon. Het is dan ook het goedkoopste en meest gebruikte edelgas. Op deze foto zien we een flacon met gloeiend ultrapuur argon. Beeld TU/E
“Argon is een edelgas, wat betekent dat het niet reageert met andere gassen. Maar belangrijker: het bestaat slechts uit één atoom. Dat is een belangrijk voordeel ten opzichte van lucht, dat voornamelijk bestaat uit tweeatomige moleculen zoals stikstof en zuurstof. Als je lucht samenperst, zoals in een normale verbrandingsmotor, beginnen de moleculen in de lucht te trillen en te draaien. Een deel van de toegevoerde energie wordt dan opgeslagen als interne energie, in plaats van dat hij wordt gebruikt om de kinetische energie te maximaliseren die nodig is om de zuiger te duwen. Bij gebruik van argon wordt alle toegevoerde energie omgezet in interne druk in de zuiger. Dit betekent dat het rendement met ongeveer 25 procent kan worden verhoogd, tot waarden boven 80 procent!”
“Je vraagt je misschien af waarom we nog steeds lucht gebruiken in onze motoren, als argon zo’n magisch gas is. Wel, lucht is er in overvloed, het is overal om ons heen. Maar, belangrijker: lucht bevat al de zuurstof die je nodig hebt om de brandstof te verbranden en de chemische energie om te zetten in warmte. Als je op argon overschakelt, moet je de zuurstof apart inspuiten”.
En waar haal je die argon vandaan?
“Argon is ruim voorhanden in lucht en kan goedkoop aan lucht worden onttrokken als bijproduct van cryogene destillatie. Je hoeft dat maar één keer te doen: omdat argon een edelgas is, doorloopt het het verbrandingsproces zonder te reageren met andere gassen, dus aan het eind heb je weer argon. Het enige wat je moet doen is het afkoelen, zodat je het water kan verwijderen dat bij het verbrandingsproces is ontstaan. Als je argon eenmaal in een gesloten systeem hebt gebracht, kan het steeds opnieuw worden gerecycled, in een eindeloze gesloten kringloop.”
Wat heb je nog meer nodig behalve argon?
“Zoals ik al zei, willen we waterstof als brandstof gebruiken, in plaats van fossiele brandstoffen zoals benzine of diesel. Waterstof heeft twee grote voordelen: als het met zuurstof reageert, krijg je gewoon water als eindproduct, in plaats van schadelijk CO2 en NO. Ten tweede, en dit is echt belangrijk: waterstof is een veelbelovend opslagmateriaal voor groene energie. Dat betekent dat je duurzame energie tot je beschikking hebt wanneer je die nodig hebt, en niet alleen als er zon en wind is!”
Ik heb begrepen dat er nog wel wat hobbels zijn te nemen, voordat we een volledig werkende en efficiënte APC-motor hebben. Wat zie jij als de belangrijkste uitdagingen voor dit onderzoeksproject?
“Zoals ik al zei, om de verbranding op gang te krijgen moet je brandstof en zuurstof in het verbrandingssysteem brengen. Dit is de trigger die alles in gang zet. In het ideale geval injecteer je de brandstof en zuurstof wanneer het argon volledig is samengedrukt, omdat je dan het hoogste rendement hebt. Maar praktisch gezien is het gemakkelijker om de reactanten vóór de compressie in te spuiten. Het probleem daarbij is dat argon de neiging heeft zeer snel op te warmen wanneer het wordt samengeperst. Het mengsel ontbrandt dan voordat je de optimale druk hebt bereikt. Dit heeft uiteraard gevolgen voor de efficiëntie van het systeem. Stel je een schommel voor in een speeltuin: die wil je ook een zetje geven precies op het moment dat je inspanningen de meeste vaart creëren, en niet een seconde eerder of later. Hetzelfde geldt voor de zuiger in de verbrandingsmotor.”
Schematische weergave van de werking van de Argon Power Cycle met gebruik van waterstof als brandstof.
Dus je hebt nieuwe technieken nodig om het verbrandingsproces in een argonmotor te controleren?
“Precies. In het onderzoeksproject willen we drie mogelijke oplossingen onderzoeken. De eerste lijkt de meest veelbelovende, omdat die lijkt op de methode die we al gebruiken in een dieselmotor. Hierbij wordt de waterstof pas ingebracht nadat het argon en de zuurstof volledig zijn samengeperst. Dit voorkomt voortijdige ontbranding, maar er zijn nog enkele problemen op te lossen. Het blijkt namelijk vrij lastig om waterstof in een samengeperst gas te injecteren, omdat het extreem licht is.”
“Een tweede alternatief dat we willen onderzoeken, lost dit probleem op door waterstof en argon in te spuiten wanneer de druk nog laag is, en zuurstof, een zwaarder gas dan waterstof, in een later stadium toe te voegen wanneer de druk hoog is. Het probleem hierbij is dat dit nog nooit eerder is geprobeerd, en dat zuurstof bij hoge druk de neiging heeft te reageren met het metaal van de injector, wat leidt tot corrosie.”
“Tenslotte willen we kijken naar de mogelijkheid om zowel waterstof als zuurstof in een later stadium van de cyclus te injecteren. Hier is de uitdaging om de injectie van de twee gassen op elkaar af te stemmen om ervoor te zorgen dat beide gassen elkaar kunnen vinden en op het juiste moment reageren.
Stel dat jullie in staat zijn deze problemen op te lossen, en we hebben over 5 tot 10 jaar een APC-motor die geen CO2 uitstoot en ook nog zeer efficiënt is. Wat zie jij als de belangrijkste toepassing van deze motor?
“In de eerste plaats denken we dat de APC-motor zal worden gebruikt om elektriciteit te genereren, gebruik makend van stroom die is opgewekt met wind- en zonne-energie en opgeslagen in waterstof. Maar onze argonmotor werkt ook met aardgas of biobrandstoffen. Natuurlijk is hij dan niet meer koolstofvrij, maar het mooie van onze opstelling is dat hij gesloten is. Dat maakt het veel gemakkelijker en goedkoper om de CO2-uitstoot op te vangen. Die kunnen we dan gebruiken als grondstof voor de chemische industrie. Om de CO2 eruit te filteren gebruiken we een geavanceerd membraan dat maar een beperkt effect heeft op het totale rendement van het systeem.”
En auto’s en vrachtwagens?
“Ik ben bang dat ons systeem waarschijnlijk minder geschikt is voor wegvoertuigen, vanwege het relatief hoge warmteverlies in kleinere motoren. Maar we zien er wel een toekomst voor in settings waar je heel grote motoren nodig hebt, zoals in schepen.”
Lees Link magazine digitaal of vraag een exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl
Tot slot, heeft de TU/e ook plannen om de APC-motor op de markt te brengen?
“Ik werk samen met een onderzoeker in Berkeley, die al een start-up is begonnen om dit product te commercialiseren. Zijn naam is Miguel Sierra Aznar, en hij was vroeger een masterstudent van mij. Zijn bedrijf heet Noble Thermodynamics. We werken ook samen met Winterthur Gas & Diesel om toekomstige marktmogelijkheden te onderzoeken. Maar het duurt natuurlijk nog wel even voordat de argonmotor klaar is voor de markt. Eerst moeten we zorgen dat we het wetenschapelijk allemaal op orde hebben, zodat onze APC-motor zo schoon en efficiënt mogelijk is!”
Het APC-onderzoeksproject wordt gefinancierd door een Vici-subsidie van NWO.
Bron TU Eindhoven
