Waterstof wordt vermoedelijk de duurzame vliegtuigbrandstof van de toekomst. Ingenieurs van Pratt & Whitney laten zien hoe een vliegtuigmotor er dan ongeveer uit kan komen te zien. Het concept heeft een paar onverwachte eigenschappen.

 

Voor een echte verduurzaming van (middel)lange afstandsvluchten zet de vliegtuigindustrie zijn kaarten op waterstof. Ingenieurs denken dat het gas, mits duurzaam geproduceerd, als vervanger kan gaan dienen voor kerosine, waar vliegtuigen nu op draaien. Waterstof levert noch bij verbranding, noch wanneer het een brandstofcel voedt, CO2 op, het belangrijkste broeikasgas.

Alleen is waterstof niet in bestaande vliegtuigmotoren te gooien; daar moeten nieuwe motorconcepten voor worden bedacht. De bekende motorenbouwer Pratt & Whitney presenteert nu het Hydrogen Steam-Injected, Intercooled Turbine Engine (HySIITE) concept. Dit is een globaal ontwerp voor een vliegtuigmotor die zijn energie haalt uit waterstof.

Veel meer water

Het belangrijkste probleem dat de ingenieurs te lijf gingen was het feit dat de verbranding van waterstof veel meer water oplevert dan de verbranding van kerosine: bij die verbranding reageert waterstof (H2) namelijk met zuurstof (O2) tot water (H2O). Wat moet je met al dat water? Alles lozen in de lucht is niet gunstig, aangezien de condensatiesporen van vliegtuigen bijdragen aan het broeikaseffect.

Stoom in de verbrandingskamer

De ingenieurs van Pratt & Whitney vonden een nuttige bestemming voor een deel van het gevormde water. Zij voeren het in de vorm van stoom terug in de verbrandingskamer van de motor (zie het diagram hieronder). Daar zorgt de stoom ervoor dat er een betere verbranding plaatsvindt, en de efficiëntie van de motor dus omhooggaat. En dat niet alleen, de betere verbranding betekent ook dat er nauwelijks nog stikstofoxiden (NOx), een ongewenst bijproduct van hetere waterstofverbranding, uit de uitlaat van de motor komen. NOx is een indirect broeikasgas, en dicht bij de grond ongezond voor mensen.

Schematische weergave van het nieuwe motorconcept. Illustratie: Pratt & Whitney

Meer technische details zijn te lezen bij Aviation Week Network, een gespecialiseerde website over de luchtvaart.

Waterinjectie is bewezen techniek

Tijdens een online persconferentie deze week merkte Michael Winter, chief scientist bij RTX, moederbedrijf van Pratt & Whitney, op dat waterinjectie wellicht verrassend klinkt, maar dat het een bewezen techniek is bij gasturbines die op de grond energie opwekken. ‘En in de luchtvaart wordt dit principe al gebruikt sinds de begindagen van de B-52 strategische bommenwerper.’

Grove schatting

Deze ingreep zou kunnen leiden tot een 35 procent lager energieverbruik vergeleken met de straalmotoren nu, zegt Pratt & Whitney. Laten we dat getal maar als een grove schatting nemen, aangezien hier nogal wat aannames aan ten grondslag liggen.

De componenten voor dit ontwerp van een waterstofmotor werden uitgebreid getest in het laboratorium; zie de foto hieronder.

Tijdpad

We hoeven een straalmotor die draait op waterstof niet over een paar jaar in vliegtuigen te verwachten. Gevraagd naar een tijdpad tijdens het persmoment zei Neil Terwilliger, Technical Fellow Advanced Concepts bij Pratt & Whitney, aarzelend: ‘Er zijn nog allerlei technische uitdagingen. We zijn zeker nog tien jaar verwijderd van een commercieel verkrijgbare motor. Misschien komt hij pas rond 2050 op de markt.’ 

Winter, aanvullend: ‘Er komt een moment dat groene waterstof breed beschikbaar is in de luchtvaart. Wanneer de vliegtuigbouwers op een zeker moment gaan vragen om waterstofmotoren, willen wij er klaar voor zijn.’

Meerjarenproject

Het concept is het resultaat van een meerjarenproject dat financieel werd ondersteund door het Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E)-bureau van het Amerikaanse ministerie van Energie. In dat project onderzochten ingenieurs van Pratt & Whitney welke componenten nodig zijn om een goed werkende motor te bouwen. Het HySIITE-project zit erop, maar Pratt & Whitney is nog betrokken bij enkele andere projecten die de voortstuwing door waterstofaangedreven motoren onderzoeken.

Nederland

Pratt & Whitney kondigde onlangs aan dat het in Nederland een European Technology and Innovation Center (ETIC) opricht, waar het gaat werken aan technologieën voor een energie-efficiëntere en duurzamere luchtvaart. Het ETIC zal worden gevestigd in de bestaande Europese innovatiehub van RTX-dochter Collins Aerospace in Houten.

 

Beeldmateriaal: Pratt & Whitney