Flexibele brandstof versnelt duurzame mobiliteit
Brandstofflexibiliteit centraal bij nieuwe Eco-Runner
Op 27 mei presenteert het Eco-Runner Team XVI van de TU Delft een nieuwe, duurzame auto die voorzien is van een microgasturbine. Hiermee kan deze auto op verschillende duurzame brandstoffen rijden waaronder (bio-)ethanol of (bio)methanol. De achterliggende gedachte is dat brandstofflexibiliteit een belangrijke rol kan spelen in de energietransitie en de toekomst van mobiliteit. Zeker in een wereld waar energieprijzen, beschikbaarheid van energiebronnen en geopolitieke omstandigheden niet bijzonder stabiel te noemen zijn.
Even voorstellen
Het Eco-Runner Team Delft is ruim twintig jaar geleden opgezet om als TU Delft deel te nemen aan de Shell Eco-marathon. Het doel: de allerzuinigste auto op waterstof ontwerpen. In de jaren die volgden werd de auto steeds verder verbeterd tot het huidige team bedacht dat het tijd was voor vernieuwing. Isabel van der Brug heeft haar bachelor Technische Wiskunde behaald en vorig jaar plaatsgenomen in het Eco-Runner Team van seizoen 2025/2026 voordat ze met haar master start. "Na 20 jaar doorontwikkelen zijn de meeste verbeteringen en optimalisaties wel doorgevoerd. Bovendien leven we in een tijd waarin waterstof alleen niet de heilige graal is, maar er behoefte is aan meer zogenaamde ‘brandstofflexibiliteit’."
Van der Brug doelt op het feit dat er in de huidige tijd diverse duurzame brandstoffen beschikbaar zijn. Deze zijn echter niet geschikt voor verbranding in een standaard verbrandingsmotor. De nieuwe uitdaging lag dus in het ontwikkelen van een nieuwe motor en deze in te passen in een nieuwe auto. Koen Mohr, student Technische Natuurkunde, richt zich specifiek op dit deel van de auto en vult aan: "Natuurlijk ontwikkelen we niet een volledig nieuwe verbrandingsmotor, maar maken we gebruik van een standaard microgasturbine die we geschikt willen maken voor verschillende soorten duurzame brandstof."
Eco-Runner in vogelvlucht
De start van Eco-Runner vond plaats in 2005 toen het eerste team deelnam aan de Shell Eco-marathon op de Rockingham Speedway. De Delftse studenten behaalden een resultaat van 557 km/l en belandden hiermee in de top vijf. In de jaren die volgden werd eerst iedere twee jaar en later ieder jaar een nieuw voertuig gepresenteerd, met altijd hetzelfde doel: de wereld inspireren tot duurzame mobiliteit.
Ieder volgend team bouwt voort op het werk van zijn voorgangers. De eerste twintig jaar richtte Eco-Runner zich op de ontwikkeling van ’s werelds meest efficiënte waterstofauto, maar vorig jaar werd een nieuwe weg ingeslagen door een nieuwe innovatiecyclus te starten met het oog op brandstofflexibiliteit in auto’s met duurzame brandstoffen.
Het Eco-Runner Team Delft 2025/2026 bestaat uit 26 studenten van de Technische Universiteit Delft die verdeeld zijn over vijf afdelingen. Iedere afdeling werkt aan zijn eigen subsysteem.
Brandstofflexibiliteit
Het belang van deze ontwikkeling kent meerdere aspecten. Ten eerste is duurzame mobiliteit nog altijd een belangrijk thema in het kader van de reductie van CO2-emissies. In de mobiliteitssector moet echter een breed scala aan transportmiddelen worden gedecarboniseerd, wat om meerdere oplossingen vraagt. En hoewel er al veelbelovende technologieën bestaan, kan geen enkele oplossing de behoefte van alle voertuigen volledig dekken: er is dus meer flexibiliteit nodig.
"Niet kiezen tussen energiebronnen, maar slim combineren: dát is de kern van brandstofflexibiliteit"
Van der Brug: "Juist deze flexibiliteit kan de verduurzaming van de mobiliteitssector versnellen. Door één motor te ontwikkelen die op meerdere duurzame brandstoffen kan draaien, laten we zien dat innovatie niet gaat over kiezen tussen elektriciteit, waterstof of biobrandstoffen, maar over het intelligent combineren van oplossingen."
De huidige tijd met zijn geopolitieke spanningen die onder andere hebben geleid tot stijgende prijzen van fossiele brandstoffen, heeft tot slot nog eens extra benadrukt dat het noodzakelijk is om minder afhankelijk te worden van deze brandstoffen. Door meerdere duurzame brandstoffen te gebruiken, wordt de vraag naar individuele energiebronnen verdeeld en is het ook niet nodig om één brandstof maximaal op te schalen.
Bovenstaande bevindingen waren voldoende voor het nieuwe team om te besluiten de volgende Eco-Runner te ontwikkelen met het oog op deze brandstofflexibiliteit. De keuze valt daarbij uiteraard uitsluitend op duurzame brandstoffen zoals bio-ethanol of biomethanol (zie ook kader).
Duurzame brandstoffen
Bio-ethanol is een hernieuwbare brandstof die wordt geproduceerd uit biomassa zoals suikerbieten, maïs of landbouwafval. Wanneer bio-ethanol duurzaam wordt geproduceerd, vermindert het de CO2-uitstoot gedurende de levenscyclus aanzienlijk in vergelijking met fossiele brandstoffen.
Biomethanol wordt geproduceerd uit hernieuwbare bronnen zoals biomassa of afgevangen CO2 in combinatie met groene waterstof. Het is een veelzijdige energiedrager met een hoge energiedichtheid en veelbelovende toepassingen in de zware transport- en maritieme sector.
Waterstof is een energiedrager die kan worden geproduceerd met behulp van hernieuwbare elektriciteit via elektrolyse. Bij gebruik in een brandstofcel of waterstofverbrandingsmotor is de enige directe uitstoot water.
Microgasturbine
Het team bouwt het systeem als 'proof of concept' in een compacte, eigen ontwikkelde stadsauto. Tegelijkertijd wordt onderzocht of deze aanpak ook een bredere potentie heeft. Bijvoorbeeld voor toepassing in sectoren waar volledige elektrificatie lastiger is, zoals zwaar transport, maritieme toepassingen of de luchtvaart.
Opbouw en werking
De kern van het brandstofflexibele systeem is een microgasturbine (MGT) die uit vijf hoofdcomponenten bestaat: compressor, recuperator, verbrandingskamer, turbine en generator (zie figuur 1).
Het proces start bij de compressor die verse lucht aanzuigt en deze comprimeert. De gecomprimeerde lucht stroomt vervolgens naar de warmtewisselaar, waar deze wordt voorverwarmd met de warmte van de uitlaatgassen. De luchtstroom wordt hiermee optimaal voorbereid op een efficiënte verbranding. Eenmaal in de verbrandingskamer wordt brandstof geïnjecteerd en verneveld door een nozzle waarna hij wordt ontstoken. De resulterende hete (tot 900 °C) energierijke gassen zetten uit in de turbine, waardoor deze gaat draaien en toerentallen bereikt tot 180.000 min-1; een normaal toerental voor een e‑turbo. Via een gedeelde as wordt de beweging gebruikt voor het aandrijven van zowel de eerdergenoemde compressor als de generator. De laatste zet de rotatie-energie om in elektrische energie die in accu’s wordt opgeslagen en uiteindelijk de auto aandrijft. Na het hele proces stromen de uitlaatgassen terug door de warmtewisselaar voordat ze aan de atmosfeer worden afgegeven.
Eén motor, meerdere duurzame brandstoffen: een pragmatische stap richting robuuste mobiliteit
Mohr: "Brandstofflexibiliteit is eenvoudiger te genereren met een MGT dan met een standaard zuigermotor. Brandstoffen in een gasturbine ontbranden namelijk continu in een warme luchtstroom terwijl bij een zuigermotor de hoeveelheid brandstof per cilinder en de timing met betrekking tot de ontsteking zeer nauw luisteren. Ook vindt de verbranding niet direct in de turbine zelf plaats, wat een veel betere controle geeft over de verbrandingstemperatuur en snelheid. Het is dus eenvoudiger om in de luchtstroom van de gasturbine verschillende brandstoffen, met elk hun eigen vlamkarakteristieken en energie-inhoud, te verbranden."
Daarnaast is een microgasturbine compatibel met een solid-oxide fuel cell (SOFC). De integratie van een SOFC in het MGT-systeem heeft het potentieel om zowel de efficiëntie als de brandstofflexibiliteit naar een nieuw niveau te tillen. Mohr: "We doen momenteel onderzoek naar deze veelbelovende uitbreiding op de lange termijn: een hybride MGT-SOFC-architectuur."
Uitdagingen tijdens de ontwikkeling
Een belangrijke uitdaging bij het realiseren van de auto is de beperkte ruimte. Een deeloplossing om deze ruimte zo goed mogelijk te benutten, is het monteren van de turbine, compressor en generator op dezelfde as. Mohr: "Dit bracht een van onze grootste uitdagingen met zich mee: het vinden van een generator die ongeveer 3 kW elektriciteit kan opwekken, bestand is tegen de warmteoverdracht van 900 °C van de turbine en een toerental van 180.000 min-1 kan halen. Met behulp van het bedrijfsleven is dit gelukt."
De compacte afmetingen van het systeem maken het ook moeilijk om een hoog rendement te behouden. Ten opzichte van het systeemvolume is er een relatief groot oppervlak blootgesteld aan de omgevingslucht, wat resulteert in proportioneel hogere warmteverliezen. Dit was de reden om de eerder besproken warmtewisselaar toe te passen. Van der Brug: "De keuze voor de warmtewisselaar was ook een uitdaging omdat deze niet te snel warm mag worden tijdens het opstarten. Dat gebeurt in ons ontwerp wel, waardoor we voor de keuze stonden: gaan we een aanpassing maken zodat de uitlaatgassen eerst worden gekoeld of nemen we het risico dat de warmtewisselaar gewoon eerder kapotgaat? We kozen in het kader van de tijd én het feit dat het om een ‘proof of concept’ gaat voor het laatste."
Mohr vult aan: "Toen we vorig jaar met een extern gestookte gasturbine werkten, werd perslucht gebruikt om het systeem op te starten, wat zeer lastig bleek. Dit jaar kiezen we voor een andere aanpak. We zijn van plan de generator als elektromotor te gebruiken om het systeem op te starten tot ongeveer 70.000 toeren per minuut. Vanaf dat moment is de verbrandingskamer voldoende heet en het verbrandingsproces stabiel genoeg voor de gasturbine om het over te nemen. Zodra dit gebeurt, schakelt de generator weer van motormodus over naar stroomopwekkingsmodus. Een belangrijke, voortdurende uitdaging blijft de ontwikkeling van een generator die deze extreme rotatiesnelheden aankan met behoud van een hoog rendement en mechanische stabiliteit."
Testdagen
Inmiddels zijn er diverse testdagen geweest. In eerste instantie heeft het team de vlam aangekregen en is geëxperimenteerd met de optimale uitvoering. Zo moet hij zo blauw mogelijk zijn in verband met de productie van NOx, roet en andere emissies. Mohr: "En uiteraard moeten er nog vele optimalisaties plaatsvinden; bijvoorbeeld om de vlam nog beter te kunnen controleren. Tevens wordt een nieuwe verbrandingskamer geproduceerd van speciaal roestvast staal. We werken dus allemaal hard aan een werkend ‘proof of concept’ dat eind mei wordt gepresenteerd in de Koninklijke Schouwburg in Den Haag. In juni zullen we hopelijk voor het eerst in de openbaarheid een eerste rondje rijden over het circuit van Zandvoort."
