Turbines en verbrandingsmotoren op diesel, benzine en gas bestaan ruim een eeuw. De slurpende vervuilers van weleer worden steeds stiller, krachtiger, zuiniger en schoner. Het rendement van een stationaire dieselmotor ligt tegenwoordig op vijftig procent. Een gasturbine haalt zelfs zestig procent. Maar het plafond van efficiëntie is nog steeds niet bereikt. Daar zijn de onderzoekers van de capaciteitsgroep Combustion Technology (CT) heilig van overtuigd. Zij richten zich onder meer op de kern van het verbrandingsproces: de vlam. Een onvoorspelbaar element, even grillig als complex. Wie de geheimen weet te achterhalen, kan het verbrandingsproces beter voorspellen en manipuleren.

Dat geldt evenzeer voor de nieuwe milieuvriendelijke biobrandstoffen die in opkomst zijn. Welke mengvorm levert, in combinatie met een bepaalde vlam, het optimale resultaat? Het is een haast eindeloos samenspel van elementen dat via ‘trial and error’ opgehelderd kan worden. Maar dat is erg kostbaar en tijdrovend. Daarom ontwikkelde CT enkele jaren geleden een rekenmodel om de wisselwerking tussen verbrandingstechniek en brandstof beter te voorspellen. Met voortschrijdend inzicht is het model telkens aangepast en uitgebreid.

Dr.ir. Bart Somers en dr.ir. Rob Bastiaans zijn twee CT-onderzoekers die gebruikmaken van dit model. Ze houden zich met verschillende researchprojecten bezig, maar jagen hetzelfde doel na: een verbranding die optimaal rendeert en zorgt voor een minimale uitstoot. Een zoektocht die wereldwijd bijval krijgt van het bedrijfsleven.

Bastiaans richt zich op het verbeteren van turbines. Hij heeft gelijktijdig twee projecten lopen: één voor Rolls Royce Berlijn dat vliegtuigmotoren produceert, een ander voor Siemens Power Generation in de Verenigde Staten dat elektriciteitscentrales fabriceert. In beide gevallen gaat het om onderzoeken waarin de bedrijven voor enkele tonnen participeren en waarmee aio’s en een postdoc kunnen worden bekostigd. De TU/e-onderzoeker werkt daarnaast samen met de Universiteit Twente aan een onderzoek naar verbrandingstechniek waarin bedrijven als Electrabel, Shell, Thomassen/ Ansaldo turbines systems en de Nederlandse vereniging van Vlamonderzoek deelnemen.

“De problemen zijn overal hetzelfde”, zegt Bastiaans met een grijns. “Waar wil je heen met je CO2?” Alles wijst erop dat elektriciteitscentrales in de toekomst hun uitstoot gaan nabewerken en kooldioxide gescheiden zullen opvangen. Als de CO2 vervolgens onder de grond wordt gepompt, zou dat remmend werken op het broeikasgaseffect. Bastiaans: “Als je dat doet met brandstoffen gebaseerd op biomassa, voer je zelfs CO2 af uit de atmosfeer.” Voor mobiele toepassingen is dat nog een brug te ver. Somers: “Je kunt geen grote zak aan de uitlaat van een auto binden.”

Bart Somers.

Biobrandstoffen
De sleutel tot een schoner milieu ligt daarom niet alleen in betere verbrandingstechnieken en het achteraf opvangen van CO2, maar evengoed in het gebruik van biobrandstoffen. Het verwijt dat de verbouw van koolzaad, rietsuiker en andere gewassen ten koste gaat van de voedselproductie, is volgens Bart Somers achterhaald. “Bij de eerste generatie gewassen werden inderdaad de vruchten gebruikt voor het maken van ethanol. Maar we zijn al volop bezig met de tweede generatie biobrandstoffen die uit organisch restmateriaal wordt gewonnen. Dat kunnen ‘houtachtige’ substanties zijn zoals maïsstengels, rietsuikerstengels en gft-afval. Of slib en mest. Ze hebben in ieder geval geen negatieve invloed meer op de voedselproductie.”

Het maken van alternatieve brandstoffen dateert al van de jaren twintig van de vorige eeuw. De Duitse geleerden Fischer en Tropsch ontwierpen een procedure om een gasmengsel (CO) en waterstof om te zetten in vloeibare brandstoffen. Deze synthese wordt slechts beperkt toegepast door onder andere het Zuid-Afrikaanse bedrijf Sasol en Shell in Maleisië. Vanwege de slinkende olievoorraad en de enorme reserve aan kolen en gassen, neemt de belangstelling voor het proces echter sterk toe. “Je kunt alle soorten brandstof maken. De vraag is alleen: hoe willen we dat die brandstof eruit ziet? Welke brandstofmix is het beste voor welk verbrandingsconcept”?, zo werpt Somers op.

Zijn onderzoek naar schonere en zuinigere dieselmotoren geniet facilitaire steun van onder meer DAF, Shell en het Nederlandse technologiebedrijf Avantium, dat in 2007 de nieuwe biobrandstof ‘Furanics’ lanceerde. De diesel wordt in een katalytisch proces binnen enkele minuten gewonnen uit glucose (suikers). Bij een test draaide een Citroën Berlingo-diesel probleemloos zes uur achter elkaar op een mengsel van driekwart diesel en een kwart Furanics. Daarbij kwam zeventien procent minder roet en geen zwavel vrij.

Inspuiting
Volgens Somers biedt vooral homogene verbranding perspectief zoals een tussenvorm van diesel- en benzinemotor die biedt. Daarvan is de zogeheten HCCI-motor (Homogeneous Charge Compression Ignition) nog in ontwikkeling. Het is in feite een dieselmotor met trekjes van een benzinemotor. Het brandstofmengsel ontsteekt nog steeds vanzelf, maar de mengselvorming lijkt op die van een benzinemotor. Vooral een gecontroleerde vloeiende overgang naar het HCCI-regime heeft ingenieurs decennialang hoofdbrekens gekost en is nog niet bereikt. Maar naar verwachting zal de HCCI-motor in de nabije toekomst rijp zijn voor productie. Een al werkbare variant is de zogeheten PCCI-motor (Premixed-Charge Compression Ignition). Deze verschijnt dit jaar op de weg. Het gaat om een motor waarbij de brandstof eerder wordt ingespoten en er een gedeeltelijk voorgemengd mengsel ontstaat wat bij een diesel ongebruikelijk is. Normaal verbrandt de diesel namelijk direct bij inspuiting. De nieuwe manier van inspuiting zorgt ervoor dat de temperatuur relatief laag blijft en de uitstoot van NOx en roet veel lager zijn.

Flamelets
Bastiaans: “Verbrandingstechnologie is heel ingewikkeld. Het is een uiterst complex samenspel van stroming, chemie en thermodynamica. Alles gebeurt tegelijkertijd in een gesloten circuit.” Voor onderzoek heeft de vakgroep daarom een moderne DAF-motor aangepast die half open is en waar met een camera op hoge snelheid (tot wel honderdduizend frames per seconde) het verbrandingsproces in de cilinder wordt gefilmd. De vertraagde beelden die later worden afgespeeld, brengen de onderzoekers dichter bij de kern van de zaak: de vlam. De beschrijving van de inwendige structuur van een vlam is echter een ingewikkeld probleem. Door de sterke wisselwerking tussen de stroming van de gassen en de chemische reacties wordt er overal aan de vlam gemorreld en getrokken. Bij de verbranding van bijvoorbeeld methaan verlopen meer dan driehonderd chemische reacties in een heel smal gebied dat het vlamfront wordt genoemd. Hierbij ontstaan en verdwijnen meer dan vijftig tussenproducten met ieder een eigen rol in het proces. Om realistische simulaties mogelijk te maken van hoogturbulente vlammen worden daarom ‘flamelets’ gebruikt. Onderzoekers kleden ‘voor het gemak’ de turbulente vlam uit en delen hem op in een statistisch geheel van flamelets. Hierdoor kunnen berekeningen worden uitgevoerd zonder bijkomende gedetailleerde chemiecalculaties. Somers: “Je weet wat je in de tank gooit en wat er daarna door de uitlaat uitkomt. De grote pijn bij het vlamonderzoek zit in het dunne scheidsvlak tussen ‘onverbrand’ en ‘verbrand’. In minder dan een milliseconde verlopen bij hoge temperatuur honderden, zo niet duizenden reacties.”

Dat is numeriek een enorme klus om te berekenen en vervolgens weer terug te stoppen in een theoretisch model. Toch scoort de rekenmodule van de vakgroep CT goed. Bastiaans: “We blijven onze methode valideren en nemen steeds meer aspecten mee. We proberen theorie en rekenmodellen bij elkaar te brengen en aannemelijk te maken. Dat wij dat kunnen en mensen het ook geloven, verklaart ons succes.”

Somers en Bastiaans zijn overigens eensgezind over dé oplossing van het broeikaseffect. “Als iedereen de auto laat staan en thuis zou blijven, pak je de grootste winst”, klinkt het lachend./.