De mobiliteit van morgen is groen. Daarover is geen discussie. Hoe die groene mobiliteit er dan uitziet, is een ander verhaal. In de laboratoria van de TU Delft wordt op een groot aantal gebieden daar onderzoek naar gedaan. Redacteur Mauro Mereu van Innovation Orgins keek rond op de diverse onderzoeksafdelingen in Delft.
“Het draait straks allemaal om waterstof. Het is gewoon een kwestie van tijd”, stelt Arvind Gangoli Rao, hoogleraar aan de TU Delft. Hij staat voor een windtunnel van de universiteit, waar hij en zijn collega’s onderzoek doen naar duurzamere manieren van mobiliteit, zowel in de lucht als in het water. Hier komen de schepen en vliegtuigen van die toekomst tot leven, die op innovatieve brandstoffen draaien. Waterstof is de rode draad bij veel van de onderzoeken die in de laboratoria van de TU Delft worden gedaan. Veel inspanningen van de Nederlandse universiteit zijn erop gericht de overstap naar waterstof te vereenvoudigen.
Mobiliteit is een van de cruciale gebieden die moeten worden aangepakt om de groene transitie te bevorderen. Volgens Eurostat is het vervoer verantwoordelijk voor een kwart van de uitstoot van broeikasgassen in 2019. Het Europees Milieuagentschap voorspelt dat de vraag naar zowel vracht- als passagiersvervoer elk jaar gestaag (1,5 procent) toeneemt.
De oplossing ligt klaar. De professor twijfelt er niet aan. “Waterstof is gemakkelijk te maken; overal. Over 10 tot 20 jaar zie ik het als dé vervanger van fossiele brandstoffen. We kunnen het zelf produceren, maar het meeste zal worden geïmporteerd uit andere delen van de wereld.”
Vakmanschap
Voor iemand die niet precies weet waar hij is, ziet op het eerste oog het laboratorium voor Aerospace Structures and Materials niet veel verschillen met een doorsnee werkplaats in een fabriek. Werkbladen, freesmachines en stof. Een radio klinkt op de achtergrond. Naast de uren die worden besteed aan het ontwikkelen van bijvoorbeeld algoritmen, moeten onderzoekers en promovendi ook veel handvaardigheid aan de dag leggen om hun projecten te verfijnen. Overal staan vleugels in verschillende stadia van afwerking. Allemaal met verschillende kenmerken en vormen. Al doende leert men.
Aan een van de bureaus discussieren twee ingenieurs. Ze werken aan het Nederdrone project. Het is een drone die bijna vier uur lang op waterstof kan vliegen. Bovendien kan hij verticaal landen en opstijgen en heeft hij ook batterijen. De brandstofcel wekt elektriciteit op die vervolgens naar de motor gaat. Overtollige energie wordt gebruikt om de batterijen op te laden.
In de gang voor Nederdrone’s werkstation is ruimte voor experimenten uit het verleden. Aan een muur hangt een oud prototype van een vleugel van koolstofvezel, die beslist betere tijden heeft gekend. “Deze is zo’n 25 jaar geleden getest door Airbus. Ze slaagden erin het kapot te krijgen, dus stuurden ze het terug naar het lab waar het werd gemaakt”, vertelt Gangoli Rao.
Cyberdierentuin
Er is ook ruimte voor wat Gangoli Rao een ‘cyberdierentuin’ noemt. Een ruimte waar op dieren geïnspireerde drones worden getest. “Het lijkt op een speeltuin, waar meerdere apparaten verschillende taken uitvoeren.” Over een kunstgrasmat heen detecteren blauwlichtsensoren de bewegingen van drones en sturen feedback naar computers naast de testruimte.
In het lab staat een schaalmodel van het Flying-V vliegtuigconcept. “Met dit aerodynamische concept kan het brandstofverbruik met de huidige motortechnologie al met 20 procent worden teruggedrongen”, legt Malcom Brown uit. Hij is hoofdingenieur van het project. In de komende jaren zullen meer onderzoeksvragen aan bod komen. Met name de aanpassing van het platform aan nieuwe brandstoffen – zoals waterstof -, onderhouds- en ontwerpkwesties, en luchthavenintegratie.
Het initiatief van Flying-V wordt uitgevoerd in een samenwerkingsverband met KLM en Airbus. De v-vorm zorgt niet alleen voor meer efficiëntie, maar garandeert ook stabiliteit voor de meer dan 300 passagiers aan boord. Een andere methode om de luchtvaartemissies te verlagen is vlamloze verbranding, die een lage uitstoot van stikstofoxiden (NOx ) heeft. In een aparte faciliteit van de TU Delft staat een lawaaierige installatie waarin brandstof met 25 procent waterstof wordt verbrand. In een ander project wordt gewerkt aan het verbeteren van dwaterstofverbranding door de werveling te stabiliseren. Ook dat kan bijdragen aan het terugdringen van de NOx-uitstoot van vliegtuigturbines.
De vaartuigen van morgen
De Faculteit Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek en Materiaaltechnologie – 3mE – richt zich op duurzame scheepvaart. In wat een olympisch zwembad met treinrails aan de zijkanten lijkt, testen onderzoekers maritieme innovaties. Het bassin is een sleeptank, waar een mobiel platform met een bemand aangedreven motorsysteem van het ene uiteinde naar het andere gaat om proefvaarten te maken met nieuwe scheepsschroeven, draagvleugels of rompen.
“Al het onderzoek hier is gericht op het voorspellen van en omgaan met golven, dus op het aanpassen van de manier waarop je je schip voortstuwt”, legt Lindert van Biert, assistent-professor Ship Design, Production & Operations uit. Tijdens eerder onderzoek bestudeerde hij op brandstofcellen gebaseerde hybride systemen. Specifiek experimenteerden ze met het vervangen van 20 procent van het aardgas door waterstof uit anode-off gas – uitlaatgas dat veel waterstof bevat. “De combinatie van brandstofcellen met een motor resulteerde inderdaad in een efficiëntie tot 55 procent,” voegt hij eraan toe.
Efficiëntere cruiseschepen
Berend van Veldhuizen bestudeert ook brandstofcellen. Inzicht in hun gedrag in bewegende schepen is de sleutel tot het gebruik ervan. “We brengen in kaart welke omstandigheden zich bij cruiseschepen kunnen voordoen, welke bewegingen ze moeten doorstaan en welke onderdelen kunnen worden aangetast.”
Als onderdeel van het door de EU gefinancierde Nautilus-project hebben van Veldhuizen en andere onderzoekers een bewegende testbank ontworpen om te simuleren hoe een brandstofcelstapel op bewegingen reageert. Gezien de bestaande infrastructuur is hij bedoeld voor Liquified Natural Gas – LNG. “Het uitgangspunt is LNG, dat in combinatie met brandstofcellen de uitstoot van methaan vermindert omdat het efficiënter is. Verder onderzoek zal het mogelijk maken dit concept aan te passen aan waterstof,” verduidelijkt van Biert.
Proeftunnel
Om de kwaliteit van het onderzoek te verbeteren, heeft de TU Delft onlangs een nieuwe proeftunnel geopend. Deze werkt met zeewater, waardoor de tests zo betrouwbaar mogelijk zijn. Het systeem in de tunnel bootst omstandigheden in zee na. Een van de onderzoeksgebieden die de wetenschappers willen onderzoeken is zogenoemde luchtsmering van vaartuigen. Bij deze techniek wordt een laag luchtbellen onder het schip aangebracht. Dat kan de waterweerstand – en dus het brandstofverbruik – helpen verminderen.
Poeder als alternatief voor diesel
De brandstoffen zelf maken deel uit van een onderzoek dat in het 3mE wordt verricht. Santiago Garrido maakt deel uit van een groep die natriumborohydride (NaBH4) bestudeert. Eerder onderzoek van de TU Delft toonde aan hoe dit poeder zou kunnen werken als een effectieve waterstofdrager die H2 afgeeft wanneer het wordt gemengd met water.
“We proberen de regeneratie van de gebruikte brandstof uit te voeren door middel van een mechanochemische reactie, geïnduceerd met mechanische actie”, legt de onderzoeker uit. Om het circulair te maken, brengen de onderzoekers de verbruikte brandstof in een kogelmolen, een machine met draaiende ijzeren bollen. De draaiingen veroorzaken hoogfrequente inslagen die van natriumboorhydride een circulaire brandstof kunnen maken. Het witte poeder biedt veelbelovende mogelijkheden voor gebruik in de scheepvaart. Met name omdat NaBH4 bijna evenveel energie kan bevatten als diesel.
Groene raffinaderij
Een wir-war van leidingen en installaties. Zo ziet het e-Refinery instituut eruit. Hier en daar kleinere labs. In een daarvan is Ruud Kortlever samen met zijn collega’s bezig met het versnellen van de productie van duurzame brandstoffen die met water of elektriciteit worden opgewekt.
“De grote uitdaging is hoe je op een kosteneffectieve manier groene waterstof kunt maken. Een andere vraag die we proberen op te lossen, is hoe je het kunt gebruiken in een chemisch proces en hoe je het weer kunt hergebruiken”, zegt Kortlever.
In een van de experimenten probeerden TU Delft-onderzoekers van de e-Refinery groene waterstof via een tweestapsproces om te zetten in methaan. Eerst de productie van H2 zelf en vervolgens een thermisch-chemische reactie. Daarnaast probeert het lab CO2 te benutten voor chemicaliën en brandstoffen.
Uitdagende bubbels
Een batterij, twee schroeven, een glas water en zuiveringszout. Dat is alles wat je nodig hebt om wat waterstof te genereren. Jorrit Bleeker zet deze snelle elektrolyzer in elkaar en laat zien hoe waterstof- en zuurstofbelletjes ontstaan als hij de stroom inschakelt.
“Het grote probleem is dat een groot deel van de energie die gebruikt wordt om waterstof te produceren verloren gaat en dat die gasbellen het moeilijk maken om de reactie te laten plaatsvinden. In mijn Ph.D-project onderzoek ik hoe ik deze bellen kan laten barsten.”
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
