De comeback van stoom

Een heel interessant artikel over stoom, toepassingen uit het verleden, maar ook uit het huidige tijdperk, zelfs BWM past het toe in de hybride motoren!

bron: http://www.kennislink.nl/publicaties/de-comeback-van-stoom

Stoom ouderwets? Nee hoor! Volgens de wilde plannen van onderzoekers en fabrikanten gaan stoommotoren de milieuvriendelijke kracht vormen achter auto’s, raketten en zelfs ruimteschepen.

‘Moderne stoom’ is efficiënter, brandstofzuiniger en heeft een lagere milieubelasting dan alle andere mechanische aandrijftechnieken. En dat terwijl stoomkracht de oudste vorm van mechanische aandrijving is. De eerste beschrijvingen van een ‘stoomwagen’ zijn zelfs terug te vinden in Chinese werken uit de Chu-dynastie tussen 1125 en 255 vóór Christus. Met de opkomst van de industriële revolutie verschenen naast de fabrieksaandrijvingen ook de eerste wegvoertuigen en treinen op stoomkracht in de loop van de achttiende eeuw. De laatste stoomauto, van het Amerikaanse merk Stanley, bleef in productie tot 1925. Stoomtreinen reden nog enkele decennia langer door.

Prototype van een stoomfarm in Californië: bijna tweeduizend beweegbare zonnespiegels verhitten centrale watertorens om stoomkracht op te wekken.

De basis van stoomkracht ligt in het geweldige vermogen van water om energie in hittevorm op te kunnen slaan. Tijdens verwarmen van water gaat het over in waterdamp, oftewel stoom: hele kleine druppeltjes water. Bij deze overgang wordt het volume maar liefst 1700 keer zo groot. In een stoommachine wordt de stoom onder druk gehouden in een ketel, waardoor het volume is samengedrukt. Zodra de stoom uit de ketel ontsnapt, neemt het volume toe en komt er een flinke kracht vrij. Deze kracht van het uizetten van de stoom kan een zuiger- of turbinemotor aandrijven. In een zuigermotor duwt de uitzettende stoom de zuiger in de cilinder naar beneden. In een turbinemotor drijft de uitzettende stoom de ronddraaiende turbinebladen aan.

Stoomturbines zijn nog altijd te vinden in elektriciteitscentrales. Met de hitte die vrijkomt door de verbranding van bijvoorbeeld fossiele brandstoffen uit een kernreactie of zelfs van zonnespiegels, wordt water verhit tot stoom die vervolgens een stoomturbine aandrijft. De stoomturbine drijft op zijn beurt weer een generator aan die elektriciteit opwekt. Verder is stoom veel in de industrie te vinden als toepassing in productieprocessen en voor schoonmaakwerkzaamheden.

Schone verbranding

De mogelijkheid van stoomkracht om voertuigen aan te drijven, wordt nu herontdekt vanwege enkele gunstige eigenschappen van ‘moderne stoom’. In tegenstelling tot bij een benzine- of dieselmotor vindt de verbranding niet binnenin de motor plaats. Daardoor is het verbrandingsproces precies te controleren in een schone en efficiënte brander die nauwelijks schadelijke stoffen uitstoot. Bovendien kan stoom ook de motor smeren, waardoor een stoommotor geen olie nodig heeft.

In Zwitserland bouwt het bedrijf Dampflokomotiv- und Maschinenfabrik DLM zelfs weer moderne stoommotoren voor in treinlocomotieven en schepen. In tegenstelling tot de ouderwetse, op steenkool gestookte stoomlocomotieven heeft een moderne stoomtrein maar één persoon voor de bediening nodig. De trein loopt op een moderne, vloeibare brandstof. De verbranding daarvan is vele malen schoner dan bij de ouderwetse stoomtreinen en concurrerend met moderne dieseltreinen.

De Ezee-stoommotor van Enginion, ingebouwd in een Skoda Fabia personenauto, veroorzaakt geen schadelijke uitlaatgassen.
De Enginion Ezee-stoommotor is een zogenaamde wankelmotor met twee ronddraaiende driehoekige zuigers (5). Vooraan de Ezee zitten de luchtinlaat (1) en de uitlaat voor de verbrandingsgassen (2). De verbranding zelf vindt plaats in de CPS Cell (11). De hitte daarvan wekt stoom op in een aantal dunne buizen (13) wat vervolgens in de cilinders (5) wordt geïnjecteerd met twee stoominjectoren (6).

Minimaal onderhoud

De afgelopen jaren zijn er in onder meer Duitsland, Zweden en Engeland nog meer ontwikkelingen van moderne stoommotoren, onder meer voor toepassing als autoaandrijving. Een van de meest veelbelovende is die van het Duitse bedrijf Enginion, dat enkele jaren geleden de compacte stoomgenerator Ezee (Equal Zero Emission Engine) ontwikkelde. In verschillende groottes en uitvoeringen is de Ezee toe te passen voor het opwekken van warmte en elektriciteit in individuele huishoudens en als aandrijving van auto’s, boten en vliegtuigen. De toekomst van de Ezee is momenteel onzeker en is sterk afhankelijk van de benodigde investeringen.

Enginion baseerde de Ezee op de gepatenteerde Caloric Porous Structure Cell (CPS Cell). Dit is een verbrandingskamer met een sponsachtige structuur, waarin gasvormige of vloeibare brandstoffen reageren volgens een nieuw ontwikkeld thermo-chemisch verbrandingsproces zonder open vlam. Tijdens de verbranding voorkomt het proces dat schadelijke uitlaatgassen ontstaan. De uitlaatgassen verhitten een aantal dunne waterbuizen waarin stoom wordt gevormd. Dit drijft weer een elektronisch gecontroleerde stoommotor aan, de zogenaamde ThermaDrive.

De CPS Cell in combinatie met de ThermaDrive biedt volgens Oliver Mehler, vicepresident business development van Enginion, een aantal belangrijke voordelen boven inwendige verbrandingsmotoren: “De Ezee is een zeer duurzaam systeem met een hoge gemiddelde efficiëntie, dat slechts minimaal onderhoud nodig heeft door het ontbreken van oliesmering. De CPS Cell werkt zonder aanpassingen op vele verschillende brandstoffen van benzine en diesel tot biogas en waterstof. De uitlaatgassen ervan zijn zonder nabehandeling, wat bij auto’s wel gebeurt, zelfs schoner dan de lucht die we inademen.”

Snelheidsrecords op stoom

•1902: De Fransman Léon Serpollet gaat met zijn stoomauto 120 kilometer per uur
•1906: Het Amerikaanse stoomautomerk Stanley rijdt 204 kilometer per uur
•2007?: Het nieuwe initiatief British Steam Car Challenge wil 320 kilometer per uur halen.

Het ontwerp van de 5,25 meter lange stoomrecordauto van de British Steam Car Challenge bestaat uit een stalen spaceframe voorzien van een aërodynamische carrosserie van composiet en metaal. Als aandrijving heeft de auto een stoomturbine met een vermogen van 225 kilowatt. De dubbele waterboilers hebben een drukopbouw van 34 bar en een stoomtemperatuur van 385 graden Celsius. Als brandstof wordt lpg gebruikt. De eerste recordpoging zal plaatsvinden in Zuid-Afrika in juni 2007.
___________________________________________________________________________

Verloren warmte

In plaats van directe stoomaandrijving is een stoommotor ook toe te passen in een hybride auto. Door met de overtollige hitte van de verbrandingsmotor stoom te maken, kun je op de stoommotor rijden zonder uitlaatgassen. De Engelse professor Fred Bayley van de University of Sussex ontwierp een parallelle hybride voertuigconfiguratie met een dieselmotor die zowel direct als via een stoommotor de wielen aan kan drijven. Bayley: ‘De overtollige hitte van het motorblok verhit tijdens het rijden een waterreservoir tot een temperatuur van 500^oC onder een druk van 100 bar. In tegenstelling tot het opladen van accu’s, zoals bij een hybride auto met elektromotor, kost het maken van stoom geen extra energie. De gemiddelde dieselmotor zet ongeveer 20 procent van de brandstofenergie om in beweging en de andere 80 procent gaat verloren als warmte door de uitlaat en het koelsysteem. De diesel-stoom hybride kan echter ruim de helft van de verloren warmte in stoom om te zetten. Als je naar het brandstofverbruik kijkt dan kan een diesel-stoom hybride 49,5 kilometer afleggen op één liter brandstof tegenover 29,4 kilometer voor een gebruikelijke diesel-elektrische hybride’, aldus Bayley.

De BMW Turbosteamer zet 80 procent van de hitte van de uitlaatgassen motorwarmte om in stoom die de motor aandrijft.
Bron: BMW ag

Turbosteamer

Ook de Duitse autofabrikant BMW ontwikkelt momenteel een hybride systeem met stoommotor. Bij dit zogenaamde Turbosteamer-concept wordt in tweebuizensystemen een vloeistof verhit tot stoom. In het eerste, hoge temperatuurcircuit wordt in de uitlaat meer dan 80 procent van de hitte van de uitlaatgassen gebruikt om een vloeistof te verhitten tot stoom. Deze stoom drijft een kleine stoommotor aan die direct aan de aandrijfas van de motor is gekoppeld. De gebruikte stoom condenseert en wordt teruggepompt naar het systeem in de uitlaat. In het tweede, lage temperatuurcircuit vangt het koelsysteem het merendeel van de resterende hitte op. De koelvloeistof wordt achter in het uitlaatsysteem verhit en drijft een tweede kleine stoommotor aan die direct aan de eerste is gekoppeld. De gebruikte stoom condenseert in de radiateur en gaat weer terug het systeem in.

In het Turbosteamer-concept wordt in twee buizensystemen een vloeistof verhit tot stoom.
In het eerste, hoge temperatuurcircuit (rood) wordt in de uitlaat (5, 6) met de hitte van de uitlaatgassen een vloeistof verhit tot stoom. Deze stoom drijft een kleine stoommotor (8) aan die direct aan de aandrijfas van de motor is gekoppeld. De gebruikte stoom condenseert (4) en wordt door een pomp (2) teruggevoerd naar het systeem in de uitlaat.
In het tweede, lage temperatuurcircuit (blauw) vangt het koelsysteem (1) het merendeel van de resterende hitte op. De koelvloeistof wordt achter in het uitlaatsysteem (6) verhit en drijft een tweede kleine stoommotor (7) aan die direct aan de eerste is gekoppeld. De gebruikte stoom condenseert in de radiateur (1) en gaat weer terug het systeem in.
Bron: BMW ag

Met een viercilinderbenzinemotor van 1,8 liter voorzien van een Turbosteamer behaalde BMW tijdens testen een besparing op het brandstofverbruik van 15 procent, naast 14 pk meer vermogen en extra motorkoppel. De onderdelen van de Turbosteamer zijn dusdanig compact ontworpen dat ze te monteren zijn op de huidige modellen van BMW. Verder onderzoek moet de onderdelen eenvoudiger en kleiner maken. BMW wil het Turbosteamer concept binnen tien jaar gereed hebben voor massaproductie.

Straaljagers aanjagen

In plaats van met een aparte stoommotor is het vermogen van een inwendige verbrandingsmotor ook flink te verhogen door waternevel of stoom direct in de verbrandingskamer te injecteren. De Russische raketgeleerde dr. Vladimir Balepin ontwikkelde voor het Amerikaanse bedrijf MSE Technology Applications zijn Steamjet volgens dit principe. Het werkingsprincipe is een stuk eenvoudiger dan de straalmotoren die nu worden gebruikt om straaljagers tot snelheden van Mach 6 (7350 km/h) en hoger voort te stuwen. Balepin gebruikt injectie van water wat door de hitte van de straalmotor overgaat in stoom en de straalmotor extra koelt. Deze extra koeling maakt het mogelijk standaard materialen als titanium en een standaard brandstof toe te passen. De toepassingen voor Balepins Steamjet lopen uiteen van straaljagers, hypersonische kruisraketten en lanceerinstallaties tot ruimtevaartuigen.

Stomend naar de sterren

Als de mens ooit de ruimte gaat koloniseren, dan zou dat kunnen gebeuren met opblaasbare, door stoomkracht aangedreven ruimteschepen met wanden van ijs. De Amerikaanse dr. Anthony C. Zuppero ontdekte in de jaren tachtig bij Sandia National Laboratory dat een stoomraket een haast ideale aandrijfkracht is voor ruimtemissies, zolang je in de ruimte maar water kan ‘tanken’. Zuppero’s onderzoek werd realiteit toen gedurende de jaren tachtig en negentig van de vorige eeuw vormen van water werden ontdekt op kometen, asteroïden en zelfs op de polen van onze eigen maan.
Zuppero: “Met dat schip kunnen honderd mensen tegelijk naar Mars onder goed leefbare omstandigheden. Het schip heeft genoeg draagvermogen om wanden te maken van één meter dik ijs dat de dodelijke galactische kosmische straling kan tegenhouden. Door het schip in de vorm van een autoband te maken en te draaien wek je een synthetische zwaartekracht op waardoor de astronauten geen schade ondervinden door verzwakking van de botten, spieren en het immuunsysteem.”
Klik op de afbeelding voor een grotere versie

Naast Balepin werkt ook de Britse uitvinder Roland Heap aan een prototype waarmee hij onder meer de effecten van waterinjectie, ontbranding door samenpersen van het brandstofmengsel en naverbranding van de uitlaatgassen test. “Bij het prototype met waterinjectie wordt mistnevel direct in straalmotor geïnjecteerd. Bij contact met de hete gassen en de wand van de verbrandingskamers expanderen de waterdruppeltjes direct tot stoom en geven zo een verhoogd koppel”, vertelt Heap. “Als waterstof als brandstof ooit commercieel verkrijgbaar wordt, zou dat een bijzonder interessante toepassing zijn. Bij de verbranding van waterstof krijg je immers puur water dat weer gebruikt kan worden voor de stoominjectie.” Toepassingen die Heap ziet voor zijn turbinemotor zijn onder meer het opwekken van elektriciteit en directe aandrijving van zware wegvoertuigen, treinen en maritieme toepassingen. Uitvoeringen met een hoog vermogen zijn ook toepasbaar bijvoorbeeld helikopters, speedboten en powerboats.