De luchtvaart is verre van duurzaam. Een mogelijke oplossing het gebruik van waterstof als brandstof. Waterstof produceert immers geen schadelijke emissies en wordt daarom al langer aangeprezen als een duurzame brandstof. Het begint nu ook steeds serieuzer onder de aandacht te komen bij de luchtvaartindustrie. De eerste tests worden inmiddels uitgevoerd.
Waterstofvliegtuigen stoten louter water uit en geen fijnstof of broeikasgassen, zoals CO2. Uit de eerste tests blijken ze bovendien net zo snel te kunnen zijn als traditionele vliegtuigen, met meer dan honderd passagiers per vlucht over duizenden kilometers. Volgens een recent rapport van McKinsey over het potentieel van waterstofaangedreven luchtvaart zouden dergelijke vliegtuigen al in 2035 op de markt kunnen komen.
Er zijn nog steeds aanzienlijke uitdagingen voordat dit mogelijk is, maar als we die kunnen overwinnen, dan is de belofte groot. De toekomst van de luchtvaart is dan veel groener dan nu en het kan een belangrijk onderdeel zijn van een duurzame, emissie-arme wereld.
Propellers
Waterstofvliegtuigen zouden qua uiterlijk vergelijkbaar zijn met traditionele vliegtuigen. Wel is er een langere romp nodig, omdat de energiedichtheid van vloeibaar waterstof vier keer lager is dan die van kerosine. En vanwege de hoge druk waaronder het bewaard wordt, is opslag in de vleugels niet mogelijk. Verder zullen kleinere vliegtuigen waarschijnlijk propellers gebruiken, waarbij waterstof-aangedreven brandstofcellen de elektrische voortstuwing leveren voor de propellers. Grotere vliegtuigen zouden waterstof kunnen verbranden om straalmotoren aan te drijven.
Volgens het McKinsey-rapport over waterstofaangedreven luchtvaart, dat op 22 juni werd gepubliceerd, zou waterstof in 2035 mogelijk gebruikt kunnen worden om een commercieel passagiersvliegtuig aan te drijven op vluchten tot 3.000 kilometer. Tegen 2040 zouden ook een middellange vluchten van maximaal 7.000 km mogelijk moeten zijn, waardoor alleen langeafstandsvluchten overblijven voor de traditionele luchtvaart.
'Als tegen 2035 korte afstanden mogelijk zijn, dan kun je alle grote steden in Europa verbinden met waterstofaangedreven vliegtuigen', zegt dr.Bart Biebuyck, uitvoerend directeur van de Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU), een Europees publiek-privaat partnerschap om de marktintroductie van deze technologieën te versnellen, dat opdracht gaf tot het rapport. ‘Het ambitieuze scenario is dat in 2050 40% van de Europese luchtvaartvloot op waterstof draait. '
Het bereiken van deze doelen is afhankelijk van een aantal factoren. Allereerst moeten waterstofopslagtechnologieën verbeteren om voldoende vloeibare waterstof mee te kunnen nemen in vliegtuigen. Daarnaast moeten er nieuwe manieren worden ontwikkeld om waterstof naar luchthavens te vervoeren, zodat vliegtuigen op landingsbanen kunnen worden bijgetankt. Ook is herontwerp van het vliegtuiginterieur nodig om alle noodzakelijke systemen en buizen te integreren.
‘Die integratie in groot vliegtuig wordt een grote uitdaging’, zegt Biebuyck. ‘En we moeten standaarden, codes en voorschriften opstellen. Wat zijn bijvoorbeeld de vereisten voor het testen van waterstoftanks in de luchtvaart? Veel van dit onderzoek is nog niet gedaan.'
Bij de ontwikkeling van de aandrijftechnologie van waterstofvliegtuigen is daarentegen wél flinke vooruitgang geboekt. In 2008 toonde Boeing met eenzitter op waterstof vanaf een vliegveld bij Madrid dat de technologie mogelijk was. In 2016 steeg het eerste vierzitter-waterstofvliegtuig op vanaf de luchthaven van Stuttgart. Dit toestel was gebouwd in Duitsland door het Duitse luchtvaartonderzoeksbureau (DLR), de Universiteit van Ulm en het bedrijf H2FLY.
Vier componenten
Waterstofvliegtuigen bestaan grofweg uit vier hoofdonderdelen: een opslagsysteem om vloeibare waterstof veilig in op te slaan, brandstofcellen om waterstof om te zetten in elektriciteit, een apparaat om het vermogen van de cellen te regelen en tenslotte een motor om een propeller aan te drijven. Om volledige commerciële vliegtuigen te maken, moeten deze alle vier verder worden ontwikkeld.
In Spanje werkt het project HEAVEN aan de integratie van deze componenten in een experimenteel vliegtuig. Bij HEAVEN wordt een aandrijflijn ontwikkeld om de propellers op hoge snelheid te laten draaien met elektrische stroom. Dit wordt gecombineerd met opslagsystemen voor vloeibare waterstof die vergelijkbaar zijn met de opslagsystemen die in waterstofauto's worden gebruikt.
'Dit is de eerste test met een opslagsysteem voor vloeibare waterstof, dat wordt aangesloten op een brandstofcel en een elektromotor om er vervolgens mee te vliegen', zegt dr. Josef Kallo, vanuit de DLR verbonden aan HEAVEN. ‘De waterstofopslag wordt dit jaar door de Franse firma Air Liquide wordt gebouwd. Volgend jaar werken we aan de integratie. En dan gaan we eind 2022 de lucht in.’
De aandrijflijn die HEAVEN ontwikkelt, zet waterstof in om de propeller in beweging te brengen. Dit gebeurt op een efficiënte en stille manier: er wordt ongeveer evenveel geluid bij geproduceerd als bij een draaiende verbrandingsmotor in een auto. Daardoor zullen passagiers een aangename, stille vlucht hebben.
Een propellervliegtuig op waterstof met 45 zitplaatsen kan snelheden tot 600 km/h halen. Een Boeing 747 haalt een topsnelheid van ongeveer 920 km/h.
Hoewel de meeste aandacht momenteel naar de propellers uitgaat, wordt ook gewerkt aan de ontwikkeling van turbines op waterstof, omdat die efficiënter zijn bij hogere snelheden. ‘Een ontwikkelingsstap zou zijn om turbinevoortstuwing te gebruiken, met behulp van hogesnelheidsmotoren, die relatief weinig geluid maken’, aldus Kallo.
Groene luchtvaart
Het grootste deel van de waterstof in de wereld wordt tegenwoordig geproduceerd met methaan uit aardgas als grondstof. Hierbij komt CO2 vrij. Er zijn echter verschillende initiatieven om groene waterstof te ontwikkelen, waarbij elektrische stroom uit een hernieuwbare bron gebruikt wordt om water om te zetten in zuurstof en waterstof, om zo de uitstoot bij de productie te verminderen. Als de productie van groene waterstof op grote schaal mogelijk wordt en we kunnen vliegen op deze brandstof, dan zou de luchtvaart een relatief groene vorm van reizen kunnen worden.
‘Tegen 2050 moeten we een CO2-neutrale samenleving worden en de luchtvaartsector moet daar een bijdrage aan leveren’, zegt Biebuyck. ‘Het is natuurlijk niet alleen de luchtvaart die zich moet aanpassen. We moeten allemaal samenwerken. Maar we kunnen klimaatverandering niet verslaan zonder dat de luchtvaart koolstofarm wordt.'
Europa hoopt hierin een leidende rol te hebben via de ontwikkeling van meerdere door waterstof aangedreven technologieën, waaronder waterstofvliegtuigen. ‘Europa loopt erg ver voorop’, zei Kallo. ‘Er zijn enkele projecten in de VS en China. Maar ze ontwikkelen zich niet zo snel als wij.'
Volgens Kallo zou het – als de benodigde verbeteringen gerealiseerd worden –kunnen dat een vlucht van Parijs naar Madrid of München naar Rome over enkele decennia gemaakt kan worden in een groen, schoon vliegtuig zonder broeikasgasemissie. Hij ziet een koolstofarme toekomst voor de luchtvaart voor zich. ‘Dit is een kans om over te schakelen van luchtvaart op koolwaterstofbasis naar luchtvaart op waterstof’.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in Horizon, the EU Research and Innovation Magazine
Bron: Techniek & Wetenschap
