Zonnebrandstoffen

Vloeibare brandstoffen zullen er altijd blijven, denkt verbrandingstechnoloog Philip de Goey. In de toekomst halen we die uit de zon. Warna Oosterbaan

Philip de Goey grijpt naar een cilindervormig apparaatje dat op zijn bureau staat. “Een microturbine”, zegt hij. “Maakt ongeveer 100.000 toeren per minuut.” Hij schroeft het lichtmetalen cilindertje uit elkaar en legt uit hoe het werkt. Met een compressor en een roterende verbrandingskamer waarin het toegevoerde gas verbrand wordt. Een soort draaiende zon, zoals we die van het vuurwerkpakket kennen. “Het is een product van MTT, ze zitten hier in Eindhoven. We hebben ze geholpen bij het stabiel krijgen van de vlam.”

Deze microturbine is bedoeld om uiteindelijk in een kleine huiscentrale elektriciteit op te wekken. Een hoog rendement heeft hij niet, maar dat is geen probleem, want met de restwarmte kan het huis worden verwarmd. “Dit werkt veel goedkoper dan die Stirlingmotor, die nu in die huiscentrales zit.”

Philip de Goey (1958) is een forse, vriendelijke man die enthousiast praat over fundamenteel onderzoek en technologie. Hij promoveerde in de quantumfysica en is sinds 2000 hoogleraar Verbrandingstechnologie aan de TU Eindhoven.

Dit jaar zal aan hem de jaarlijkse Simon Stevin Meesterprijs worden uitgereikt, de technologische tegenhanger van de Spinozaprijs. Hij krijgt de half miljoen euro en de bronzen sculptuur voor zijn onderzoek op het gebied van schone en zuinige verbranding in gasturbines, motoren, kleinschalige branders en biomassasystemen.

“Ik ben van huis uit theoretisch natuurkundige. Maar ik wilde iets doen wat ik ook aan andere mensen kon uitleggen. Ik ben hier in 1988 vanaf nul begonnen met verbrandingstechnologie en ben heel fundamenteel naar vlammen gaan kijken, de chemie ervan, de kleinschalige vlamstructuur, de basis. Toen we begrepen hoe die processen op het allerkleinste niveau verliepen, zijn we die informatie gaan gebruiken voor het maken van modellen op grotere schaal. En in het lab proberen we die informatie weer te controleren. De modellen zijn zo langzamerhand efficiënt en heel betrouwbaar en ze worden door andere onderzoeksgroepen en bedrijven veel gebruikt.”

We lopen naar het lab. Veel glimmende buizen en afsluiters. Studenten, promovendi en postdocs zijn aan het inregelen en meten.

Victor Kornilov, een postdoc onderzoeker, is bezig met een keramische brander, een blokvormig stukje keramiek waar dunne kanaaltjes doorheen lopen. Het keramiek gloeit rood op. “Dat is een manier om vlammen met een lage temperatuur te krijgen”, zegt De Goey. “Bij vlammen met een hoge temperatuur gaat zelfs stikstof verbranden, dan krijg je die schadelijke stikstofoxiden (NOx). We proberen in deze brander het gas met heel veel lucht te verbranden. De vlamtemperatuur daalt dan en doordat het branderlichaam zelf gaat gloeien en stralen krijg je toch een goede warmteoverdracht.”

“Lambda is drie”, meldt Kornilov. Dat betekent dat het gas met drie keer zoveel lucht wordt verbrand als in de gebruikelijke ‘stoichiometrische’ situatie. NOx = -1 ppm, staat op een digitaal meetinstrument, wat erop duidt dat er geen NOx wordt geproduceerd.

In een kleine ruimte staat een flinke metalen bol met een paar kleine kwartsruitjes. Het is een hogedruk-cel, met een inhoud van één liter. “Je kunt in die cel de condities creëren die ook in een dieselmotor heersen, dezelfde temperatuur en druk. We kunnen aan de bovenkant op allerlei manieren brandstof inspuiten en dan met een hogesnelheidscamera door het kwartsvenster filmen wat er gebeurt. Je kunt het verbrandingsproces op de voet volgen. Hoe de brandstofnevel bij hoge druk vanzelf ontsteekt, hoe het temperatuurverloop in de vlam is. Tot honderdduizend beelden per seconde. ” [zie inzet]

Fundamenteel onderzoek verbinden met praktische toepassingen, daar draait het in deze vakgroep om. Er lopen meestal wel zo’n twintig promovendi rond. Dat levert zo’n vier à vijf promoties per jaar op. En kleine bedrijfjes, start ups van afgestudeerde en gepromoveerde verbrandingstechnologen die in of rond Eindhoven een nieuw product ontwikkelen en het op de markt willen brengen.

“We hebben intensieve contacten. Maar we doen ook veel projecten samen met grote bedrijven. We doen een project met Philips, over de toepassing van hete vlammen bij glasbewerking. We werken aan een project voor een schone heimachine en een schone houtkachel. En we adviseren bijvoorbeeld Bosch-Nefit bij de sturing van de vlam in de cv-ketel. Bijna al onze projecten gaan wel in samenwerking met de industrie. Verder hebben we veel projecten van de Stichting Technische Wetenschappen.

“Het is een jaar of vier geleden dat we de stap naar innovatie hebben gezet. De studenten zijn daar heel enthousiast over.” De CO2-problematiek heeft het onderzoek een nieuw doel verschaft. “Schoon en zuinig”, zegt De Goey. “Daar draait het hier om.”

Wat zijn uw ideeën over de toekomst van de verbrandingsmotor?

“Die zal een functie houden. Het is heel simpel: in het transport moet je ook energie transporteren. Je kunt die energie chemisch opslaan in batterijen, in waterstof of in vloeibare brandstof. Met de laatste methode heb je de meest compacte vorm. De energiedichtheid, dus de hoeveelheid energie per liter, is daar het grootst. Op dat vlak is er geen concurrentie, het scheelt wel een factor honderd met accu’s. Vliegtuigen en grote vrachtwagens kun je niet op accu’s laten werken, dat wordt te zwaar. Waterstof is een interessante energiedrager, maar de opslag is lastig en de energiedichtheid klein. Dus je zit voorlopig aan de verbrandingsmotor en de vloeibare brandstoffen vast.”

Maar die geven vervuiling en co2

“Je kunt vloeibare brandstof op een milieuvriendelijke manier maken. Neem Cyclox. Een onderzoeker van ons, Michael Boot, is er net op gepromoveerd. Cyclox is een brandstof die een uitweg biedt uit het dieseldilemma. Dat dilemma is dat als je bij een lage temperatuur verbrandt, je weinig NOx hebt, maar veel roet en fijne deeltjes. En als je de temperatuur hoger laat worden, neemt de roetuitstoot af, maar de NOx juist weer toe. Maar niet als je cyclox gebruikt. Het bestaat uit een mengsel van gewone diesel met cyclohexanon, een product uit de chemische industrie. DSM produceert het, er wordt bijvoorbeeld nylon van gemaakt. Met dat mengsel krijg je een betere verbranding, doordat in cyclohexanon een zuurstofcomponent zit en doordat het minder snel brandt, waardoor je meer tijd voor menging en dus schone verbranding hebt. De roetuitstoot blijft praktisch nul, ook als je met uitlaatgasrecirculatie de verbrandingstemperatuur omlaag brengt om zo de uitstoot van NOx te onderdrukken.”

Dan is het co2-probleem nog niet opgelost, want dat mengsel wordt uit aardolie geproduceerd.

“Het aardige is dat de structuur van cyclox erg op lignine lijkt. Dat zit in biomassa, maar daar kon tot voor kort eigenlijk weinig mee worden gedaan. De cellulosen uit de biomassa kun je omzetten in ethanol, maar wat je overhield, lignine, was eigenlijk afval. We onderzoeken nu hoe je van lignine cyclox kunt maken.

“Het is een nieuw perspectief, een geweldig verhaal. Geen roet, geen NOx en de CO2-keten is gesloten. Er is al een heuse start up die zich erop heeft gestort, een bedrijfje van vier personen dat heel veel belangstelling krijgt. Eerst wordt de route uit aardolie opgezet, om zo een niche voor dat product te creëren. Dan is de transitie naar het schone product straks gemakkelijker.”

En op de langere termijn?

“Waar het op neerkomt, is dat je moet zoeken naar de meest efficiënte methode om zonne-energie in vloeibare brandstoffen om te zetten. Als de fossiele brandstoffen opraken of te duur worden, zullen we eerst vloeibare brandstof uit biomassa gaan produceren, en daarna, zeg maar vanaf 2050, maken we brandstoffen rechtstreeks uit zonne-energie: sunfuels.

“Er zijn veel manieren om dit te doen. Wat de meest efficiënte methode is, wordt nu onderzocht. Een mogelijke methode: je splitst CO2 in CO en zuurstof, je neemt water en je splitst het in waterstof en zuurstof. Als je CO en waterstof verhit en over katalysatoren leidt, kun je vloeibare brandstoffen maken, dat is al in 1923 ontdekt door Franz Fischer en Hans Tropsch. De Duitsers hebben volgens die Fischer-Tropsch-methode in de Tweede Wereldoorlog op grote schaal benzine en diesel uit steenkool gemaakt.

“Voor dat procédé is de laatste tijd weer meer belangstelling. In Qatar heeft Shell een grote fabriek staan waar ze op die manier uit aardgas diesel maken: gas to liquid (GTL). En in Zuid-Afrika maakt Sasol volgens Fischer-Tropsch benzine en diesel uit steenkool: coal to liquid (CTL). En de laatste fase is dus dat je het van CO2 en water maakt. Veel schoner kan niet.”

Dus de verbrandingsmotor blijft?

“Elektrische aandrijving zal in de stedelijke gebieden de toon aangeven. Maar in het zware transport blijven dieselmotoren belangrijk. Het rendement zal omhooggaan. Dat ligt nu op ongeveer 40 procent, maar 58, 59 procent is waarschijnlijk haalbaar met betere verbrandingsmethoden. Als je dan schone brandstoffen toepast, die geen roet en NOx produceren, dan heb je de problemen aangepakt waar het moet: in de verbrandingskamer. Roetfilters en uitlaatgaskatalysatoren zijn uiteindelijk niet de oplossing, want ze kosten 5 tot 10 procent van het vermogen.”