Waterstof: de koolstofvrije energiedrager voor vliegtuigen?
Waterstof als brandstof of energiedrager voor vliegtuigen is zeker niet nieuw. Onderzoekers en bedrijven doen er al jaren onderzoek naar en dat het werkt is al lang geleden aangetoond in de luchtvaart. Zo bouwden de VS al in de jaren 1950 de eerste waterstofdemonstratievliegtuigen. Wat grootschalig gebruik als vliegtuigbrandstof tegenhield was vooral de ingewikkelde logistieke operatie om op luchthavens over de hele wereld een infrastructuur aan te leggen voor vloeibare waterstof. Maar nu hebben we een dringende reden om het opnieuw te overwegen: klimaatverandering. Waterstof kan een veelbelovende koolstofvrije brandstof of energiedrager zijn: tijdens de vlucht wordt geen CO2 uitgestoten en het vermindert ook de uitstoot van roet, sulfaat en NOx.
Waterstof kan vliegtuigen op verschillende manieren voortstuwen:
Als een brandstof in de verbrandingsmotor van het vliegtuig
Als elektrische stroomopwekking door een elektrochemische reactie van waterstof in een brandstofcel in combinatie met een elektromotor
Een combinatie van de twee in een hybride aandrijfsysteem. Bijvoorbeeld een combinatie van verbranding en brandstofcel of een combinatie van waterstof met kerosine of SAF.
Daarnaast kan waterstof ook gebruikt worden als grondstof voor de productie van Sustainable Aviation Fuels.
Meer onderzoek nodig
Er is meer onderzoek nodig om de bestaande technologieën voor de verbranding van waterstof in een vliegtuigmotor en het gebruik ervan in een brandstofcel te optimaliseren en een aantal hindernissen te overwinnen. Aspecten waar we aan moeten denken zijn:
1. Waterstofopslag- en distributiesystemen in vliegtuigen
Hoewel waterstof een veel hogere energie/massa-verhouding heeft dan kerosine, verkeert het bij atmosferische druk en temperatuur in een uiterst onpraktische toestand, omdat het een gas met lage dichtheid is. Om een hanteerbaar volume te bereiken, moet het ofwel sterk worden samengeperst (300-850 bar) of cryogeen worden afgekoeld tot vloeibare toestand (-253°C). Waar kerosine bij omgevingsdruk en -temperatuur wordt opgeslagen in vliegtuigconstructies die dienst doen als structuurelementen, heeft waterstof aparte, sterke hogedrukvaten of sterk geïsoleerde cryogene tanks nodig. Het volume en het gewicht van deze tanks zijn een grote uitdaging: vliegtuigen zijn immers altijd zo licht mogelijk en luchtvaartmaatschappijen vervoeren liever passagiers en vracht dan alleen de waterstof die ze nodig hebben om van A naar B te komen.
Vliegen op waterstof - of dat nu gebeurt door het te verbranden als brandstof of door het te gebruiken in een brandstofcel – vraagt ook om nieuwe distributiesystemen in het vliegtuig die te maken hebben met verdamping van vloeibare waterstof, distributie van vloeibare waterstof of waterstof onder hoge druk en drukregeling. Leidingen, pompen, kleppen en andere apparatuur moeten hierbij passen. Denk bijvoorbeeld aan de extreem lage temperaturen in geval van vloeibaar waterstof. Veiligheidseisen zullen leiden tot specifieke ontwerpoplossingen, bijvoorbeeld dubbelwandige leidingen. Uitgebreid onderzoek is nodig om tot een optimale oplossing te komen met betrekking tot gewicht, volume, prestaties en kosten.
2. Klimaateffecten
Vliegen op waterstof zorgt er weliswaar voor dat vliegtuigen geen CO2 meer uitstoten en dat de uitstoot van andere schadelijke deeltjes zoals roet en NOx vermindert, het leidt wel tot een aanzienlijk grotere uitstoot van water of waterdamp (ongeveer 2½ maal de hoeveelheid in vergelijking met kerosine). Verder onderzoek is nodig naar de effecten van deze waterdamp in de verschillende lagen in de atmosfeer op onder meer de vorming van contrails en cirruswolken.
Bovendien is waterstof alleen maar zo schoon als de manier waarop het wordt geproduceerd. Koolstofvrije waterstof maak je met duurzame elektriciteit. Momenteel is duurzame elektriciteit schaars.
3. Veiligheid en economie
Er is geen reden waarom waterstofvliegtuigen niet even veilig kunnen zijn als kerosinevliegtuigen, maar uitgebreid onderzoek is nodig naar onder meer standaardisatie. Daarnaast zijn marktstudies nodig om de economische haalbaarheid in kaart brengen. Immers: als je grote en zware waterstoftanks moet meenemen aan boord, kunnen er minder betalende passagiers of vracht mee.
Uit: M. Nagelsmit en L.L.M. Veldhuis (2021). Whitepaper TU Delft NLR: Towards a sustainable air transport system.
Aan de Technische Universiteit Delft onderzoeken we waterstof als een serieuze en zeer veelbelovende koolstofvrije energiedrager voor vliegtuigen: er is geen CO2-uitstoot tijdens de vlucht en het vermindert ook de uitstoot van roet, sulfaat en NOx. Grondig onderzoek en innovatie zijn echter van cruciaal belang om de hindernissen te overwinnen in verband met de opslag en distributie van waterstof in het vliegtuig, de klimaateffecten van waterdamp en de grootschalige duurzame productie van waterstof. Ons werk aan waterstof maakt deel uit van een veel groter portfolio gericht op het minimaliseren van de klimaatimpact van het gehele luchtvaartsysteem.
―
Henri Werij,
Decaan faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek TU Delft
