Op de Dag van de Aarde staan we stil bij onze blauwe bol en hoe we die kunnen beschermen. Een van de meest vervuilende industrieën is de luchtvaart, die daarom graag emissieloos wil worden en naar vliegen op waterstof streeft. Maar het is de vraag of dat technisch gezien wel kan. Het ontwerp van vliegtuigen zoals we die nu kennen, moet dan namelijk flink op de schop.

Gedurfd. Ambitieus. Onrealistisch. Dat soort reacties kreeg vliegtuigbouwer Airbus toen die in september 2020 het ZEROe-project presenteerde: het plan om in 2035 een verkeersvliegtuig beschikbaar te hebben dat op waterstof loopt. Dat is pas over dertien jaar, maar ook ál over dertien jaar. In de luchtvaartindustrie, waar zaken meestal stapsgewijs gaan, is dat best snel.

Vandaar de scepsis bij concurrent Boeing. “Vóór 2050 is waterstof niet realistisch. We zullen het tot die tijd voornamelijk met duurzame vliegtuigbrandstoffen moeten doen”, zei topman David Calhoun in juni vorig jaar. Zijn Airbuscollega Guillaume Faury heeft een andere mening over die sustainable aviation fuels (SAFs): “Ze zijn de komende jaren zeker nodig om de uitstoot drastisch te verminderen. Misschien wordt het iets later dan 2035, maar ons eerste waterstofvliegtuig komt er! Essentieel is dat alle betrokkenen bij de luchtvaartsector doorpakken.” Want er zijn nogal wat hordes te nemen voordat de eerste waterstof-Airbus met passagiers vertrekt.

Radicale stappen

Wil de luchtvaart de doelen uit de klimaatakkoorden van Parijs (2015) en Glasgow (2021) halen, dan ontkomt de sector niet aan rigoureuze stappen. Die is nu verantwoordelijk voor 2 tot 3 procent van de CO2-uitstoot. Voor de coronacrisis werd verwacht dat die in 2050 zou verdubbelen bij een groei van de luchtvaart van 4 à 5 procent per jaar, en zonder maatregelen. De IATA (het Internationale samenwerkingsverband van luchtvaartmaatschappijen) zei in mei 2021 dat dit tot 2040 eerder 1,5 à 3,6 procent per jaar wordt.

In de Green Deal van de Europese Commissie moet Europa in 2050 het eerste klimaatneutrale continent zijn. Maar met een pakket maatregelen uit het aanvullende Fit for 55-plan, zoals emissierechten, duurzame brandstoffen entechnologische vernieuwing, vermindert de luchtvaart in 2050 de uitstoot met maximaal 60 procent. Er blijven dus extra stappen te zetten. De IATA en de vliegtuigfabrikanten hebben in oktober vorig jaar besloten om de luchtvaart vóór 2050 klimaatneutraal te maken. Clean Sky, een onderzoeksprogramma van de Europese luchtvaartindustrie, instituten als het NLR (Nederlands Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium), zijn Duitse en Franse evenknieën en de Europese Commissie, heeft in 2020 in een rapport de marsroute uitgezet. Wil de luchtvaart de uitstoot terugdringen, dan zijn radicaal nieuwe brandstoffen en motortechnologieën nodig. De kortste klap is meer en zelfs volledig vliegen op SAFs, maar dan moet de productie daarvan drastisch omhoog.

Nu bestaat slechts 0,1 procent van alle gebruikte brandstof uit SAFs, zegt de IATA. Ze mogen voor maximaal 50 procent worden bijgemengd met kerosine; meer staat de regelgeving niet toe. Wel wordt er al op uitgebreide schaal getest met 100 procent SAF, die volgens metingen de uitstoot van CO2 en NOx (stikstofoxiden) met 80 procent verminderen. United Airlines vloog begin december voor het eerst met passagiers op pure SAF. SAFs uit restafval, frituurvet of groenafval zijn de opmaat naar synthetische brandstoffen, oftewel synfuels en e-fuels.

Hierbij wordt uit opgevangen CO2 en groene waterstof een schone brandstof gemaakt. Dat kost bergen stroom en is alleen groen als die stroom met wind- of zonne-energie volledig duurzaam is opgewekt. Tot 2050 zijn SAFs volgens Clean Sky en diverse experts dé brandstoffen voor CO2-neutrale langeafstandsvluchten. Voor vluchten tot 1000 kilometer (volgens Clean Sky voor twee derde verantwoordelijk voor de CO2-uitstoot van de luchtvaart) is elektrisch vliegen de optie – hetzij met batterijen, hetzij met brandstofcellen die met waterstof elektriciteit produceren.

Dat zijn beide zware oplossingen en daarom niet geschikt voor grotere toestellen en langere vluchten. Want waar de verbranding van kerosine of SAFs een vliegtuig lichter maakt, blijven batterijen en brandstofcellen even zwaar. “De ontwikkeling van batterijen gaat niet snel genoeg om in 2035 een emissieloos vliegtuig te hebben”, zegt Glenn Llewellyn, vicepresident van het Zero Emission (ZEROe) Aircraftprogramma van Airbus.

Vliegende vleugels

Uiteindelijk is volgens Clean Sky, dat eind vorig jaar verder ging als het nieuwe Clean Aviation-project, waterstof de oplossing. Daar denken ze bij Airbus net zo over. ZEROe studeert tot 2023 op vier vliegtuigconcepten, waaruit na verder onderzoek rond 2025 een favoriet wordt gekozen. Na de projectstart, rond 2027, kan een daarvan in 2035 in dienst komen.

Het eerste concept is een hoogdekker (een propellervliegtuig met de vleugel bovenop de romp) voor honderd passagiers en een bereik van zo’n 1850 kilometer. Concept twee is een laagdekker met turbofanmotoren voor tweehonderd passagiers en een bereik van ongeveer 3700 kilometer. Het meest revolutionair zijn twee versies van een ‘vliegende vleugel’, ook voor tweehonderd passagiers maar met een groter bereik, doordat er in de V-vorm van het toestel meer ruimte is voor brandstoftanks. Want dat is een van de obstakels: de brandstofopslag. Waterstof heeft een drie keer hogere energiewaarde dan kerosine en is lichter, maar neemt in gasvorm tot vier keer meer ruimte in.

Met enorme tanks zou een vliegtuig veel te groot worden. Praktischer is vloeibare waterstof (LH2). Die heeft zich in de ruimtevaart bewezen, maar is alleen vloeibaar bij -253 graden Celsius. De vleugels zijn te klein en ongeschikt voor de opslag, dus moet de waterstoftank in de romp worden ondergebracht. Dat maakt een toestel langer en zwaarder. Het is geen toeval dat de ZEROe-laagdekker op de bestaande A350 lijkt, maar vanwege de tank achterin niet meer passagiers kan vervoeren dan de kleinere A320neo.

Compacte en lichte tanks zijn daarom topprioriteit. Het Duitse MTU Aero Engines, dat vliegtuigmotoren bouwt, doet hier onderzoek naar en ziet twee opties. “De eerste is een gecombineerde tank voor vloeibare en gasvormige waterstof onder een druk van circa 10 bar. Hierin is de gasvormige waterstof op de geschikte druk te houden voor gebruik in brandstofcellen, zonder dat aanvullende druksystemen nodig zijn. Voor kleinere brandstofsystemen heeft dit de voorkeur”, zegt MTU’s directeur communicatie Markus Woelfle. “De tweede is een actieve/passieve tank, geschikt voor grotere systemen. Die bestaat uit een LH2-opslagtank op lage druk, namelijk 3 bar, die de ijskoude waterstof in een kleinere hogedruktank pompt voor directe verbranding. Tegenover het voordeel van een lichtere opslagtank staat de grotere complexiteit van het hogedruksysteem. Het is een afweging tussen gewicht, complexiteit en betrouwbaarheid, gekoppeld aan de vereisten aan het vliegtuig.”

Airbus onderzoekt of en welke koelsystemen er nodig zijn om de waterstof op -253 graden te houden, maar Woelfle verwacht dat die niet nodig zijn. “De waterstof is geïsoleerd opgeslagen (als in een thermosfles, red.) en blijft lang vloeibaar. In theorie moet je na enige tijd wel een deel laten verdampen om een te hoge druk in de tank te voorkomen, maar dat zal tijdens normale vluchten zelden gebeuren doordat de waterstof wordt opgebruikt.”

Het gehele tank- en leidingensysteem moet wel solide zijn, want de ijskoude LH2 heeft door zijn lage dichtheid de Eigenschap om rond koppelstukken te lekken en metalen leidingen aan te tasten. Dit zal een extra aandachtspunt zijn bij de certificering van waterstofvliegtuigen.

Twijfels bij Airbus

Nog een dilemma: waterstof gebruiken in brandstofcellen of direct inspuiten in de motoren? Het Amerikaans-Britse bedrijf ZeroAvia werkt sinds 2017 aan de eerste optie, waarbij waterstof en zuurstof door middel van elektrolyse in brandstofcellen worden omgezet in elektriciteit, waarmee via batterijen elektromotoren worden aangedreven. ZeroAvia begon in september 2019 te vliegen met een omgebouwde Piper Malibu met zes zitplaatsen, maar het toestel raakte in april 2021 bij een landing onherstelbaar beschadigd. Het bedrijf werkt inmiddels aan een groter prototype met twee motoren van elk 600 kilowatt in een Dornier 228. Over vier tot vijf jaar moet een 2 megawatt-versie beschikbaar zijn. ZeroAvia heeft overeenkomsten gesloten met De Havilland Canada, Alaska Airlines en United Airlines om bestaande vliegtuigen uit te rusten met elektromotoren met waterstof- en brandstofceltechnologie.

Het rechtstreeks inspuiten van waterstof in de motor vergt diverse aanpassingen. Zo is waterstof door de hogere ontvlambaarheid instabieler dan kerosine en bestaat het risico op flashback, waarbij brandende waterstof terugslaat naar de tank, met de kans op explosies. Heel ongewenst uiteraard, dus reden voor nader onderzoek, zegt de TU Delft, dat zelf werkt aan de vierzitter Aero-Delft Phoenix. Optie drie is directe injectie plus een elektromotor op basis van brandstofcellen voor extra stuwkracht.

Airbus is er nog niet uit. Toenmalig chief technical officer Grazia Vittadini zei in november 2020 in een interview te twijfelen over de juiste oplossing: “Als je de waterstof al aan boord hebt, waarom zou je dan batterijen overwegen? Dat moeten we onderzoeken.” Het DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) doet dat al. “Bij vliegtuigen voor de korte en middellange afstand, oftewel 1850 tot 3000 kilometer, lijkt directe verbranding van LH2 in de turbines de beste optie”, zegt DLR-directeur Björn Nagel. “Het lagere gewicht compenseert duidelijk de iets lagere energie-efficiëntie van de turbinemotoren vergeleken met brandstofcellen. Wel komt bij de verbranding nog steeds NOx vrij.”

Hoewel het eveneens Duitse onderzoeksinstituut Bauhaus Luftfahrt in 2019 een waterstofvliegtuig met 400 inzittenden voor de lange afstanden bedacht en het Britse FlyZero in december 2021 een concept presenteerde voor zo’n toestel met 279 stoelen, zijn in deze categorie massa en gewicht doorslaggevend, aldus Nagel. “Voor dit segment lijkt de beste optie synthetische kerosine, gemaakt met groene waterstof en CO2. De uitstoot is gelijk aan die van kerosine op oliebasis, maar kan klimaatneutraal zijn als de synthetische kerosine wordt geproduceerd met behulp van opgevangen CO2. Het voordeel is dat er geen grote waterstoftank nodig is. Voor toestellen voor de korte en middellange afstand is synthetische kerosine ook een mogelijkheid, maar vanwege de betere energie-efficiëntie is waterstof hier geschikter.”

Clean Sky verwacht in zijn studie dat waterstofvliegtuigen met 325 passagiers en een vliegbereik van 10.000 kilometer haalbaar zijn, maar Airbus gaat bij het ZEROe-project vooralsnog uit van 3700 kilometer. MTU Aero Engines legt de grens voor een efficiënt vliegbereik bij 6500 kilometer. Woelfle: “Het grotere volume van LH2 vereist een grotere tank. Of je kiest ervoor om minder passagiers of lading mee te nemen, of je gaat voor een grotere tank in een brede, dubbele romp, met als nadeel een grotere luchtweerstand.

Afhankelijk van lading, snelheid en het vereiste motorvermogen is er een omslagpunt waarop het vliegen over lange afstanden met waterstof minder aantrekkelijk is dan het gebruik van SAFs.” Pas bij een radicaal ontwerp als de vliegende vleugel lijken de beperkingen vanwege de grotere tankcapaciteit te overwinnen.

IJskoude uitdaging

Er is nog meer uit te zoeken. De productie van waterstof is niet eenvoudig en ook de infrastructuur op luchthavens moet anders. “Voor drop-in-fuels (bio- en synthetische brandstof die met kerosine worden bijgemengd, red.) kan het huidige brandstofsysteem op de luchthaven worden gebruikt”, zegt een woordvoerder van Schiphol. “Voor waterstof moet er een apart systeem komen. Dat brengen we nu in kaart. Een optie is dat er in eerste instantie met tankwagens wordt gewerkt.”

Nagel verwacht op luchthavens geen grote problemen. “Waterstof kan in gasvorm worden aangevoerd en dan op de luchthaven vloeibaar worden gemaakt. Of je kunt ter plekke waterstof produceren. Wel vraagt het vervoer naar het vliegtuig meer tankautocapaciteit doordat LH2 meer volume heeft. Een echte impact op de grondhandelingen verwacht ik niet.”

Hoe de ijskoude waterstof zich gedraagt als hij eenmaal in het vliegtuig zit, is nog niet precies bekend. Aanleiding voor het DLR, Lufthansa Technik, het ZAL (Zentrum für Angewandte Luftfahrtforschung), Hamburg Airport en de gemeente Hamburg om een tweejarig praktijkonderzoek te beginnen. Een Airbus A321 van Lufthansa met waterstofsystemen dient als testobject. “Het omgaan met vloeistoffen bij -253 graden vormt een grote uitdaging. Aan de ene kant moet de temperatuur zo constant mogelijk blijven om verdamping te voorkomen”, legt Nagel uit. “Aan de andere kant moet de structuur van het vliegtuig zo goed mogelijk worden beschermd tegen de lage temperatuur en temperatuurschommelingen. Kleine waterstofmoleculen kunnen door materialen heen vervliegen. Dat zorgt voor grote thermische belasting.”

De DLR-directeur doelt op onderzoek waaruit blijkt dat de broosheid van metalen en andere legeringen onder invloed van de ijskoude moleculen toeneemt, met een grotere kans op scheurvorming. Dat vergroot weer de kans op lekkages. “Daarom is een goede integratie van de cryogene H2-systemen en het vliegtuig zelf plus de wisselwerking met andere systemen van groot belang.” Doordat deze effecten zich moeilijk door middel van de computer laten uitrekenen, zijn metingen in de A321 zelf nodig. De resultaten worden verwerkt in digitale modellen en een database. Ze moeten inzicht bieden in de gevolgen voor onderhoud en reparatie. “LH2-systemen kunnen een grote impact hebben op de operationele kosten van een vliegtuig. Die moeten daarom bij het ontwerpen van een nieuw toestel worden meegewogen”, zegt Nagel.

Er lopen ook onderzoeken naar de klimaatimpact van waterstof op de atmosfeer. Bij directe verbranding in de motor vormt LH2 grotere en zwaardere ijskristallen, al blijkt uit onderzoek dat die snel uiteenvallen en daardoor een verwaarloosbare invloed hebben op het broeikaseffect. De effecten van de vrijkomende waterstof uit brandstofcellen zijn minder duidelijk. De waterdamp zou bij een bepaalde temperatuur gecontroleerd kunnen worden uitgestoten om de vorming van te grote condensstrepen te voorkomen.

Te hard van stapel?

Bijna anderhalf jaar na de presentatie werkt Airbus in hoog tempo aan ZEROe en studeert het bedrijf op alle mogelijke struikelblokken. “Het is onze topprioriteit. We zijn in verschillende fasen van research and development, zoeken samenwerkingsverbanden en leren over waterstof”, zegt Guillaume Faury. Hij blijft erbij dat vijf jaar onderzoek volstaat, zodat rond 2027 de daadwerkelijke ontwikkeling kan beginnen en rond 2035 de waterstof-Airbus klaar is voor commercieel gebruik. Lufthansa geeft aan vrijwel zeker de eerste klant te worden.

Volgens Boeing is er meer tijd nodig om de technologie te ontwikkelen en voldoende waterstof te produceren

ZeroAvia bereidt fase twee voor met de Dornier 228, een type waarmee ook het DLR in 2026 tests wil uitvoeren. De start-ups Deutsche Aircraft en H2FLY hebben plannen om in 2025 een brandstofcelsysteem met een vermogen van 1,5 megawatt te testen in een Dornier D328eco. Het Amerikaanse Universal Hydrogen ontwikkelt een modulair waterstofsysteem dat in bestaande turboproptoestellen kan worden ingebouwd, waarbij de waterstof in verwisselbare capsules achterin de romp van het vliegtuig zit. Inmiddels heeft het bedrijf enkele klanten. In Rusland, waar al in 1988 een Toepolev op waterstof vloog, studeert United Engine Corporation op waterstofmotoren.

Kortom, waterstof is hot en onderwerp van elk debat over duurzaamheid. Vooral in Europa overheerst de overtuiging dat waterstof uiteindelijk dé oplossing is voor het klimaatprobleem van de luchtvaart en komen initiatieven van de grond om de technologie en productie te versnellen. In de Verenigde Staten zijn ZeroAvia en Universal Hydrogen de trekkers van waterstof.

Boeing (en trouwens ook het Braziliaanse Embraer) gelooft er echter niet zo in – op de korte termijn althans. Er is, zo stelt de Amerikaanse vliegtuigbouwer, simpelweg meer tijd nodig om de technologie te ontwikkelen en voldoende waterstof beschikbaar te hebben. In juli 2021 zei Mike Sinnett, bij Boeing vicepresident productontwikkeling, tegen het persbureau Reuters: “We wijzen waterstof niet af en doen beslist ons huiswerk. We hebben al veel onderzoek naar waterstof verricht, maar we willen niet de verwachting wekken dat dit de oplossing is zolang we daar niet van overtuigd zijn.”

Dit artikel staat ook in KIJK 3/2022.

Meer informatie:

• Airbus: Airbus reveals new zero-emission concept aircraft
• Fuel Cells and Hydrogen: Hydrogen-powered aviation. Preparing for take-off
• Trouw: Komt vliegen op waterstof dan toch heel snel van de grond
• TU Delft: Vliegen we in de toekomst op waterstof?
• KIJK: ZeroAvia zet in op waterstof

Tekst: Richard Schuurman

Beeld: Airbus