Er zit nog leven in de oude verbrandingsmotor: maak kennis met de Argon Power Cycle

De verbrandingsmotor – iets uit het verleden? Denk nog eens na! Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven denken dat ze een manier hebben gevonden om deze niet-duurzame energiebron klaar te maken voor de toekomst. Het geheim: het edelgas argon. Hun grootste uitdaging is nu om een ​​manier te vinden om het gasmengsel op het juiste moment te ontsteken. Of zoals Jeroen van Oijen, onderzoeker bij de faculteit Werktuigbouwkunde van de TU / e het verwoordt: “We willen weten wanneer we de zwaai moeten maken.”

Verbrandingsmotoren, zowel intern (diesel en benzine) als extern (stoom), zijn lange tijd de motor geweest van de moderne wereld zoals wij die kennen. Bezorgdheid over het milieu over schadelijke CO₂ en stikstofoxide-emissies hebben deze door fossiele brandstoffen aangedreven motor getransformeerd in een verdachte erfenis, vaak in één adem genoemd met kolencentrales. Het verklaart waarom veel onderzoekers die werken aan duurzame energieopwekking verder willen kijken dan verbranding als middel om energie op te wekken.

Jeroen, waarom denk je dat het te vroeg is om de verbrandingsmotor af te schrijven?

Wij van de TU / e zijn er sterk van overtuigd dat we een revolutie teweeg kunnen brengen in de verbrandingsmotor voor de 21ste eeuw. Om dit te bereiken onderzoeken we een aantal schone revisies voor de verbrandingsmotor. Een veelbelovende weg is de argon-stroomcyclus (APC). APC is een baanbrekende technologie die argon gebruikt in plaats van lucht als werkvloeistof. Combineer dat met waterstof als brandstof en je hebt de potentie voor een zeer efficiënte machine, die niet alleen emissievrij is, maar ook kan helpen bij het opslaan van groene energie uit zon en wind.

Waarom argon?

Argon is een edelgas, wat betekent dat het niet reageert met andere gassen. Maar wat nog belangrijker is, het is mono-atomisch: het bestaat uit slechts één atoom. Dit is een belangrijk voordeel ten opzichte van lucht, die voornamelijk bestaat uit twee atomen moleculen zoals stikstof en zuurstof. Als je lucht comprimeert, zoals bij een normale verbrandingsmotor, gaan de moleculen in de lucht trillen en roteren. Dit leidt tot het verlies van een deel van de input-energie, die wordt opgeslagen in de moleculen als interne energie, in plaats van dat alle energie wordt gebruikt om de kinetische energie te maximaliseren die nodig is om de zuiger te duwen. Door argon te gebruiken wordt alle ingevoerde energie omgezet in interne druk in de zuigercilinder. Dit betekent dat de efficiëntie met ongeveer 25 procent kan worden verhoogd tot waarden boven de 80 procent!

Je vraagt ​​je misschien af ​​waarom we nog steeds lucht gebruiken in de motoren van onze motorvoertuigen als argon zo’n magisch gas is. Welnu, lucht is er in overvloed. Het is overal om ons heen. Maar wat nog belangrijker is, het bevat al de zuurstof die je nodig hebt om de brandstof te verbranden en de chemische energie om te zetten in warmte. Als je overschakelt op argon, moet je de zuurstof apart injecteren.

En waar zou je het argon vandaan halen?

Argon is algemeen verkrijgbaar in de lucht en kan goedkoop uit de lucht worden gehaald als bijproduct van cryogene luchtscheiding. Bovendien hoeft u argon maar één keer uit de lucht te verwijderen. Omdat argon een edelgas is, doorloopt het het verbrandingsproces zonder te reageren met andere gassen, dus aan het eind heb je weer argon. Het enige dat u hoeft te doen, is het afkoelen om het water dat vrijkomt bij het verbrandingsproces te verwijderen. Als je het eenmaal in een gesloten systeem hebt geïntroduceerd, kan het keer op keer worden gerecycled, in een eindeloze gesloten kringloop.

Wat heb je naast argon nog meer nodig?

Zoals ik al zei, we willen waterstof als brandstof gebruiken, in plaats van fossiele brandstoffen zoals benzine of diesel. Waterstof heeft twee belangrijke voordelen: als het reageert met zuurstof, krijg je gewoon oud water als eindproduct, in plaats van schadelijke CO₂ en nee. Ten tweede, en dit is echt de sleutel: waterstof is een veelbelovend opslagmateriaal voor groene energie. Zo heb je duurzame energie tot je beschikking wanneer je die nodig hebt, en niet alleen als er zon en wind is!

Ik begrijp dat er nog heel wat praktische hindernissen moeten worden overwonnen voordat we een volledig werkende en efficiënte APC-motor hebben. Wat zie jij als de belangrijkste uitdagingen voor dit onderzoeksproject?

Zoals ik al zei, om de verbranding op gang te krijgen, moet je brandstof en zuurstof in het verbrandingssysteem brengen. Dit is de kick om alles op gang te krijgen. Idealiter wilt u de brandstof en zuurstof injecteren wanneer het argon volledig is gecomprimeerd, omdat dit u de beste efficiëntie geeft. Maar praktisch is het gemakkelijker om de reactanten vóór compressie te injecteren. Omdat argon echter de neiging heeft om erg snel op te warmen wanneer het wordt samengeperst, ontsteekt zo’n mengsel voordat je de optimale druk hebt bereikt. Dit heeft uiteraard invloed op de efficiëntie van het systeem. Om het probleem te begrijpen, stelt u zich een schommel op een speelplaats voor: u wilt precies duwen op het moment dat uw inspanningen het meeste momentum creëren, en niet een seconde eerder of later. Hetzelfde geldt voor de zuiger in de verbrandingsmotor.

Dus je hebt nieuwe technieken nodig om het verbrandingsproces in een argonmotor te regelen?

Precies. In het onderzoeksproject willen we drie mogelijke oplossingen verkennen. De eerste lijkt de meest veelbelovende, aangezien deze lijkt op de methode die wordt gebruikt in een dieselmotor. Het gaat om het introduceren van de waterstof pas nadat het argon en de zuurstof volledig zijn samengeperst. Dit voorkomt voortijdige ontsteking, maar er zijn nog enkele problemen op te lossen. Het blijkt dat het vrij moeilijk is om waterstof in een gecomprimeerd gas te injecteren, omdat het extreem licht is.

Een tweede alternatief dat we willen onderzoeken, lost dit probleem op door waterstof en argon te injecteren als de druk nog laag is, en zuurstof, een zwaarder gas dan waterstof, in een later stadium bij hoge druk in te brengen. Het probleem hierbij is dat dit nog nooit eerder is geprobeerd en dat zuurstof onder hoge druk de neiging heeft te reageren met het metaal van de injector, wat leidt tot corrosie.

Ten slotte willen we kijken naar de mogelijkheid om in een later stadium van de cyclus zowel waterstof als zuurstof te injecteren. Hier is de uitdaging om de injectie van de twee gassen op elkaar af te stemmen om ervoor te zorgen dat beide gassen elkaar kunnen vinden en op het juiste moment kunnen reageren.

Stel dat u deze uitdagingen kunt oplossen, en over vijf tot tien jaar hebben we een verbrandingsmotor die zowel zeer efficiënt als CO-vrij is.₂ uitstoot. Wat zie jij als de belangrijkste toepassing van deze motor?

Eerst en vooral denken we dat de APC-motor zal worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit, gebruikmakend van de stroom die wordt opgewekt uit wind en zon en is opgeslagen in waterstof. Maar onze APC-motor is ook geschikt voor aardgas of biobrandstoffen. Hij is dan natuurlijk niet meer koolstofvrij, maar het mooie van onze opstelling is dat hij gesloten is. Dit maakt het veel gemakkelijker en goedkoper om de CO af te vangen₂ uitstoot. Deze kunnen vervolgens worden gebruikt als ingrediënt voor de chemische industrie. Om CO eruit te filteren₂ we gebruiken een uitgekiend membraan dat slechts een beperkt effect heeft op de algehele efficiëntie van het systeem.

En auto’s en vrachtwagens?

Ik ben bang dat ons systeem waarschijnlijk minder geschikt zal zijn voor wegvoertuigen vanwege het relatief hoge warmteverlies bij kleinere motoren. Maar we zien er toekomst voor in omgevingen waar je zeer grote motoren nodig hebt, zoals in schepen.

Tot slot: heeft de TU / e plannen om de APC-motor op de markt te brengen?

Ik werk trouwens samen met een onderzoeker in Berkeley, die al een start-up is begonnen om dit product op de markt te brengen. Zijn naam is Miguel Sierra Aznar, en hij was een MSc-student van mij. Zijn bedrijf heet Edele thermodynamica​ We werken ook samen met Winterthur Gas & Diesel om toekomstige marktkansen te verkennen. Maar dit is natuurlijk een eind weg om naar de markt te gaan. Ten eerste moeten we de wetenschap kloppen en ervoor zorgen dat onze APC-motor zo schoon en efficiënt mogelijk is!