Dat we als mensheid waarschijnlijk een groot probleem hebben door onze tomeloze CO₂-uitstoot, is sinds de film ‘An Incovenient Truth’ van Al Gore een algemeen bekend gegeven. We moeten fossiele brandstoffen achter ons laten en overschakelen op CO₂-neutrale brandstoffen. En daarmee komen we terug bij onze oerbrandstof: hout. Want bij de verbranding van hout komt weliswaar kooldioxide vrij, maar daar staat tegenover dat bomen gedurende hun leven net zo veel CO₂ uit de lucht halen; CO₂-neutraal dus.
Aan houtverbranding zitten echter ook nadelen. Houtverbranding is ‘vuil’, er komen allerlei ongewenste afvalproducten bij vrij, zoals fijnstof. En dat willen we ook niet in de atmosfeer hebben. De normen voor fijnstof zijn zeker in Europa de laatste jaren flink aangescherpt. Zozeer dat in Nederland al enkele bouwprojecten en plannen voor verbreding van snelwegen zijn stilgelegd, allemaal vanwege onacceptabele concentraties fijnstof, afkomstig van onder meer auto’s en de industrie. Ook houtkachels behoren tot de boosdoeners.
In Oostenrijk, Duitsland en in de Scandinavische landen is een houtverbrander als hart van de huisverwarmingsinstallatie heel normaal. In Nederland echter niet, houtkachels zijn hier een rariteit. Want iedereen stookt hier aardgas - gas uit de Nederlandse aardgasbel. “Maar die bel gaat ook ooit op. En wat gaan we dan doen?”, vraagt Carlo de Best zich hardop af.

Simpel
Het probleem van de fijnstofuitstoot bij houtverbranding is voor grote, industriële houtverbranders wel al opgelost. Voor deze grotere installaties zijn er filters die het fijnstof uit de uitlaatgassen halen. Deze filtersystemen zijn echter niet kostenefficiënt bij kleine en middelgrote systemen, zoals een cv-installatie voor een woning. Specifiek hiervoor onderzocht De Best de levensvatbaarheid van een alternatieve manier om de rookgassen te reinigen.
Zijn idee is even simpel als vernieuwend. Een verwarmingsinstallatie heeft altijd een warmtewisselaar. Dat is een element waarmee hitte van het ene medium (hete verbrandingsgassen) wordt overgebracht op een ander medium (verwarmingswater). Doordat de rookgassen in de warmtewisselaar afkoelen -ze geven immers warmte af aan het verwarmingswater- kan condensatie optreden op de ‘koude’ wand van de warmtewisselaar. Geen condensatie van water in dit geval, maar van de moleculen die fijnstofdeeltjes vormen. Normaal gesproken wil je dat niet hebben, want door de achterblijvende materie vervuilt de warmtewisselaar. De Best probeerde dit neerslaan van moleculen juist te stimuleren. Want als er genoeg neerslaat, hoef je de uitlaatgassen niet meer apart te filteren. En daarmee heb je dus twee apparaten in één: een warmtewisselaar en een rookgasreiniger.

De promovendus begon met het onderzoeken van de fysische processen. En dan vooral met de vraag: hoe kan ik ervoor zorgen dat zoveel mogelijk fijnstofmoleculen blijven hangen aan de wanden van de warmtewisselaar? Doel daarbij is de moleculen te laten vastplakken aan die wanden voordat ze samenklonteren en echte aerosolen -fijnstofdeeltjes- vormen. Uit zijn berekeningen van de mechanismes kon De Best concluderen dat het verkleinen van de diameter van de kanaaltjes waardoor de rookgassen stromen tot enkele millimeters, zou kunnen leiden tot tachtig procent afname in fijnstof ten opzichte van huidige boilers.
Een verdere modelmatige analyse leerde nog iets anders: als je de rookgassen langzaam afkoelt, slaat er meer stof neer dan bij snelle afkoeling. Dit komt doordat fijnstofmoleculen het liefst samenklonteren op koude plekken. Dat kan een koude buiswand zijn, maar ook een koud deeltje in het rookgas. En dat laatste wil je niet, want de deeltjes die samenklonteren in het rookgas verliezen hun mobiliteit; ze worden met het gas meegevoerd en komen in de buitenlucht. De kunst is nu om de buistemperatuur zo laag te houden dat daar wel condensatie op plaatsvindt, en tegelijkertijd de rookgassen zo warm te houden dat het daar níet gebeurt.
Bij het Austrian Bio-Energy Center in het Oostenrijkse Graz verifieerde hij de opgedane kennis met praktijktesten. Die bevestigden wat de theorie had voorspeld - maar er bleken wel grenzen aan te zitten. Zo probeerde hij een warmtewisselaar met rookkanaaltjes van slechts één millimeter doorsnede. Dat werkte niet, onder andere doordat de rookgassen al afgekoeld waren voor ze de kanaaltjes ingingen - en dus waren fijnstofmoleculen al samengeklonterd. Bovendien is bij zulke kleine kanaaltjes de kans op verstopping groter én het is aanzienlijk duurder om te produceren.

De door De Best ontworpen warmtewisselaar.
De kleuren geven de temperatuur aan. Door de rij gaten blijft het voorste deel van de koelribben relatief warm.

Gaten
Met onder meer deze kennis ging De Best aan de slag om zijn nieuwe apparaat daadwerkelijk te ontwerpen en te maken. Na enkele prototypen kwam hij uit bij een fin tube heat exchanger, te zien op de afbeelding. De hete verbrandingsgassen stromen tussen de koelribben -de fins- door, het op te warmen water stroomt door de buizen. Om het afkoelen van de gassen langzaam te laten verlopen -en dus meer fijnstofmoleculen te laten condenseren- zit er een rij gaten in de platen. Hierdoor kan de warmte minder gemakkelijk naar de koele buizen vloeien en blijft het eerste deel van de platen dus relatief warm. Met als gevolg: tachtig procent reductie van fijnstof, bleek bij testen.
Zijn twee-in-één-apparaat werkt dus. En blijkbaar heeft niemand er ooit eerder aan gedacht. Want het ontwerp heeft de belangrijkste horde op weg naar een octrooi al gehaald: het nieuwheidsonderzoek. “Het is dus echt nieuw. Het is nu alleen nog de vraag in welke landen we octrooi willen”, vertelt prof.dr.ir. Bert Brouwers, de eerste begeleider van De Best.
En commercieel perspectief lijkt er ook. Het Duitse bedrijf Viessmann, dat een vooraanstaande plaats heeft in de Europese markt op het gebied van verwarmingssystemen, is al begonnen met testen om het product klaar te maken voor commerciële toepassingen. Een jaar of twee duurt het nog, denkt de hoogleraar, en dan zal de nieuwe warmtewisselaar verkrijgbaar zijn. Met als unique selling point: de lage fijnstofuitstoot. En dat tegen amper extra kosten. De Best: “De operationele kosten zijn nagenoeg nul. Je hoeft het element alleen periodiek te reinigen.” Hoewel hij dit aspect niet onderzocht heeft, verwacht hij dat het niet vaker nodig zal zijn dan eens in een aantal maanden. Dat kan met een klopmechanisme, denkt de promovendus, doordat het stof niet stevig vast zit in de kanalen. Maar dat mechanisme moet de Duitse producent nog ontwikkelen.

Trucker
Carlo de Best zal daar niet meer aan meewerken. Hij is toe aan een nieuwe uitdaging, vindt de dertigjarige, die zichzelf ‘geen doorsnee promovendus’ noemt. Echt doorsnee is hij inderdaad niet. Naast zijn promotieonderzoek werkt de promovendus in de weekends al jaren als vrachtwagenchauffeur, met trekker en oplegger. Want dat was zijn droomberoep, toen hij in 1989 aan de mavo begon. Maar na de mavo kwam de MTS -die hem wel heel makkelijk afging-, waarop hij ook maar de HTS deed (cum laude), een master Werktuigbouwkunde aan de TU/e (cum laude) en uiteindelijk zelfs deze promotie. Nu, na achttien jaren van opleiding op opleiding, wil hij in het bedrijfsleven gaan werken, bij voorkeur op een coördinerende functie in de productontwikkeling. En als het even kan, blijft hij het ‘trucken’ erbij doen./.

Ir. Carlo de Best verdedigt op maandag 17 december om 14.00 uur in het Auditorium zijn proefschrift getiteld ‘Novel aerosol condensing heat exchanger for small scale biomass combustion applications’.

Het onderzoek van Carlo de Best is onderdeel van het EU-project BioAsh, een project dat gericht is op het tegengaan van fijnstof- en as-uitstoot bij de verbranding van biomassa. De coördinator van dit project is de Oostenrijker prof.dr.dipl.ing. Ingwald Obernberger van de TU in Graz. Hij heeft tevens een parttime aanstelling aan de TU/e en is hoofdonderzoeker bij het Austrian Bio-Energy Center (ABC), een vooraanstaand kenniscentrum op het gebied van de verbranding van biomassa. De Process Technology-groep van TU/e-prof Bert Brouwers werkt nauw samen met het ABC.