Onder de naam Eco-Runner gaat al twintig jaar een steeds verjongd team van TU Delft-studenten de uitdaging aan om een innovatieve duurzame auto te engineeren. Na een aantal jaren aan de optimalisering van de waterstofauto te hebben gesleuteld, zijn de ingenieurs in spe ditmaal een heel ander pad ingeslagen. De jongste aanwinst in de reeks van Eco-Runner-voertuigen is brandstof-flexibel: de motor kan op meerdere (bio)brandstoffen draaien.
Op 27 mei voegde een 26-koppig Eco-Runner-team van de TU Delft in de Koninklijke Schouwburg in Den Haag een nieuw prototype toe aan zijn reeks van duurzame auto’s. Als apotheose van een vlotte verbale en audiovisuele presentatie reed de Eco-Runner XVI het podium op. Al deed het hyper-aerodynamische autootje dat nog niet op de bijzondere motor die ervoor is ontwikkeld – daarvoor leende de chique schouwburg zich niet. Op Twente Airport en het circuit van Zandvoort mag de bijzondere motortechniek van het voertuig zich wel gaan bewijzen.
Energietrilemma
Uitgangspunt voor de ontwikkeling van de Eco-Runner XVI is het idee dat er geen ideale energiebron bestaat. Daarom is het beter een auto te hebben die niet op één maar op meerdere energiebronnen kan rijden, dus brandstof-flexibel is. De gedachte dat elke energiebron voor- en nadelen heeft concretiseerden de studenten aan de hand van een energie-trilemma: beschikbaarheid (availability), betaalbaarheid (affordability) en milieuvriendelijkheid (clean). Actueel is de geopolitieke invloed van de Iran-oorlog op de beschikbaarheid en de prijs van benzine en diesel. De schone energiebronnen wind- en zonne-energie zijn weliswaar goedkoper dan fossiele energie maar hebben weer als nadeel dat ze niet elk moment (voldoende) beschikbaar zijn.
Bij deze voorstelling van zaken valt wel een kanttekening te plaatsen. Van echte trade-offs kun je bij dit trilemma niet spreken: een hoge prijs valt immers min of meer samen met een lage beschikbaarheid en omgekeerd. Je kunt tussen die twee dus veelal niet echt kiezen. Kansrijker is brandstof-flexibiliteit wellicht met betrekking tot dynamische energieprijzen. Voor zonne- en windstroom is de prijsfluctuatie gedurende de dag momenteel al heel sterk. Een dergelijk sterke prijsdynamiek is minder waarschijnlijk voor brandstoffen. Wel zal er sprake zijn van een onderlinge prijsdynamiek tussen gelijkwaardige brandstoffen, waardoor het ene moment de ene goedkoper is dan de andere en op een ander moment omgekeerd. Dan steeds kunnen kiezen, is een duidelijk voordeel.
Hoe dan ook, het Eco-Runner-team heeft vanuit het ecologische uitgangspunt de logische keuze gemaakt voor duurzame brandstoffen (clean), zoals bio-CNG, bio-LNG en bio-methanol. Deze brandstoffen zijn op dit moment goedkoper dan benzine en diesel.
Micro gasturbine
Hamvraag tijdens de presentatie was natuurlijk waaruit die brandstof-flexibele motor van de Eco-Runner XVI bestaat? Een diesel- of benzinemotor is specifiek gebouwd en heel minutieus afgesteld op de brandstof, waardoor de motor bij de ‘verkeerde’ brandstof op z’n best hapert en op zijn slechtst helemaal in de soep draait. De Eco-Runners hebben dit probleem ondervangen met een micro gasturbine (MGT). De werking is als volgt. Lucht stroomt een compressor binnen, waar deze wordt samengeperst. De samengeperste lucht stroomt langs een warmtewisselaar, die de lucht voorverwarmt met de warmte uit de uitlaatgassen. Vervolgens komt de warme lucht in de verbrandingskamer, waar brandstof wordt ingespoten en ontstoken. De resulterende hete, hoogenergetische gassen zetten uit in de turbine, waardoor die met hoge snelheid (180.000 tpm) gaat draaien. De rotatie-energie wordt omgezet in elektrische energie door de generator die is aangesloten op de turbine-as. Met de stroom wordt een elektromotor gevoed die het voertuig aandrijft. Doordat de uitlaatgassen langs de warmtewisselaar gaan voordat ze worden uitgestoten in de atmosfeer wordt brandstof bespaard.
Rest nog de vraag hoe het systeem opstart. Dit gebeurt uiteraard gewoon met een accu. Via een omvormer laat stroom vanuit de accu de generator werken als een elektromotor die de turbine op ongeveer 70.000 toeren brengt. Vanaf dat moment is de verbrandingskamer voldoende heet en het verbrandingsproces stabiel genoeg om de gasturbine het over te laten nemen. Zodra dit gebeurt, schakelt de generator over van de motormodus naar de stroomopwekkingsmodus.
SOFC
Van de restwarmte (uitlaatgassen) van de MGT willen de Eco-Runners in hun volgende project nog op een andere manier gebruik gaan maken. Het idee is om de MGT te combineren met een Solid-Oxide Fuel Cell (SOFC) op basis van groene waterstof. Het chemische proces in de brandstofcel – via een anode (2H2 + 2O2- ⟶ 2H2O + 4e–) en een kathode (O2 + 4e– ⟶ 2O2-) en als elektrolyt een vast, niet-poreus oxide (keramiek) – wekt elektriciteit op, waarmee een elektromotor wordt gevoed. SOFC werkt op een hoge temperatuur (tussen 800°C en 1100°C). Hierin kan de restwarmte van de MGT voorzien. Het gaat bij SOFC overigens om een omkeerbaar proces: een elektrolyser op basis van een vast oxide (SOE) produceert waterstof uit water.
Een MGT-systeem heeft een lager energierendement dan een normale brandstofmotor op benzine, diesel of autogas. Deels wordt hiervoor compensatie bereikt met hyper-aerodynamica en lichte materialen. Maar met het implementeren van SOFC de komende jaren is theoretisch een rendement van 70-80% mogelijk, denkt het Eco-Runner-team. Wat dan weer een stuk hoger ligt dan dat van de normale verbrandingsmotor.
Of MGT kan doorbreken als een alternatieve aandrijftechniek voor auto’s – en wellicht zelfs voor de scheepvaart en het zwaar transport, zoals het team kansrijk acht – laat zich niet voorzien. In ieder geval is de Eco-Runner XVI zonder meer een interessant technisch experiment, dat een even interessant vervolg krijgt met de integratie van SOFC. Over een jaar weten we weer meer.
