Eco-Runner Team Delft bouwt auto met micro gasturbine: één motor, meerdere duurzame brandstoffen

Eco-Runner Team Delft ontwikkelt dit jaar een stadsauto met micro gasturbine. Eén compact systeem dat kan draaien op verschillende duurzame brandstoffen draagt volgens de studenten aan een robuuster en sneller te verduurzamen mobiliteitslandschap.

Na bijna twintig jaar pionieren met waterstofauto’s slaat het Eco-Runner Team Delft dit jaar een nieuwe weg in. “Elektrificatie en waterstof kennen duidelijke beperkingen op het gebied van opschalen”, zegt Operations Manager Jip Spaargaren. ” Door meerdere duurzame brandstoffen naast elkaar te gebruiken, kan de druk op individuele systemen worden verlaagd en kan CO₂-reductie sneller worden gerealiseerd. Vandaar dat brandstof flexibiliteit en deze innovatieve technologie een waardevolle toevoeging is op de weg naar duurzame mobiliteit.”

De micro gas turbine vormt hierin de sleutel. Met dit concept kan één motor geschikt worden gemaakt voor verschillende brandstoffen, zoals bio-methanol en biogas, zonder grote mechanische aanpassingen. Om de potentie van deze motor te demonstreren, plaatst het team hem in een kleine stadsauto. Echter kan deze brandstof flexibele motor in de hele mobiliteitssector worden toegepast. Met name in grotere transportsectoren zoals de scheepvaart, de luchtvaart of het langeafstandstransport en zware vrachtwagens

Hoe werkt een micro gas turbine?

In tegenstelling tot een conventionele zuigermotor vindt er geen verbranding plaats in cilinders. De energieopwekking gebeurt continu via een luchtstroom die stap voor stap meer energie opneemt.

Verse lucht wordt aangezogen door de compressor en samengeperst. Deze nog relatief koude lucht stroomt vervolgens door een warmtewisselaar, waar restwarmte uit de uitlaatgassen wordt benut om de lucht voor te verwarmen. Daarna volgt de verbrandingskamer, waar brandstof wordt toegevoegd en de temperatuur oploopt tot ongeveer 900 graden Celsius.

De hete lucht zet uit en drijft de turbine aan. Op dezelfde as bevinden zich ook de compressor en een generator. De generator zet de mechanische energie om in elektrische energie voor de aandrijflijn van de auto. Nadat de lucht de turbine heeft gepasseerd, gaat deze opnieuw door de warmtewisselaar. Daar wordt een deel van de restwarmte teruggewonnen om de inlaatlucht voor te verwarmen, wat de efficiëntie verhoogt.

Dankzij deze dubbele opwarming krijgt de luchtstroom aanzienlijk meer energie. Hoe langer het systeem draait, hoe efficiënter het wordt en hoe minder brandstof er per seconde nodig is.

Extreme condities en technische uitdagingen

De turbine van Eco-Runner XVI draait op snelheden tot 180.000 toeren per minuut en werkt bij temperaturen rond de 1000 graden Celsius. Dat stelt hoge eisen aan materiaalkeuze, lagering en koeling. Ook de schaal van het systeem vormt een uitdaging. Bij kleine volumes is het warmteverlies relatief groot, omdat er in verhouding veel contactoppervlak is met de omgevingslucht.

Om de efficiëntie toch hoog te houden, zet het team sterk in op warmterugwinning via de warmtewisselaar. Door zoveel mogelijk energie uit de uitlaatgassen terug te voeren naar de inlaat, is minder brandstof nodig om de gewenste temperatuur te bereiken.

Turbine, compressor en generator zijn op dezelfde as geconfigureerd om het systeem compact te houden. Hier komt een grote technische uitdaging bij kijken: het vinden of ontwikkelen van een generator die 3 kW aan elektriciteit kan genereren, kan roteren op 180.000 rpm en de warmte van 900 graden Celsius kan weerstaan.

Een van de grootste uitdagingen dit jaar is de generator. Het vinden of ontwikkelen van een generator die zulke extreme toerentallen betrouwbaar kan omzetten in elektrische energie, zonder rendementsverlies of mechanische instabiliteit, is complex.

Ook de startprocedure is vernieuwd. Waar vorig jaar nog perslucht nodig was om het systeem op te starten, wordt de generator nu eerst ingezet als elektromotor. Daarmee wordt de turbine op toeren gebracht tot ongeveer 70.000 rpm. Zodra de verbrandingskamer warm genoeg is en het proces stabiel loopt, neemt de gasturbine het over en schakelt de generator over naar elektriciteitsopwekking.

Meer dan één oplossing voor duurzame mobiliteit

Volgens Eco-Runner ligt de toekomst van mobiliteit niet in één dominante technologie, maar in een slimme combinatie van oplossingen. “Elektrisch rijden is zeer geschikt voor dagelijks en licht transport. Waterstof past beter bij zwaardere toepassingen. Biobrandstoffen vormen een schaalbare en direct inzetbare oplossing daartussenin”, aldus Spaargaren.

“Brandstofdiversiteit vergroot niet alleen de technische flexibiliteit, maar ook de economische en geopolitieke veerkracht. Minder afhankelijkheid van één energiestroom betekent minder kwetsbaarheid voor schommelingen in aanbod, prijs en infrastructuur. Wat op dat moment beschikbaar en betaalbaar is, kan worden ingezet. Daarmee wordt duurzame mobiliteit niet alleen schoner, maar ook toegankelijker.”

Vooruitblik

Op korte termijn ligt de focus op effectiviteit: aantonen dat verschillende brandstoffen kunnen worden gebruikt in één micro gas turbine. In het meerjarenplan verschuift de aandacht steeds meer naar het verhogen van de efficiëntie.

Op de achtergrond onderzoekt het team uitbreidingen van het systeem, zoals de integratie van een solid oxide fuel cell. In theorie kan een combinatie van een micro gas turbine en een brandstofcel het totale rendement verhogen tot ongeveer 70 procent, doordat de restwarmte van de brandstofcel het gasturbineproces ondersteunt.

Met Eco-Runner XVI wil het team laten zien dat innovatie in mobiliteit begint bij durven experimenteren. Niet kiezen voor óf elektrisch, óf waterstof, maar bouwen aan systemen die meerdere routes openhouden.