Zo is er misschien toch nog toekomst voor de verbrandingsmotor

Een groep onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven denkt dat er toch nog een toekomst is voor de verbrandingsmotor. Het geheim zit hem in groene waterstof in combinatie met het edelgas argon. Dit gas zit gewoon in de lucht en kan goedkoop geproduceerd worden bij het scheiden van lucht. Met de Argon Power Cycle (APC) kan de uitstoot van CO2 en stikstofoxide worden teruggebracht tot een minimum.

Bijna iedereen heeft de verbrandingsmotor toch al opgegeven, waarom…?

Nog voor de vraag helemaal gesteld is, begint Jeroen van Oijen, onderzoeker bij de faculteit Mechanical Engineering, te lachen: “Dat is echt onzin hoor. Misschien dat dit geldt voor licht vervoer zoals personenauto’s en kleine vrachtwagens of bestelbusjes. Die zullen in de toekomst allemaal elektrisch zijn. Maar voor verre en lange ritten zijn elektromotoren nog niet zo geschikt, dus verbrandingsmotoren zijn nog zeker niet afgeschreven.”

Volgens van Oijen gaat het vooral om de fossiele brandstof die in zo’n verbrandingsmotor gaat. “Er wordt gezocht naar andere brandstoffen om de carbonfootprint zo klein mogelijk te maken en emissies dicht naar 0 te brengen. Hierin zie je dat fossiele brandstof echt wordt afgeschreven. We doen bijvoorbeeld al veel onderzoek binnen heavy duty, dus grote zware vrachtwagens in normaal Nederlands. Hierbij zie je dat de uitstoot van dieselmotoren de laatste tien jaar steeds verder is gereduceerd. Ook de eisen worden steeds strenger om doelstellingen te halen. Dat is goed en nodig om nog schonere voertuigen te krijgen.”

Hoe ben je op het idee gekomen om argon en waterstof te combineren?

“We doen al heel lang onderzoek naar verbrandingsmotoren. Hoe kan het efficiënter? Welke brandstoffen kunnen we gebruiken? Hoe verminderen we uitstoot? Argongas leidt tot een hele hoge efficiency en dat heeft in het verleden wel wat aandacht gekregen. Maar dat was alleen in theorie, de praktijk bleek lastiger. In Berkeley waren collega’s bezig met een gasmotor, die net als een benzinemotor wordt ontstoken door een vonk. De efficiëntie van deze motor was vergeleken met een gasmotor die werkt met lucht al iets hoger, maar nog lang niet zo hoog als deze in theorie kon zijn.”

Maar van Oijen zag dat er meer in zat. “Toen ben ik echt met dit virus geïnfecteerd. Het liet me niet meer los en ik ben ermee gaan spelen. Ik wilde het slimmer en beter doen. Toen heb ik bedacht om het als een dieselmotor te zien. In zo’n traditionele motor wordt lucht flink samengeperst waardoor de temperatuur stijgt. Op het moment dat de druk het hoogst is wordt er diesel ingespoten die dan ontbrandt vanwege de hoge temperatuur. Hierdoor gaat de zuiger met kracht naar beneden.”

Waarom werkt argongas beter dan?

“Als je lucht onder hoge druk brengt, gaat deze trillen. Het zorgt ervoor dat energie niet rechtstreeks naar de zuiger gaat bij ontbranding. Bij argongas gebeurt dit niet waardoor alle energie uit de brandstof veel directer naar de zuiger gaat. Hierdoor krijg je dus een veel efficiëntere motor. Ook kun je het uitlaatgas recyclen. Via een condensor koelt dit tot onder de 100 graden af, waardoor het water verdwijnt en het argongas weer terug de motor in kan. Ons partnerlab in Berkeley heeft aangetoond dit gesloten circuit werkt. Niet alleen efficiënt, maar ook schoon dus.”

Dat geldt ook als er geen groene waterstof, maar biobrandstof of aardgas in de argonmotor gaat, stelt Van Oijen. “Die CO2 die bij verbranding vrijkomt, kunnen we eruit filteren met een speciaal systeem. Hierdoor wordt de motor wel iets minder efficiënt, maar de opgevangen CO2 kun je wel weer gebruiken als grondstof voor de productie van brandstoffen, bijvoorbeeld methanol.”

De uitdaging zit er voor Van Oijen in om uit te zoeken in welke volgorde en onder hoeveel druk argongas, waterstof en lucht ingebracht moeten worden voor de meest optimale motor. “Vergelijk het met een schommel, je duwt op het moment dat dit het meeste zin heeft. Op het hoogste punt. Dat geldt hier ook. Te vroeg ontbranden, wat met argon nog weleens gebeurt omdat het snel warm wordt, zorgt ervoor dat je zuiger sneller kapot gaat. En als je te laat ontbrandt is de optimale druk alweer weg en ga je achteruit op efficiëntie.”

Aantonen dat deze motor efficiënter kan

Om uit te zoeken hoe dit werkt, begint Van Oijen met numerieke modelleringen. “Dat boeit de rest van de wereld niet zo, maar ik word hier echt blij van. In een verbrandingsmotor heeft nog nooit iemand naar zuurstof, argon en waterstof gekeken. Normaal heb je twee componenten nu drie. Dat maakt het extra uitdagend en leuk voor mij. Ik vind het vooral interessant om te kijken naar stromingsproblemen. Hoe reageert argon en hoe mengt het en wat gebeurt er onder druk? Dat zijn rekenkundig ontzettend complexe modellen waar een super computer een aantal dagen over doet. Voor mij zit de uitdaging er in om aan te tonen dat je op deze manier een schone en efficiënte motor kunt maken. Dat moet wetenschappelijk op orde zijn”, legt Van Oijen uit.

Of het hem dan niet uitmaakt of er ooit een werkend exemplaar op de markt komt? “Natuurlijk zou dat mooi zijn. Ik heb in het verleden ook onderzoek gedaan naar efficiëntere vliegtuigmotoren en iedere keer als ik in een vliegtuig zit, kijk ik toch even trots onder de vleugel. Daar heb ik toch aan bijgedragen. Dus ik zou het zeker zonde vinden als we aantonen dat een argonmotor werkt en er vervolgens niets mee zou gebeuren. Maar een techniek aan de man brengen is niet aan mij besteed, ik ben geen verkoper.”

Samenwerking met oud masterstudent

Om dit onderzoek dan toch te vertalen naar een werkende motor werkt Van Oijen onder andere samen met zijn oud masterstudent Miguel Sierra Aznar. Aznar heeft inmiddels een start-up rond deze techniek opgericht, Noble Thermodynamics. “We zijn altijd contact blijven houden, ook tijdens zijn promotie op Berkeley. Inmiddels zou ik wel kunnen zeggen dat we vrienden zijn geworden. De samenwerking is erg fijn en hebben goed contact. Hij is een echte ondernemer en constant met iedereen in gesprek om hier een succes van te maken.”