Naar een fossielvrije luchtvaart
Voor wie anno 2024 op een vliegveld gaat kijken, lijkt alles business-as-usual. Vliegtuigen taxiën af en aan, boven de straalmotoren trilt de lucht van de hitte door de uitlaatwalmen en in de wijde omgeving hangt de geur van kerosine. Je ziet het dus nog niet, maar toch wordt er hard gewerkt – onder meer in Nederland – aan de toekomst, die hoe dan ook duurzamer moet. Het doel: vliegen zonder CO2-uitstoot.
1 Batterij-elektrisch
Verandering begint vaak in het klein en bij vliegtuigen is dat niet anders. Op vliegveld Teuge, ten oosten van Apeldoorn en vooral bekend bij zweefvliegers en parachutisten, zoemt het van de elektrische lesvliegtuigjes.
E-Flight Academy vliegt sinds twee jaar met vier Pipistrel 121 Velis Electro-toestellen; zie de foto hieronder. De Sloveense vliegtuigbouwer was de eerste die een volledig elektrisch vliegtuigje gecertificeerd kreeg, vertelt Merlijn van Vliet van E-Flight Academy.
‘We zijn de eerste elektrische vliegschool ter wereld. Wie bij ons vlieglessen neemt, kan dat in een elektrisch toestel doen. De accuduur is nu vijftig minuten, met een buffer van tien minuten. Een prima tijdsduur voor een les.’
‘Vlieglessen zijn het eerste stukje luchtvaart dat te elektriceren valt’, legt Van Vliet uit. ‘Al die wat men dan noemt nutteloze lesvluchten op kleinere vliegvelden kunnen zo een stuk schoner worden.’
De elektrische Pipistrels zijn ook stiller. ‘Een ouderwets vliegtuigje heeft meer dan honderd bewegende delen; een elektromotor is één compacte koektrommel waarin het allemaal gebeurt. Vliegt er een over een drukke stad, dan horen mensen op de grond vooral het verkeer daar en niet het vliegtuig.’
Hoe de toekomst van passagiersvliegtuigen er uit gaat zien, vindt Van Vliet lastig te voorspellen. ‘Als ondernemer gebruiken wij wat er nu is. Batterijvliegtuigen hebben duidelijk een voorsprong op waterstof-elektrische toestellen. Er bestaan simpelweg al elektrische vliegtuigen met accupakketten en veel bedrijven zijn ermee bezig. Maar het is geen wedstrijd. De duurzame toekomst wordt een mix van initiatieven en technieken. Vliegen op batterijen is daarvan een ingrediënt.’
Dat is ook wat de experts van het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) zien. Zij onderzochten hoe de luchtvaartsector in Europa tegen 2050 kan verduurzamen. ‘We moeten zowel kijken naar alternatieve energiedragers, zoals waterstof, als onverminderd hard doorgaan met het verhogen van de efficiëntie’, zegt Bram Peerlings van NLR. ‘Anders hebben we namelijk nooit genoeg groene energie.’
Het onderzoek wees vliegen op waterstof aan als kansrijke optie voor vluchten binnen Europa, naast misschien een klein deel hybride-elektrisch. Intercontinentale vluchten moeten het hebben van duurzamere vormen van kerosine en, op de langere termijn, misschien van waterstofverbranding.
2 Elektrisch op waterstof
Batterij-elektrische vliegtuigen vormen een mooie aanloop naar duurzamer vliegen, maar accupakketten bevatten voor de meeste vluchten onvoldoende energie.
Een manier om meer energie mee te nemen, denken veel luchtvaartexperts, is waterstof. Waterstof kan op twee manieren een vliegtuig voortstuwen. De eerste is door het direct te verbranden in een – aangepaste – straalmotor; daarover later meer.
De tweede manier is door waterstof in gasvorm te leiden naar een brandstofcel, een apparaat dat de waterstofmoleculen combineert met zuurstofmoleculen en er water van maakt. Dit levert elektriciteit op, die elektromotoren kan aandrijven.
Dat deze elektrische oplossing met waterstof als energiedrager mogelijk is, bewees het Duitse H2FLY, dat dit in september vorig jaar testte met een toestel waar het brandstofcellen had ingebouwd en een tank voor vloeibare waterstof.
Een van de bedrijven die aan waterstofvliegtuigen werken is het Nederlandse Conscious Aerospace. Dat opende onlangs een eigen hangaar op Rotterdam The Hague Airport. Met nog elf Nederlandse bedrijven en instituten heeft het zich als doel gesteld binnen vijf jaar een bestaand vliegtuig om te bouwen van kerosine naar waterstof als energiebron.
Dit doel is realistisch. Werken met een vliegtuig dat al is goedgekeurd en wordt gebruikt in de commerciële luchtvaart vergemakkelijkt de certificering. Maar het is tegelijk ambitieus, want het blijft lastig met een volle tank waterstof de lucht in te gaan.
Het bedrijf heeft zijn oog laten vallen op de Dash 8-311 van De Havilland (zie afbeelding hieronder), een toestel dat niet meer wordt gemaakt, maar waarvan er wereldwijd nog zo’n tweehonderd in gebruik zijn. De Dash 8 wordt in onder meer Noorwegen, Nieuw-Zeeland en Canada ingezet voor regionale vluchten.
‘We mikken op deze markt omdat we dit toestel geschikt achten om voor waterstof om te bouwen’, zegt ceo Erik Geertsema van Conscious Aerospace.
‘Maar die regionale markt is ook de eerste die met waterstof te verduurzamen is. Landen als Noorwegen en Nieuw-Zeeland verplichten luchtvaartmaatschappijen om duurzamer te werken. En op die kleinere vliegvelden is het gemakkelijker de infrastructuur voor waterstof te bouwen dan op een groot vliegveld.’
Retrofit
‘Het is slim om eerst te gaan voor een retrofit, het ombouwen van een bestaand vliegtuigtype, om daarmee versneld de transitie in te zetten’, zegt Ron van Manen, directeur van Luchtvaart in Transitie, een meerjarig overheidsprogramma.
‘Want voor een nieuw vliegtuig is de route tot goedkeuring lang. Dat is de achilleshiel van de sector. Als we rond 2050 waterstof breed willen inzetten, dan moeten we nu beginnen met het ontwikkelen van de technologie. Het thema waterstof heeft echt alle aandacht; er heerst een nu-of-nooit-gevoel.’
Hóe Conscious Aerospace het vliegtuig op waterstof wil laten vliegen, is goed te zien op onderstaande illustratie van het hydrogen aircraft powertrain and storage systems (HAPSS). De bestaande propellers worden elektrisch aangedreven, maar de elektriciteit komt niet van accu’s, maar van brandstofcellen die worden gevoed met waterstof.
Die cellen vormen meteen ook de grootste technische uitdaging, want ze worden warm. Bij het leveren van twee megawatt aan vermogen aan een propeller, komt tot twee megawatt aan warmte vrij die moet worden afgevoerd. Een andere uitdaging is het opslaan van voldoende waterstof. Dat gaat Conscious Aerospace doen met een zeer goed geïsoleerde tank. Actieve koeling is dan niet nodig.
Thermosfles
Hóe zo’n waterstoftank moet worden gebouwd, onderzoeken ze bij NLR in Marknesse. Daar sorteert het onderzoek alvast voor op waterstofvliegtuigen. Om de waterstof vloeibaar te kunnen opslaan moet de opslagtank extreem goed koude isoleren. Net als een thermosfles zal de tank dus dubbelwandig zijn, maar dan met een vacuüm ertussen. En om in een vliegtuig te passen, moet de tank cilindervormig zijn. In de zoektocht naar het juiste materiaal testen NLR-medewerkers verschillende composieten (licht en ijzersterk) op eigenschappen als doorlaatbaarheid en sterkte.
‘Wat doet het materiaal onder wisselende temperaturen van 20 kelvin (-253 graden Celsius) tot kamertemperatuur? Hoe houdt het zich onder mechanische belasting, wanneer het vliegtuig een bocht maakt en de vloeistof rechtdoor wil?’, zegt hoofd structures, testing and evaluation Paul Arendsen. ‘En hoe werkt bij turbulentie de in de rondte klotsende vloeibare waterstof in op het materiaal van de tank? We zoeken dus een materiaal dat hiertegen bestand is en waarvan je tegelijk ook een opslagtank kunt maken.’
Witte robot
Het produceren van zo’n tank, is het werk van Arendsens NLR-collega Bert Thuis. Hij laat een grote witte robot zien. Aan de kop, die alle kanten op kan draaien, heeft die een roller, om smalle tape van het composietmateriaal mee op een mal te plakken. Laagje voor laagje krijgt zo de opslagtank vorm. Om de waterstofmoleculen binnen te houden, wordt de binnenwand voorzien van een liner, speciaal materiaal dat echt niets doorlaat. Wat nog een uitdaging wordt, is de binnen- en buitenwand van de opslagtank op hun plek te houden.
‘We kunnen die bevestigen met mechanische structuren, maar die laten ook warmte naar binnen’, vertelt Thuis. ‘Daarom onderzoeken we nu of een magneetveld de wanden kan fixeren.’
Tanktestbank
Ook het testen van de uiteindelijke waterstoftank gaat NLR doen. Daarvoor komt op het terrein een speciale, goed geventileerde testfaciliteit te staan. In die halfopen ruimte wordt de opslagtank straks flink door elkaar geschud. Vragen waarop de onderzoekers antwoord willen: is de tank sterk genoeg? Kun je hem schudden? Hoeveel waterstof verdampt er daarbij?
De testbank is groot genoeg om er, behalve de tank met een inhoud van een kuub, ook een aandrijflijn op te zetten. ‘Dat is interessant, want we willen weten wat er gebeurt als een vliegtuig straks scherp de bocht om gaat, of in turbulentie terechtkomt’, legt Arendsen uit. ‘Dan gaat de waterstof in het systeem niet vanzelf de goede kant op. Daar moeten we wel wat voor doen.’
Grote vliegtuigbouwers
Als technici van startup Conscious Aerospace over vijf, zes jaar erin zijn geslaagd hun vliegtuig op waterstof te laten vliegen, begint het eigenlijke werk pas, zegt Geertsema.
‘Een compleet nieuw vliegtuig bouwen kunnen alleen de bestaande grote vliegtuigbouwers. Wij denken dat die rond 2035-2040 willen instappen. Dat betekent dat ze vijf tot zeven jaar van tevoren gaan kijken naar leveranciers. Tegen die tijd hebben wij hopelijk aandrijflijnen op waterstof gereed. Er zullen geen honderden toestellen van ons rondvliegen, maar binnen tien jaar wel enkele tientallen. Dan zijn we goed gepositioneerd om te worden gekozen voor zo’n nieuw vliegtuigprogramma.’
Het ombouwen van een bestaand toestel moet zo de opmaat zijn naar volledig nieuwe vliegtuigen op waterstof, verwacht ongeveer halverwege de jaren dertig. Het HAPSS-project van Conscious Aerospace is verreweg het grootste project van Luchtvaart in Transitie, een initiatief dat uit het Groeifonds is voortgekomen. Stip op de horizon: een klimaatneutrale Nederlandse luchtvaart in 2050.
3 Straalmotoren op waterstof en alternatieve kerosine
Het lastigst te verduurzamen zijn de wide body-vliegtuigen voor intercontinentale vluchten. Die hebben zoveel energie nodig dat batterijen en waterstof in brandstofcellen het niet redden.
Kerosine werkt voor deze toestellen het beste, vandaar dat duurzamere vormen van kerosine hier het snelst de CO2-uitstoot verlagen. Sustainable aviation fuels (SAF’s), zijn gemaakt van restproducten, zoals gebruikte plantaardige oliën en vetten, of van reststromen uit de landbouw.
Bij verbranding van de SAF komt er nog steeds CO2 in de lucht, maar wanneer de SAF wordt gemaakt van hernieuwbare grondstoffen, komt er grofweg evenveel CO2 in de lucht als eerder tijdens de groei van de planten werd opgenomen.
Optimisten schatten de CO2-besparing van SAF’s op 80 procent, ‘maar dit cijfer wordt nog lang niet overal gehaald’, zegt Bram Peerlings van het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR). ‘Het gaat om de hele keten. Bij de fabricage van SAF’s komen, zeker met de huidige energiemix, nog steeds broeikasgassen vrij.’
Alternatief om duurzamere kerosine te maken is door CO2 uit de lucht te halen en te combineren met waterstof tot synthetische kerosine. De techniek is bekend, alleen is het CO2 winnen uit de lucht nog duur. Voordeel is wel dat SAF’s in bestaande straalmotoren kunnen, mits er aromaten aan worden toegevoegd. Onlangs vloog Virgin Atlantic voor het eerst met 100 procent SAF van Londen naar New York.
Waterstof verbranden
Verder in de toekomst kan het direct verbranden van waterstofgas de oplossing bieden, denken sommige experts. Het gas is ook direct te verbranden in een straalmotor (zie de foto hierboven), maar daarvoor moet die wel worden aangepast. Want er zijn verschillen, vertelt Ivan Langella die aan de TU Delft onderzoek doet naar waterstofverbranding voor straalmotoren.
‘Ten eerste heeft waterstof niet de smerende werking voor onderdelen van de straalmotor die kerosine wel heeft. Verder is waterstof reactiever en kruipt het gemakkelijker in en tussen materialen.’
Waterstof is sterk gekoeld als vloeistof aan boord, maar die kou maakt het lastig de verbranding op gang te brengen, zegt Langella. Wanneer waterstof echter eenmaal brandt, schiet de temperatuur snel omhoog.
Veel stikstofoxiden
Langella gelooft in de aanpak, maar is zich ook bewust van de uitdagingen. De vloeibare waterstof moet eerst gasvormig worden alvorens die in de verbrandingskamer kan worden geïnjecteerd. Maar dan volgt het grootste probleem van directe waterstofverbranding: de vorming van overvloedig veel stikstofoxiden (NOx). Deze stikstof-zuurstofverbindingen dragen dicht bij de grond bij aan luchtvervuiling. Hoog in de lucht versterken ze het broeikaseffect, via interacties met ozon en methaan.
Veel onderzoek richt zich dan ook op het terugdringen van de NOx-vorming, terwijl de verbranding toch stabiel verloopt.
Langella: ‘Je kunt het waterstofgas vooraf mengen met overvloedig veel lucht, wat ook een lagere vlamtemperatuur oplevert. Hierbij moet je wel oppassen voor instabiliteiten van de brandende waterstof. De vlam kan terugschieten – flashback heet dat – en de injector beschadigen, of zelfs een explosie veroorzaken. Dit is een serieus veiligheidsrisico. Ook onderzoeken we of we NOx-vorming kunnen beperken door waterdruppeltjes te injecteren in de verbrandingskamer om zo temperatuurswisselingen te onderdrukken.’
Hybridevliegtuigen
Langella verwacht dat er over een jaar of tien, als de sector ervaring heeft opgedaan met kleinere vliegtuigen op waterstof, hybridevliegtuigen zullen volgen. Die hebben dan zowel kerosine als waterstof aan boord, omdat nog op lang niet alle vliegvelden waterstof kan worden getankt. Daarbij kan het twee kanten op, zegt Langella. ‘Een vliegtuig kan de twee brandstoffen afzonderlijk verbranden. Dus twee gewone motoren aan de vleugels op de staart bijvoorbeeld die zowel waterstof als kerosine aan kunnen.’
Een tweede optie is dat kerosine en waterstof door elkaar worden verbrand – zoals sommige cv-ketels voor aardgas ook enige bijmenging van waterstof dulden. ‘Misschien valt er dan te schuiven met de mengverhouding van kerosine en waterstof, om de stabiliteit van de verbranding te verbeteren.’
Vliegtuigen krijgen een andere vorm
hybride-elektrisch vliegtuig met lange, ranke
vleugels die het extreem zuinig maken.
Illustratie: Publiek Domein
Toestellen met hybride aandrijving zijn wellicht een tussenvorm op weg naar geheel nieuw ontworpen vliegtuigen op enkel waterstof. Omdat waterstof zoveel ruimte inneemt, moeten vliegtuigen een andere vorm krijgen. De huidige vleugels dienen nu als opslag voor kerosine, maar die zijn voor waterstof veel te klein.
‘Waterstof bevat, gerekend naar massa, drie keer zoveel energie als kerosine’, zegt Van Manen. ‘Alleen naar volume omgerekend vier keer minder. Als voor een intercontinentale vlucht zeventigduizend liter kerosine nodig is, dan wordt dat met waterstof een kwart miljoen liter. Die ruimte is er niet in de vleugels. In de cabine is die ruimte er wel, maar er moeten ook nog passagiers mee.’
De vliegende vleugel
In het waterstoftijdperk, vanaf 2050, zal de bekende ‘sigaar met vleugels’ dus niet meer de norm zijn voor langere afstandsvliegtuigen. Voor het herontwerp van vliegtuigen zijn al wel voorzetten gedaan. Zoals het blended wing body-model, waarbij romp en vleugels vloeiend in elkaar overlopen. Of de vliegende vleugel, zoals de Flying V van de TU Delft.
Van Manen: ‘Die ontwerpen hebben allemaal één ding gemeen: ze hebben gerekend naar vleugeloppervlak, en dus draagkracht, veel meer volume in het lichaam. Waardoor je in het vliegtuig veel meer kwijt kunt. Een deel van die ruimte is te gebruiken voor de opslag van vloeibare waterstof.’
MEER LEZEN OVER DE VERDUURZAMING VAN DE LUCHTVAART?
Dit artikel verscheen eerder in het januarinummer van De Ingenieur. Koop hier de digitale versie voor € 9,75 of neem een abonnement!
Openingsfoto: een huidig straalvliegtuig met zijn condensatiesporen in de lucht. Foto Shutterstock
