Studenten ontwikkelen auto die op meerdere brandstoffen kan rijden (video)

Wat als een auto zich kan aanpassen aan de brandstof die beschikbaar is? In plaats van vast te zitten aan één energiebron, ontwikkelen de studenten van Ecorunner een voertuig dat kan rijden op meerdere brandstoffen.

De brandstofflexibiliteit van de Eco-Runner XVI is gerealiseerd met een microgasturbine als aandrijfsysteem. Het is een enkele motor die op meerdere duurzame brandstoffen kan draaien. De MGT bestaat uit vijf hoofdcomponenten: compressor, recuperator, verbrandingskamer, turbine en generator. Deze componenten genereren de energie die de auto aandrijft door verwarmde lucht om te zetten in elektriciteit.

In tegenstelling tot een conventionele motor vindt de verbranding niet direct in de turbine zelf plaats. Dit zorgt voor een veel betere controle over de verbrandingstemperatuur en -snelheid, waardoor het gebruik van verschillende brandstoffen mogelijk is zonder grote aanpassingen.

Brandstoffen zoals biomethanol en biogas hebben zeer verschillende vlamkarakteristieken en energie-inhoud, maar beide kunnen effectief worden verbrand in de verbrandingskamer van de turbine.

Solid-oxide fuel cell

Bovendien 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.

De studenten doen momenteel onderzoek naar deze uitbreiding op de lange termijn: een hybride MGT-SOFC-architectuur.

Ze implementeren deze technologie in een stadsauto om op kleine schaal een proof of concept te leveren. Maar de technologie heeft ook een potentieel voor sectoren zoals zwaar transport, maritieme toepassingen en de luchtvaart.

Hoe het werkt

In de motor komt de lucht eerst de compressor binnen, waar deze wordt gecomprimeerd. De gecomprimeerde lucht stroomt vervolgens naar de recuperator, waar deze wordt voorverwarmd met de warmte van de uitlaatgassen. Daarna komt deze warme lucht in de verbrandingskamer, waar brandstof wordt geïnjecteerd en ontstoken.

De resulterende hete, energierijke gassen zetten uit in de turbine, waardoor deze met hoge snelheid gaat draaien. Deze rotatie-energie wordt omgezet in elektrische energie door de generator die is aangesloten op de turbine-as. Na het hele proces stromen de uitlaatgassen terug door de recuperator voordat ze in de atmosfeer worden vrijgelaten.

Uitdagingen

Om de compactheid te vergroten, zijn de turbine, compressor en generator allemaal op dezelfde as gemonteerd. Dit brengt een van de grootste uitdagingen met zich mee: het vinden van een generator die ongeveer 3 kW elektriciteit kan opwekken, bestand is tegen de warmteoverdracht van 900 graden Celsius van de turbine en een toerental van 180.000 omwentelingen per minuut kan halen.

Door de compacte afmetingen van het systeem is het inherent moeilijk om een ​​hoog rendement te behouden. Relatief ten opzichte van het systeemvolume is er een groot oppervlak blootgesteld aan de omgevingslucht, wat resulteert in proportioneel hogere warmteverliezen. Om dit tegen te gaan, wordt warmte uit de uitlaatgassen teruggewonnen met behulp van een warmtewisselaar en teruggevoerd naar de inlaatluchtstroom. Dit vermindert de hoeveelheid brandstof die nodig is om hoge bedrijfstemperaturen te bereiken en te handhaven.

Vorig jaar, toen er met een extern gestookte gasturbine werd gewerkt, werd perslucht gebruikt om het systeem op te starten, wat zeer lastig bleek. Dit jaar kiest het team voor een andere aanpak. Het plan is om de generator als elektromotor te gebruiken om het systeem op te voeren 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 over van motormodus naar stroomopwekkingsmodus. Een belangrijke uitdaging blijft de ontwikkeling van een generator die deze extreme rotatiesnelheden aankan met behoud van een hoog rendement en mechanische stabiliteit.

Van ontwerp naar praktijk

Later dit jaar zal het team op Twente Airport de motor volledig opbouwen en alle systemen samenbrengen voor tests.