Duitse waterstofturbine wekt stroom op zonder compressor, met explosies

Een team van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Duitsland heeft een nieuw type gasturbine laten draaien die op een fundamenteel andere manier werkt dan gangbare turbines. De machine wekte stroom op zonder gebruik te maken van een mechanische compressor. In plaats daarvan zorgen kleine, gecontroleerde explosies binnen de verbrandingskamer zelf voor de benodigde drukopbouw. De turbine bleef 303 seconden werken, langer dan het eerdere record van 250 seconden dat NASA op zijn naam had staan.

Explosies vervangen de compressor

Gewone gasturbines, zoals die in energiecentrales en onder vliegtuigvleugels, gebruiken een compressor om lucht onder hoge druk te brengen voordat de brandstof wordt verbrand. Dat proces kost veel energie. Volgens hoogleraar Daniel Banuti, directeur van het Institute of Thermal Energy Technology and Safety aan het KIT, gaat daar bij een conventionele turbine ongeveer de helft van het opgewekte vermogen in zitten. Die energie is dan niet meer beschikbaar voor elektriciteitsproductie. De nieuwe turbine omzeilt dat probleem door de druk niet mechanisch, maar chemisch te creëren: via zogeheten drukwinstverbranding ontstaan detonatiegolven in de verbrandingskamer, die de rol van de compressor overnemen. Deze golven ontstaan door instabiliteiten in de stromende gassen, waarbij golf- en wervelpatronen elkaar versterken.

Van een fractie van een seconde naar vijf minuten

Eerdere pogingen om op deze manier stroom op te wekken liepen al na een fractie van een seconde vast: de verbrandingskamer smolt simpelweg door de intense hitte. Het KIT-team slaagde erin de looptijd op te rekken tot meer dan vijf minuten, een cruciale stap om de technologie ooit praktisch bruikbaar te maken. Banuti noemt dit een belangrijke stap richting een flexibel en efficiënt energiesysteem zonder fossiele brandstoffen. Naast de duurrecord wist het team dit jaar ook als eerste ter wereld daadwerkelijk elektriciteit op te wekken met dit soort compressorloze turbine, iets wat volgens de onderzoekers technisch lastig is omdat de snelle en heftige verbranding moeilijk stabiel is over te brengen op de turbine.

Waarom juist waterstof

De techniek werkt in principe met verschillende brandstoffen, maar waterstof leent zich er bijzonder goed voor. Het gas reageert snel en bouwt op voorspelbare, stabiele wijze drukverschillen op, wat nodig is om de detonatiegolven in stand te houden. Waterstof kan bovendien, in tegenstelling tot aardgas, met hernieuwbare stroom worden geproduceerd. Onderzoekers zien uiteindelijk kansen voor lichtere, goedkopere en efficiëntere turbines, eerst voor elektriciteitsopwekking en op langere termijn mogelijk ook voor de luchtvaart. Voor dat laatste doel wordt al langer gezocht naar alternatieven voor kerosine, waarbij een hogetemperatuurturbine zonder compressor aanzienlijk lichter zou kunnen uitvallen dan bestaande motoren.