‘Zelfs koud water is een fantastische energiebron’

Het stoepje voor prof.dr.ir. Piero Colonna’s voordeur in de oude binnenstad van Delft is onlangs opgebroken. Sommige tegels zitten scheef en in een grote steen is een goot gebikt. Deze is later weer opgevuld, maar pas nadat een buizenstelsel is aangebracht dat onder de straat door van zijn huis naar de gracht loopt. Het grachtwater mag dan koud zijn, het is volgens de hoogleraar warm zat om een huis mee te verwarmen.

“Wat nog ontbreekt aan de installatie is een warmtepomp”, zegt de gastvrije Milanees, als hij een rondleiding geeft door zijn huis dat deels als laboratorium voor duurzame energie dienst moet gaan doen. “Zelfs relatief koud water is een fantastische energiebron”, vervolgt Colonna nadat hij zijn bezoek heeft verwelkomd met Crodino en Italiaans gebak.

Colonna wil het grachtwater langs de warmtepomp laten stromen, en er zodoende energie – warmte- aan onttrekken. Het afgekoelde grachtwater stroomt weer terug het kanaal in. Met zijn installatie past Colonna, die op 16 mei zijn intreerede gaf als hoogleraar propulsion and power, thuis toe wat hij aan de TU predikt; energiewinning uit lage temperatuurstromen.

Colonna’s stokpaardje is de ORC-technologie (orc staat voor organische rankinecyclus), een soort veredelde stoommachinetechnologie waarmee restwarmte van bijvoorbeeld uitlaatgassen, benut kan worden om elektriciteit op te wekken of om motoren efficiënter te laten werken. Maar je kunt het in combinatie met parabolische spiegels ook gebruiken om elektriciteit op te wekken uit zonne-energie. Colonna kreeg dit voorjaar een STW-subsidie van 1,2 miljoen euro om een gebouw te maken dat energieneutraal is dankzij deze technologie.

Ik had verwacht in uw huis ook orc-technologie te treffen.

“Er is niet één oplossing voor alle problemen. Je moet om je heen kijken naar de energiebronnen die je voor handen hebt en die gebruiken. In dit geval, bij ons thuis, bleek dat het grachtwater te zijn. Bij andere gebouwen, met wat meer dakoppervlak, kun je wel gebruikmaken van orc in combinatie met parabolische spiegels die het licht concentreren op een vloeistof.”

Met uw specialisme, energiewinning uit lage temperatuurstromen, bent u een zeldzaamheid in de wereld van de verbrandingsmotoren en de stuwkracht.

“Ja klopt. Sinds de uitvinding van de stoommachine begin achttiende eeuw heeft men de temperatuur waarbij motoren werken alsmaar opgeschroefd om de efficiëntie te verbeteren. Nog steeds is dit waar de meeste onderzoekers op focussen; op de hoge temperatuur thermo-dynamica. Maar het eind van deze trend lijkt in zicht. Het wordt steeds lastiger om materialen te vinden die voldoende hittebestendig zijn. De stormloop naar hoge temperaturen heeft er intussen voor gezorgd dat we enorme stromen aan restwarmte overhouden. Neem nou een vrachtwagen, die zet zestig procent van de energie uit brandstof om in warmte. Ik wil onderzoeken hoe we deze lage temperatuurstromen kunnen gebruiken. Dat heb ik in 1991 aan het eind van mijn studie luchtvaarttechnologie in Milaan besloten, en dat vergde aardig wat lef denk ik.”

Hoezo lef?

“In die tijd interesseerde het bijna niemand. Energie halen uit lage temperatuurstromen was een passie van mijn afstudeerbegeleider Gianfranco Angelino, de uitvinder van de orc-techniek. Ik heb de passie van hem overgenomen. Halverwege mijn engineeringstudies wilde ik stoppen en wat anders doen. Ik hield niet van engineering. Ik dacht eraan om over te stappen naar een opleiding journalistiek. Maar mijn ouders vroegen of ik het niet nog een jaartje wilde aanzien. Dat ene laatste jaar kreeg ik les van Angelino; hij doceerde over turbines, compressoren en pompen. Wat een talent, ik was verbijsterd. Hij had een sterke boodschap over het milieu en duurzame energie. Hij was op een missie. Maar het grappige is; het interesseerde niemand wat. De olieprijs was laag. Heel anders dan nu. Maar hij was daar heel kalm over. Hij wist dat technieken om restwarmte te benutten mainstream zouden worden. En hij gaat gelijk krijgen, want de industrie investeert daar nu volop in.”

Orc-technologie gaat volgens u de wereld veranderen. Hoe werkt deze techniek?

“Net als bij een klassieke stoommachine wordt bij orc een turbine aangedreven door een stof die door hitte uitzet. Gebruikt men bij een stoommachine water, bij het organische rankine-proces gebruikt men een organisch oplosmiddel met een veel lager kookpunt. De techniek is ook geraffineerder. We werken namelijk met complexe zware moleculen die zich, in tegenstelling tot water, niet gedragen als ideale gassen en vloeistoffen. In vloeibare vorm blijk je deze stoffen toch te kunnen samendrukken, iets wat met water absoluut niet kan. De vloeistoffen en gassen van orc-technologie hebben ook een lager dichtheid dan water. Daardoor kunnen orc-machines veel kleiner gemaakt worden dan stoommachines. Ik werk nu met Dana, een Amerikaanse fabrikant van motoronderdelen, aan vrachtwagenmotors die tientallen procenten zuiniger zijn doordat ze de restwarmte uit de uitlaat gebruiken met orc-techniek.”

Tot voor kort werkte u als onderzoeker bij de faculteit 3mE (bij de renewable energy systems group), maar nu bent u hoogleraar bij L&R. Terug naar uw wortels in zekere zin, want u bent afgestudeerd luchtvaartingenieur. Hoe voelt het om weer terug in het vliegtuigwereldje te zijn?

“Dat voelt goed. Als kind droomde ik ervan om piloot te worden. Ik was een romanticus. Maar ik ben bijziend, dus het kon niet. Vliegtuigen en duurzaamheid zijn mijn twee passies. Die wil ik combineren. Bovendien is het goed om technologieën die restwarmte gebruiken onder de aandacht te brengen van de luchtvaartindustrie. Als die industrie erop duikt, dan krijgt de technologie een enorme impuls. Er zit daar veel geld en men beschikt over allerlei exotische materialen.”

Duurzaam vliegen, is dat niet te hoog gegrepen?

“Duurzaamheid en vliegen gaan nu nog niet samen. Maar ooit zal men duurzaam vliegen dankzij onze technieken en door gebruik te maken van biobrandstof. Ik denk dat we vliegtuigmotoren tientallen procenten zuiniger kunnen maken met een techniek die verwant is aan orc. In plaats van organische vloeistoffen gebruiken we superkritische CO2. Ook weer een uitvinding van Angelino.

Als we een superkritische CO2-turbogenerator combineren met een turbopropellermotor kunnen we de efficiëntie van de motor opschroeven van de huidige veertig procent naar zestig procent. Dat is een enorme stap vooruit.”

Zal de conservatieve vliegtuigindustrie deze techniek ooit omarmen?

“De industrie staat erg onder druk. Ze is veel te afhankelijk van fossiele brandstoffen. Er worden nu al enorme investeringen gedaan om maar een tiende procent meer efficiëntie te behalen.”

Aan uw werk zit ook een zeer fundamentele kant. U hoopt nieuwe fysische verschijnselen waar te nemen.

“Ja. In 2005 kreeg ik een Vidi-beurs van NWO voor mijn onderzoek naar de gasdynamica van dichte damp en superkritische vloeistoffen. We hebben een opstelling gebouwd, de Flexible Asymmetric Shock Tube (Fast) waarmee we een bijzonder fenomeen willen waarnemen, een rarefaction shock wave. Dat is het tegenovergestelde van de schokgolf die we allemaal kennen, die bijvoorbeeld ontstaat wanneer een vliegtuig door de geluidsbarrière gaat. Normaal gesproken ontstaat een schokgolf door een abrupte toename in druk in de stromingsrichting. Een rarefaction shock wave is een abrupte afname in druk in de tegenovergestelde richting. Dat zulke schokgolven mogelijk moeten zijn, werd voor het eerst bedacht door de Duitse Nobelprijswinnaar Hans Bethe (die tijdens de Tweede Wereldoorlog heeft meegewerkt aan de atoombom). Maar het fenomeen is nog nooit waargenomen. Althans, Russische onderzoekers meenden in de jaren tachtig het bestaan ervan te hebben gedemonstreerd, maar hun waarnemingen worden zeer in twijfel getrokken. Het heeft ons jaren gekost om de Fast-machine werkende te krijgen. We brengen er een stof in aan (siloxaan, red.) die we superkritisch moeten krijgen, het punt waarop de stof zich tegelijk als vloeistof en als gas gedraagt. In de opstelling zit een ventiel dat drie milliseconde open moet gaan. Het is extreem lastig om zoiets voor elkaar te krijgen in een opstelling die honderden graden heet is. Onlangs werd ik wakker om drie uur ’s nachts. Zomaar. Toen kreeg ik plots een sms van mijn medewerker Emiliano Casat. ‘Het werkt!’”

Dus nu kunnen jullie elk moment een rarefaction shock wave waarnemen?

“Ik ben bijgelovig. Dus ik durf niet te zeggen hoe lang het nog duurt. Doe ik dat wel, dan zul je net zien dat onze experimenten mislukken. We zijn langzaam de temperatuur aan het verhogen. We zitten nu op 305 graden. We moeten tot 360 komen. Het is een groot avontuur. Fundamenteel gezien is het heel interessant. Of het ook toepassingen gaat hebben, daarover kun je alleen maar speculeren. Natuurkundige fenomenen moeten altijd eerst ontdekt worden, later komen er vaak anderen die toepassingen vinden.”

Wat verandert er nu u professor bent?

“Bij 3mE had ik ook mijn eigen onderzoeksgroep. In zekere zin werkte ik daar ook als professor. Ik doe dus grotendeels hetzelfde. Maar ik wordt nu wel met meer egards behandeld.” Lachend: “Dat is wel eigenaardig.”

Kon u geen hoogleraar worden bij 3mE?

“Wat zal ik daar eens op zeggen?” (korte stilte) “Bij L&R hebben ze besloten om een nieuwe leerstoel in het leven te roepen die aansloot op mijn expertise; propulsion and power. Het was een gedurfde zet van L&R. Er is in Nederland namelijk helemaal geen industrie gericht op propulsion and power. Maar als grootste luchtvaart- en ruimtevaartfaculteit van Europa moet je wel zo’n leerstoel hebben. De arbeidsmarkt voor afgestudeerde TU-ers bevindt zich ook buiten Nederland.”

Bent u van plan om ooit nog eens terug te keren naar Milaan?

“Ik ben geboren in Milaan. Het is een grote industriële stad waarvan ik nooit heb gehouden. Ik wil daar niet naar terug. Italië is mij bovendien te corrupt. Ik heb een tijdje in de Verenigde Staten gewerkt. Dat was ook niet echt waar ik naar op zoek was. In Delft heerst een gemoedelijk dorpse sfeer en toch is het hier heel internationaal. Het is hier fijn wonen en werken.” 

CV

CV

CV

Piero Colonna is in 1965 geboren in Milaan. Sinds 2002, toen hij een aanstelling als universitair docent kreeg bij 3mE, woont hij met zijn vrouw en twee dochters in Delft. Colonna studeerde in de jaren negentig aerospace engineering en mechanical engineering in Milaan (Politecnico di Milano) en aan de Stanford University in de Verenigde Staten. In 2005 kreeg hij een Vidi-beurs voor zijn onderzoek naar de gasdynamica van dichte damp en superkritische vloeistoffen. Sinds 1 september 2013 is hij hoogleraar propulsion and power bij Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek.