Stadsauto met microgasturbine op de WoTS

Op de vakbeurs WOTS in Utrecht staat momenteel het Delftse Eco-Runner Team met een opvallende koerswijziging die vandaag nog te bezichtigen is. Na twintig jaar waterstof bouwden de studenten een compacte stadsauto rond een microgasturbine die op verschillende duurzame brandstoffen kan draaien. Met toerentallen tot 150.000 min⁻¹ en gastemperaturen tot 930 graden Celsius legde die aandrijving het team stevige technische puzzels voor, die het samen met professoren en het bedrijfsleven wist op te lossen.

Van waterstof naar brandstofflexibiliteit

Het Eco-Runner-project begon in 2005, toen een groep studenten van de TU Delft een waterstofauto bouwde om mee te doen aan de Shell Eco-marathon. Het doel was de zuinigste auto op waterstof neer te zetten, en dat lukte bijna, want het team legde 557 kilometer af op één liter waterstof en eindigde daarmee in de top vijf. Team XVI concludeerde bij de start in 2025 dat het voertuig na jaren optimaliseren was uitontwikkeld. Waterstof had bovendien zijn status als heilige graal deels verloren, terwijl flexibiliteit in duurzame mobiliteit juist aan gewicht won. Het team besloot daarom een jaar lang af te stappen van waterstof en te kiezen voor een microgasturbine die meerdere duurzame brandstoffen kan verwerken.

Achter die keuze zit een bredere gedachte over de energietransitie. Elektrische aandrijving en duurzame biobrandstoffen zijn allebei routes om de CO₂-uitstoot van fossiele brandstoffen terug te dringen, maar geen enkele oplossing dekt de behoefte van alle voertuigen in de mobiliteitssector. Innovatie gaat volgens het team daarom niet over kiezen tussen elektriciteit, waterstof of biobrandstoffen, maar over het slim combineren ervan. Teamlid Isabel van der Brug, student technische wiskunde, wijst daarbij op netcongestie en geopolitieke spanningen. “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”, zegt ze.

Waarom een microgasturbine en geen zuigermotor

Het 26-koppige team koos voor een standaard microgasturbine die het geschikt wil maken voor verschillende soorten duurzame brandstof. “Het doel voor dit jaar was het systeem te ontwerpen als proof of concept in een compacte, zelf ontwikkelde stadsauto”, vertelt Koen Mohr, student technische natuurkunde. Tegelijk onderzocht het team of de aanpak ook bruikbaar is waar volledige elektrificatie lastig is, zoals in zwaar transport, de maritieme sector en de luchtvaart, omdat die sectoren zoeken naar aandrijvingen die niet van één energiedrager afhankelijk zijn.

De belangrijkste reden voor een microgasturbine (MGT) is dat brandstofflexibiliteit daarmee eenvoudiger te bereiken is dan met een zuigermotor. In een gasturbine ontbrandt de brandstof namelijk continu in een warme luchtstroom, terwijl een zuigermotor per cilinder een exacte hoeveelheid brandstof en een nauwkeurige ontstekingstiming vraagt. Bovendien vindt de verbranding niet in de turbine zelf plaats, waardoor het team veel meer grip heeft op de verbrandingstemperatuur en de verbrandingssnelheid. Brandstoffen met elk hun eigen vlamkarakteristiek en energie-inhoud zijn zo relatief eenvoudig te verbranden. De turbine zet de vrijgekomen energie vervolgens om in elektriciteit.

Een extra voordeel is dat een microgasturbine compatibel is met een solid-oxide fuel cell (SOFC). Door zo’n brandstofcel in het systeem te integreren, kunnen zowel het rendement als de brandstofflexibiliteit naar een hoger niveau. “We doen momenteel onderzoek naar deze veelbelovende uitbreiding op de lange termijn: een hybride MGT-SOFC-architectuur”, aldus Mohr.

Zo werkt de microgasturbine in de stadsauto

Het brandstofflexibele systeem bestaat uit vijf hoofdonderdelen: een compressor, een recuperator, een verbrandingskamer, een turbine en een generator. De compressor zuigt verse lucht aan en comprimeert die. Daarna stroomt de lucht naar de recuperator, een warmtewisselaar die haar voorverwarmt met de hitte van de uitlaatgassen. Zo komt de luchtstroom optimaal voorbereid aan in de verbrandingskamer, waar een nozzle de ingespoten brandstof vernevelt en het mengsel daarna ontsteekt. De hete gassen van maximaal 930 graden Celsius zetten vervolgens uit in de turbine en brengen die op toerentallen tot 150.000 min⁻¹, wat vergelijkbaar is met een e-turbo.

Via een gedeelde as drijft de turbine zowel de compressor als de generator aan. De generator zet de rotatie-energie om in elektrische energie, die de accu’s opslaan en die uiteindelijk de auto laat rijden. Na hun werk in de turbine stromen de uitlaatgassen nog eenmaal door de warmtewisselaar voordat ze het systeem verlaten, zodat hun restwarmte de binnenkomende lucht opwarmt. Binnen de aandrijftechniek van auto’s is dat een ongebruikelijke opzet, omdat de turbine geen directe aandrijfkracht levert maar als compacte energiecentrale aan boord fungeert.

Generator moet 150.000 toeren aankunnen

Omdat de ruimte in de auto beperkt bleek, monteerde het team turbine, compressor en generator op dezelfde as. Dat maakte de zoektocht naar een geschikte generator lastig, want die moest ongeveer 3 kW elektriciteit opwekken, bestand zijn tegen de warmteoverdracht van de 930 graden hete turbine en een toerental van 150.000 min⁻¹ halen. Met hulp van het bedrijfsleven vond het team uiteindelijk een oplossing. De compacte afmetingen zorgden bovendien voor een rendementsprobleem, omdat een relatief groot oppervlak ten opzichte van het systeemvolume aan de buitenlucht blootstaat en dus relatief veel warmte verliest. Juist daarom kreeg de warmtewisselaar een vaste plek in het ontwerp.

Bij het opstarten werkt de generator eerst als elektromotor. Zodra het systeem een toerental van 90.000 tot 100.000 min⁻¹ bereikt, is de verbrandingskamer heet genoeg en het verbrandingsproces stabiel genoeg om de microgasturbine het werk te laten overnemen. Op dat moment schakelt de generator terug naar stroomopwekking. “Een belangrijke, voortdurende uitdaging blijft de ontwikkeling van een generator die deze extreme rotatiesnelheden aankan met behoud van een hoog rendement en mechanische stabiliteit”, zegt Mohr.

Testen op Twente Airport

Tijdens de ontwerpfase testte het team onderdelen op verschillende momenten. Op de eerste volledige testdag draaide alles om het ontsteken en optimaliseren van de vlam, die zo blauw mogelijk moest zijn en beter beheersbaar moest worden. De finale testweek vond plaats op Twente Airport, waar de studenten alle stappen nauwkeurig doorliepen en de microgasturbine als geheel al op de eerste dag snel werkte.

Toch dook er een onverwacht probleem op. “In de fase dat de verbrandingskamer en warmtewisselaar werden toegevoegd, werden de temperaturen conform verwachting fors hoger”, vertelt Job de Steenhuijsen Piters, hoofd aandrijving van het team. “Wat we niet voorzien hadden, was de impact hiervan op de benodigde tegendruk om de brandstof in te spuiten: naarmate de temperatuur hoger werd, liep deze benodigde tegendruk zomaar 10 tot 15 bar op.” Met hulp van hun professoren losten de studenten dat probleem uiteindelijk op.

Microgasturbine draait voorlopig op ethanol

Daarna ging het snel: volgens De Steenhuijsen Piters paste alles in de carrosserie, voldeed de ophanging en zaten onderdelen elkaar nergens in de weg, al moest het team aan het eind nog een defect stukje elektronica vervangen dat lastig verkrijgbaar was. Uiteindelijk produceerde de turbine elektriciteit door de verbranding van ethanol in de microgasturbine. De weken tot de eindpresentatie op het circuit van Zandvoort gebruikte het team voor optimalisatie, met betrouwbaarheid, controleerbaarheid en temperatuurbeheersing als belangrijkste aandachtspunten.

Het volgende team bouwt verder op die basis en werkt dit schooljaar door aan het thema energieflexibiliteit en de toekomst van mobiliteit. Daarbij staat ook de gewenste overstap tussen brandstoffen op de agenda, want tot nu toe testte het team het systeem alleen met ethanol. “Een goede tweede wordt methanol en daarna ligt de wereld open”, aldus De Steenhuijsen Piters. Bio-methanol geldt dankzij de hoge energiedichtheid als veelbelovende brandstof voor zwaar transport en scheepvaart, precies de markten waar het team kansen ziet voor de microgasturbine.