Zuinigere en schonere verbranding, van houtkachel tot gasturbine

Prof.dr. Philip de Goey - Verbrandingstechnologie

Van grote gasturbines tot houtkacheltjes en dieselmotoren: het werk van prof.dr. Philip de Goey, hoogleraar Verbrandingstechnologie, is enorm breed. De basis is fundamentele kennis van vlammen en verbranding, vanaf het kleinste niveau. Wie denkt dat verbrandingstechnologie door het uitputten van fossiele brandstoffen een doodlopende straat is, heeft het mis. In de toekomst maken we zelf brandstof, direct uit zonne-energie, vertelt De Goey. En die gaat weer gewoon in een verbrandingsmotor – helemaal duurzaam.

Kaarslicht. Verbrandingstechnoloog Philip De Goey denkt daarbij niet alleen aan sfeer en gezelligheid. Hij denkt aan roet. “Het licht dat je ziet, dat is roet die verbrandt. Een gele vlam, dat betekent slechte verbranding. Een blauwe of onzichtbare vlam, dat is goede verbranding”, vertelt de hoogleraar. En dat verhaal, van goede en slechte verbranding, is heel belangrijk in het werk van De Goey.

Dubbel groen

In dieselmotoren ontstaat bijvoorbeeld veel roet, doordat de diesel eigenlijk te snel verbrandt, nog voordat de brandstof optimaal gemengd is met zuurstof. En dus ontstaat er onvolledige verbranding, met roet als gevolg. Als de verbranding heet is, verbrandt de roet voor een deel nog  voordat het in de uitlaat verdwijnt, maar die hitte heeft als nadeel dat er veel NOx ontstaat. Ziedaar het dieseldilemma: koude verbranding – weinig NOx en veel roet, hete verbranding – weinig roet en veel NOx. In de groep van De Goey heeft onderzoeker Michael Boot daar een oplossing voor bedacht: de dieseltoevoeging CyclOx. Die vertraagt de verbranding, waardoor de menging verbetert en het roet voor een groot deel verdwijnt. Een leuke bijkomstigheid: CyclOx kan worden gemaakt uit aardolie maar ook uit lignine, afval van biomassa. Dubbel groen dus.

Grote stappen

De huidige generatie dieselmotoren is al bij lange na niet zo vervuilend meer als de klassieke diesels, maar toch gaat de diesel de komende jaren nog grote stappen zetten, weet De Goey. “Een dieselauto haalt nu een efficiency van zo’n 35 procent. Dat wil zeggen dat 65 procent van de energie die in de diesel zit, via de uitlaat wegvliegt. Wij hebben hier in het lab al een motor staan met een efficiency van meer dan 55 procent, vrijwel zonder uitstoot. En we gaan richting 60 procent. We tonen dit nu aan met een 1-cilindermotor, samen met DAF. Daarna gaan we het verder ontwikkelen met een echte 6-cilinder. Over een jaar of tien mag je dit in vrachtauto’s verwachten. Cruciaal hierbij is regeltechniek. We hebben de regeltechniekgroep van Maarten Steinbuch hier daarom hard bij nodig.”

Diesel is een blijvertje

Diesel klinkt misschien als een brandstof uit een industrieel verleden, maar volgens De Goey behoort diesel juist tot een van de energiebronnen voor de toekomst. Dat begint met de middellange termijn. “Olie raakt inderdaad relatief snel op. Maar we hebben nog gigantisch veel kolen en gas, die we kunnen omzetten naar diesel. Shell doet dat sinds 2011 bijvoorbeeld grootschalig met de GTL (gas to liquid) fabriek in Qatar. Dat levert bovendien veel schonere diesel op.” En ook op de lange termijn is diesel een blijvertje. Want met hetzelfde proces, het Fischer-Tropschproces, kun je ook diesel maken uit biomassa. En in de verdere toekomst gaan we zelfs direct de energie uit zonlicht omzetten in chemische verbindingen, die daarna via Fischer-Tropsch diesel worden; zonnediesel. Hier werkt onder meer katalysehoogleraar Emiel Hensen aan.

Maar wordt niet alle transport elektrisch aangedreven in de toekomst? Dat is heel onwaarschijnlijk, denkt De Goey. “De energiedichtheid van vloeibare brandstoffen zoals diesel, dus de hoeveelheid energie per liter, is vele malen hoger dan die van batterijen. Grote vrachtwagens en vliegtuigen kun je daarom niet op accu’s laten lopen, dat wordt veel te zwaar.”

Siemens en Rolls Royce

De Goey werkt ook aan gasturbines. Denk aan turbines voor elektriciteitscentrales, of straalmotoren voor vliegtuigen – want ook dat zijn turbines. Ongeveer een kwart van de wereldwijde elektriciteitsopwekking komt voor rekening van gasturbines, dus de belangen zijn groot. Niet vreemd dus dat de verbrandingstechnologiegroep samenwerkt met partners als Siemens en Rolls Royce. Zo draait de softwarecode van de gasturbines van Rolls Royce op modellen die ontwikkeld zijn in Eindhoven. Een belangrijke uitdaging is momenteel dat de gasturbines straks op verschillende soorten gas moeten kunnen branden. Nu is dat nog aardgas, maar straks komt er gas uit biomassa bij, gas uit kolenvergassing, gas uit afvalproducten, etc. Elk gas heeft zijn eigen eigenschappen, denk aan verbrandingswaarde en vervuilingen. Hoe houd je de verbranding dan optimaal qua efficiëntie en zorg je voor minimale uitstoot? Ook hier moeten Eindhovense modellen antwoord gaan bieden.

Schone vliegtuigmotoren

Op het gebied van vliegtuigmotoren ging onlangs ging het door de EU gesteunde onderzoeksproject DREAMCODE van start, met als doel een rekenmodel te ontwikkelen waarmee de CO2-uitstoot van nieuwe straalmotoren kan worden gehalveerd, en de NOx-uitstoot met 80 procent kan worden teruggebracht. UHD Jeroen van Oijen is de coördinator van dit project. Het model moet een tool worden waarmee ontwerpers van vliegtuigmotoren hun motoren zo schoon mogelijk kunnen maken.

Je eigen elektriciteitscentrale

De groep van de Goey werkt ook aan verbranding in microturbines, samen met het Eindhovense bedrijf MTT, onder meer voor cv-ketels. Wanneer de microturbine water verwarmt, wekt deze tegelijk ook stroom op. Het centrale idee is dat er zo heel weinig energie verloren gaat; de ‘restwarmte’ van de elektriciteitsopwekking gaat vrijwel geheel in het warme water zitten. De Goey: “En als je een hele wijk hiermee vol zet, heb je als wijk eigenlijk je eigen elektriciteitscentrale.” Zijn groep heeft voor dit project allerlei nieuwe branders ontwikkeld op basis van nieuwe ideeën, zoals recuperatieve branders (die de warmte van de verbrandingsgassen gebruiken om de brandstoffen voor te verwarmen), en katalytisch- en plasma-ondersteunde branders. Het kernidee hierbij is zeer koud te verbranden zonder emissies te vormen, de heilige graal van de verbrandingstechniek.

Koude vlammen

Ook bij eenieder in Nederland thuis kun je technologie tegenkomen die ontwikkeld is in Eindhoven: in cv-ketels. Om de NOx-uitstoot daarvan zo laag mogelijk te krijgen, moet de verbranding zo koud mogelijk zijn. De Goey bedacht daarvoor, jaren geleden, een truc. Hij liet de vlam branden vlak boven een poreuze steen. Daardoor wordt de steen heet – veel heter dan een stuk staal zou kunnen worden – en blijft de vlam koud. De Goey: “Dit zit tegenwoordig in bijvoorbeeld ATAG-ketels”.

Stille cv-ketels

Een ander probleem van cv-ketels is het geluid. Vroeger hadden cv-ketels twee standen: aan en uit. Voor die twee standen moest de ketelproducent het apparaat zo stil mogelijk krijgen, dat was vrij makkelijk. Tegenwoordig zijn cv-kachels ‘continu-variabel’, wat wil zeggen dat ze in principe duizenden standen hebben waarbij ongewenste geluiden kunnen optreden. Regeltechniek gecombineerd met verbrandingstechnologie kan dit probleem oplossen, vandaar dat samengewerkt wordt met prof. Ines Lopez Arteaga uit de groep van prof. Nijmeijer. Promovendus Maarten Hoeijmakers (promotiedatum 28 januari 2014), heeft nu een methode ontwikkeld om cv-ketels in alle werkpunten stil te krijgen, in samenwerking met bedrijven als ATAG, Honeywell en Remeha.

Vlam ondersteboven

Houtkachels kom je in Nederland niet zoveel tegen, maar in bijvoorbeeld Oostenrijk en Scandinavië draait de cv vaak op hout. En daarin valt nog veel te winnen als het gaat om milieuvriendelijkheid. Daarom ontwikkelde de groep van de Goey een prototype-houtbrander die tien keer zo schoon is als de huidige generatie houtkachels. Hoe deed hij dat? Bij houtverbranding komen altijd (brandbare) gassen vrij – pyrolysegassen - die met de hete verbrandingslucht mee naar boven stromen. Daar koelen ze snel af en verbranden daardoor onvolledig. En dat levert roet op. De Goey bedacht een ingenieuze oplossing: hij leidt de rookgassen terug door het hete vuurbed, waardoor de pyrolysegassen wel goed verbranden. De vlam brandt zo eigenlijk ondersteboven. Daarmee is de houtkachel schoner, en ook nog eens efficiënter.

Het probleem van de gasrotonde

Voor gasgestookte cv-kachels voorziet De Goey een flink probleem in de toekomst. De Nederlandse overheid bouwt een gasrotonde, waarmee ook verschillende soorten gas op het Nederlandse net kunnen komen. “Ik vind dat op zich een goed idee, maar het wordt een enorm probleem”,  voorspelt De Goey. Want dat nieuwe gas heeft andere verbrandingseigenschappen dan het Nederlandse gas, en daar zijn de cv-kachels bij iedereen thuis niet op ingesteld. “Toen Nederland rond 1960 overstapte van stadsgas naar aardgas, moest elke brander in Nederland vervangen worden. Maar dit is veel complexer, het gaat om allerlei soorten gas, dat bovendien in een grote range van werkpunten goed moet branden.” Het bedrijf ATAG ontwikkelde samen met De Goey al een eerste vorm van oplossing, een cv-ketel die een heel brede range van gassoorten aankan. Maar die hangt nog bij niemand in huis.

300 bar en 1700 graden

Het onderzoek van de verbrandingstechnologen is voor een belangrijk deel praktijkwerk. In het laboratorium staan verschillende testopstellingen met motorblokken. Hier is het gekste mogelijk. Een dieselmotor laten lopen op benzine bijvoorbeeld, en nog schoon ook. Daarnaast zijn er meerdere onderzoeksruimtes waar veel fundamenteler wordt gekeken, om beter begrip te krijgen van de verbranding zelf. De groep heeft testopstellingen waarin de verbranding plaats vindt in een motor met doorzichtige cilinder en zuiger. Daardoor is het proces zichtbaar, en kunnen onderzoekers met hoge-snelheidscamera’s en lasers analyses doen. En voor het meest fundamentele werk is er de Eindhoven High Pressure Cell. Dat is een afgesloten ruimte van 1 liter met kijkglazen, die op elke temperatuur en druk kan worden gebracht die in een dieselmotor kan voorkomen (maximaal 300 bar en 1700 graden). Door de processen in de EHPC met highspeedcamera vast te leggen, is bijvoorbeeld in detail te zien hoe ingespoten brandstof zich verspreidt en verbrandt.

Chemie van vlammen

De Goey – van huis uit theoretisch natuurkundige – was in het begin, 25 jaar terug, een beetje een vreemde eend in de bijt in het meer praktisch ingestelde Werktuigbouwkunde – de faculteit waar hij nu overigens decaan van is. De Goey begon helemaal bij de basis, bij de chemie van vlammen, de kleinschalige vlamstructuur, etc. “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."

Overal toepassen

“We hebben hier een unieke rekenmethode ontwikkeld, de Flamelet Generated Manifold methode. In een verbranding spelen honderden stoffen en duizenden reacties een rol, dat is te complex om te berekenen. Wij hebben een model weten te ontwikkelen dat toch bijna alle details meeneemt. We zijn daarvoor begonnen met een eenvoudig vlammetje. Nu kunnen we het overal toepassen, bijvoorbeeld op dieselmotoren, en verkopen we de technologie aan grote bedrijven.”

Simon Stevin Meester

De Goey is een leidende figuur in de wereld van de verbrandingstechnologie, met een grote onderzoeksgroep en een enorme lijst publicaties. In 2010 beloonde technologiestichting STW hem met de prestigieuze titel Simon Stevin Meester 2010, wat ongeveer de technische tegenhanger is van de Spinozaprijs. Hij woont, al jaar en dag, in zijn geboorteplaats Budel, pal aan de Belgische grens. Een plaats die hem aan het hart gaat, en waar iedereen hem kent. Hij maakt zich sterk voor behoud van het voortgezet onderwijs in het dorp. Hij zou er misschien ook nog ooit politiek actief willen worden, maar voorlopig niet. Daarvoor is hij nog te druk, bezig met het besturen van de faculteit, en met onderzoek natuurlijk.

Terug naar het overzicht