20 oktober 2022

Vliegtuigen op waterstof: ver voorbij de horizon

Het is al bewezen dat het kan: vliegen op groene waterstof. Maar het duurt nog decennia voor dit op grote schaal gebeurt.

Áls er tegen die tijd genoeg waterstof is. Deel 2 van een serie over duurzaam vliegen.

Ze hadden er iets bijzonders van gemaakt. Het gewone werk in hangar 89 op vliegveld Luton, ten noorden van Londen, was onderbroken, een zo goed als nieuwe Airbus A320 Neo was naar binnen gesleept. Van buiten de hangar klonk af en toe het geraas van een opstijgend vliegtuig, het klapwieken van die enkele duif die naar binnen was gevlogen, was nauwelijks te horen.
Tegen dit decor maakte luchtvaartmaatschappij easyJet eind september bekend dat ze in 2050 wil vliegen zonder CO2-uitstoot. Zeker in de jaren tot 2035 moet die nieuwe Airbus daarin een rol in spelen; de A320 Neo is 15 procent zuiniger dan zijn voorganger. Maar voor de tijd daarna vertrouwt easyJet op een heel nieuwe generatie vliegtuigen. Die moet vliegen op waterstof.
Vandaar dat ook Rolls-Royce in de hangar aanwezig was, met een model van een vliegtuigmotor op waterstof, geschikt voor korte en middellange vluchten. Chief technology officer Grazia Vittadini kondigde aan dat Rolls-Royce binnenkort toe is aan de eerste tests op de grond. Een ‘belangrijke mijlpaal’.

Foto Paul Jespers AQJ5cLTR AM unsplash

Photo by paul jespers on Unsplash

Toestel zonder stoelen

Een doorbraak? Dat niet. Ook andere luchtvaartondernemingen werken eraan. Sterker nog, het is al bewezen dat het kan, 34 jaar geleden zelfs, door de Russische vliegtuigfabrikant Toepolev. In april 1988, nog in het Sovjet-tijdperk, kwam de TU-155 voor het eerst van de grond, met een verbrandingsmotor op waterstof.
Dat Russische vliegtuig liet destijds al zien welke knelpunten fabrikanten tegenkomen als ze hun toestellen op waterstof willen laten vliegen. Vloeibare waterstof moet erg koud gehouden worden, kouder dan 253 graden Celsius onder nul. En het levert weliswaar per kilo drie keer zoveel energie als kerosine, maar de opslag ervan neemt vier keer zoveel plaats in beslag. Dat vereist grotere en zwaardere tanks. De Sovjets voerden hun testvluchten daarom uit met een toestel zonder stoelen, maar met een hele batterij aan tanks.
Dat was niet eens de reden dat de TU-155 nooit doorontwikkeld is. Het project was niet ingegeven door klimaatoverwegingen, maar had een economisch motief. Kerosine zou schaars en dus duur worden, dachten de Russen, waterstof zou dan goedkoper zijn. Die verwachting kwam niet uit, en toen de Sovjet-Unie uit elkaar viel, stierf het project een stille dood.

Water als enige restproduct

Nu is waterstof dus terug in de luchtvaart. Met een technologie die nog veelbelovender is dan die van de Sovjets. De TU-155 werd aangedreven door een motor die waterstof verbrandde, net als de Rolls Royce-motor die easyJet showde. Bij die verbranding komt geen CO2 vrij, maar 100 procent schoon is deze techniek niet: er worden wel stikstofoxiden uitgestoten.
De schoonste technologie maakt gebruik van brandstofcellen. In die cellen wordt waterstof uit een tank samengebracht met zuurstof uit de lucht. Dat levert elektriciteit op die een motor kan aandrijven. Het enige restproduct is water.
“Vorige generaties vliegtuigontwerpers hebben het geweldig gedaan, met steeds schonere en stillere vliegtuigen”, zegt Rinze Benedictus, hoogleraar vliegtuigstructuren en -materialen aan de TU Delft. “Maar het resultaat is uiteindelijk: meer groei, meer klimaatschade. Als het gaat om een echt klimaatneutrale luchtvaart, en daar willen we naartoe, dan is waterstof zeker een van de technologieën dat dat in zich hebben.”
Benedictus’ faculteit, lucht- en ruimtevaarttechniek, is betrokken bij een consortium waaraan ook onderzoeksinstituut NLR deelneemt. Dat kreeg dit voorjaar 383 miljoen euro uit het Nationaal Groeifonds, onder meer om zogeheten demonstrators te ontwikkelen waarin waterstoftechnologie in bestaande vliegtuigen wordt getest. Nederland wil zo ‘koploper’ worden in de klimaatneutrale luchtvaart. “Dat vergt veranderingen”, zegt Benedictus, “niet van één punt in het systeem, maar van het hele systeem”.

Passagiers in de vleugels van de vliegende V

Het begint al met het vliegtuig zelf. De meeste vliegtuigen hebben hun kerosinetanks in de vleugels en dankzij de gewichtsverdeling die daardoor ontstaat, kan het toestel licht ontworpen worden, legt Benedictus uit. Dat kan met waterstof niet: omdat het meer plaats in beslag neemt, zal het in de romp opgeslagen moeten worden. “Toestellen op waterstof zullen daarom een veel zwaardere romp krijgen.”
Dat kan tot heel andere ontwerpen leiden. De TU Delft voerde twee jaar geleden al een proefvlucht uit met een schaalmodel van de ‘Flying-V’, een project waaraan ook KLM en Airbus meewerken. Het is een nieuw type vliegtuig: geen sigaar met vleugels, maar een soort vliegende V, met de passagiers in de vleugels van die V. Dat levert minder luchtweerstand op, en dus ook een lager brandstofgebruik. Die poten van de V kunnen ook heel goed gebruikt worden voor waterstoftanks, voegt Benedictus daar nu aan toe.
Sceptici riepen destijds dat die Flying-V nooit de stap van schaalmodel naar vliegtuig zal maken, en dat het project vooral de marketing van de luchtvaart dient. Benedictus haalt er z'n schouders over op. “Of die Flying-V ooit echt gaat vliegen, is niet relevant", zegt hij. “De Flying-V is relevant als platform voor het ontwikkelen, testen en invoeren van radicaal nieuwe technologie. Technologie die je niet zou krijgen als je vliegtuigen met kleine stapjes vanuit de huidige situatie zou moderniseren. Projecten als de Flying-V zijn een essentiële stap richting klimaatneutraal vliegen in 2050.”

Vaker een tussenstop

Nee, zulke vernieuwingen zorgen niet vandaag of morgen voor een 100 procent schone luchtvaart. En ook niet in 2050, het jaar waarin Nederland klimaatneutraal wil zijn. “Dat zou een bovenmenselijke prestatie zijn”, zegt Benedictus. "Maar het is goed dat die ambitie er is. Vergelijk het met tien sporters die alle tien een gouden medaille willen halen. Dat kan niet, maar ieder doet er wel het uiterste voor.”
Voordat dat geheel nieuwe vliegtuig op waterstof er is, zijn we zeker vijftien jaar verder, voorspelt Benedictus. En als het onderzoek op ‘witte vlekken’ stuit, onvoorziene obstakels die pas gaandeweg aan het licht komen, kan het zomaar nóg langer duren.
“Een generatie vliegtuigen gaat zeker twintig jaar mee”, zegt Benedictus. “Dus tegen de tijd dat die nieuwe generatie de oude heeft vervangen, is het jaar 2050 allang voorbij.” Als het om klimaatneutrale luchtvaart gaat, spreekt hij dan ook niet van een stip ‘aan’ de horizon, maar van een stip ‘over’ de horizon. “Maar die stip hebben we nodig om alles uit de kast te halen. Het is moeilijk, maar noodzakelijk en we moeten er alles aan doen om er te komen.”
Dan kon weleens blijken dat vliegen op waterstof alleen over beperkte afstanden kan, omdat de benodigde tanks anders te groot en te zwaar worden. Dan moet het hele luchtvaartsysteem anders, met korte vluchten elektrisch en lange op synthetische brandstof. En vooral: minder rechtstreeks vliegen en vaker met een tussenstop, bijvoorbeeld van Europa naar Amerika via IJsland, om waterstof te tanken. “Dat duurt langer – maar dat is geen argument. En het is duurder – ook geen argument. Dat moeten we overhebben voor een klimaatneutrale luchtvaart.”

Bij lange na niet genoeg waterstof

Een vliegtuig op waterstof kan dus wel. Ooit. Maar daarvoor is meer nodig dan vliegtuigtechnologie, er moet ook genoeg waterstof beschikbaar zijn. En het is niet zeker of dat gaat lukken.
Neem Nederland. Daar wordt nu per jaar 0,8 miljoen ton waterstof geproduceerd. Maar dat is voor het overgrote deel ‘grijze’ waterstof, gemaakt met aardgas. Daar komt CO2 bij vrij en dat is dus niet klimaatneutraal. Voor duurzame industrie is ‘groene’ waterstof nodig, gemaakt via elektrolyse. Daarvoor is elektriciteit nodig die opgewekt wordt met bijvoorbeeld zonnepanelen of windmolens. Maar die groene waterstof is er nog maar mondjesmaat.
Er is meer nodig, veel meer. De Europese Commissie wil dat er in 2030 in Europa 10 miljoen ton groene waterstof wordt geproduceerd, en nog eens 10 miljoen ton geïmporteerd. Veel van die Europese waterstof moet met Noordzeewind worden gemaakt. Nederland wil daar in 2030 voor minstens 8 gigawatt aan elektrolysecapaciteit hebben staan, en ook andere landen zijn ermee bezig.
Maar ook dat is bij lange na niet genoeg. Kijk bijvoorbeeld naar de plannen van Tata Steel, dat vanaf 2030 in Nederland staal wil produceren met groene waterstof. Om in Tata's waterstofbehoefte te voorzien, zijn er voor 4 à 5 gigawatt windparken op zee nodig. En Tata Steel is lang niet de enige industrie die op waterstof hoopt.
Daar komt op termijn de luchtvaart dus bij. In Nederland werd in 2019, voor de coronacrisis, 3,8 megaton kerosine geleverd aan de luchtvaart. Om die te vervangen door groene waterstof is 5 à 6 gigawatt windcapaciteit nodig, rekent hoogleraar energietechnologie Ad van Wijk voor. En als de luchtvaart de komende decennia groeit, zoals verwacht wordt, is er tegen de tijd dat die nieuwe generatie vliegtuigen de lucht in gaat, zelfs nog véél meer nodig.
Realistisch? Moeilijk te zeggen, vindt Van Wijk. Niet zozeer omdat het niet kán, wel omdat het afhankelijk is van overheidsbeleid. “Veel van die waterstof zal van buiten Europa moeten komen”, zegt hij. “De overheid moet het initiatief nemen, zoals bij elke energietransitie. Maar tot nu toe is Nederland veel te afwachtend.”

Bron: Trouw, 15 oktober 2022

Over luchtvervuiling