Is waterstof de oplossing voor duurzame luchtvaart?
De luchtvaart moet duurzamer, zo roepen vliegtuigfabrikanten en luchtvaartmaatschappijen in koor. Maar is klimaatvriendelijk vliegen eigenlijk wel mogelijk?
Airbus werkt aan een groen imago door te streven naar emissieloze waterstofvliegtuigen. Maar is dit werkelijk de toekomst van de luchtvaart? In dit artikel onderzoeken we deze vraag en bespreken we drie belangrijke punten die je moet weten over waterstofvliegtuigen:
✈ Nadelen van waterstof
✈ Problemen met waterstofvliegtuigen
✈ Andere opties voor duurzame luchtvaart
Lees ook: Lithium, waterstof, stikstof: hoe kunnen we groene stroom opslaan?
Die Europese lucht- en ruimtevaartgigant Airbus heeft zijn publiciteit prima op orde. In september 2020 publiceerde het bedrijf een computerfilmpje waarin drie vliegtuigen werden getoond die waterstof moeten gaan verstoken in plaats van fossiele kerosine. Zoals bekend is waterstof de wonderbrandstof die ons naar een emissieloze toekomst zal leiden. Afgelopen december nog zegde de Nederlandse overheid 783,5 miljoen euro toe aan zeven bedrijven die technieken ontwikkelen voor de winning van waterstof uit zeewater.
Door waterstofvliegtuigen aan de wereld te tonen, poogt Airbus – fabrikant van klimaatverwoestende jumbojets – zich een groen imago te verschaffen. Dat lijkt goed te lukken, want veel media nemen de vrome voornemens en gelikte plaatjes kritiekloos over. Airbus wakkert het vuurtje van tijd tot tijd nog even aan door nieuwe ontwikkelingen in ZEROe, zoals het waterstofproject heet, met veel tamtam in het nieuws te brengen. Zo onthulde het bedrijf in december een nieuw soort waterstofmotor – althans, een computeranimatie van zo’n motor. Het doel is, zo meldt de vliegtuigbouwer steeds opnieuw, in 2035 de eerste waterstofvliegtuigen af te leveren. Maar hoe realistisch is dat? En is waterstof überhaupt een goede optie voor klimaatneutrale vliegtuigen?
Methaan
Een vervoerssector waarin waterstof veel gebruikt wordt, is de ruimtevaart. Daar is een goede reden voor: waterstof bevat per gewichtseenheid ongeveer 2,5 keer meer energie dan kerosine. Maar het is een teken aan de wand dat ruimtevaartbedrijven zich de laatste jaren van waterstof afkeren. United Launch Alliance (ULA), hofleverancier van raketten aan de Amerikaanse Space Force, heeft de productie beëindigd van de waterstofraket Delta IV. ULA’s nieuwe raket, de Vulcan, vliegt op methaan. Ook de nieuwste modellen van SpaceX en Blue Origin gebruiken methaan als brandstof. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA ontwikkelt ondertussen Prometheus, een methaanmotor die tien keer goedkoper moet worden dan de waterstofmotor Vulcain die de Ariane-raketten aandrijft.
©Sergey Nivens - stock.adobe.com
De toekomst van raketbrandstof: methaan wint terrein in de ruimtevaart
Nadelen waterstof
Ook methaan bevat zo’n 2,5 keer minder energie per kilo dan waterstof. Omdat gewicht alles is in de ruimtevaart, moeten de genoemde rakettenbouwers dus verdomd goede redenen hebben om af te stappen van waterstof. En inderdaad, die hebben ze. Waterstof heeft namelijk twee enorme nadelen. Ten eerste neemt het spul enorm veel ruimte in: één kilo vloeibare waterstof vult een emmer van vijftien liter, oftewel je hebt gigantische tanks nodig. Ten tweede moet vloeibare waterstof voortdurend worden gekoeld tot minder dan -253°C. Doe je dat niet, dan gaat het koken en raak je het in rap tempo kwijt. Om die reden wordt een waterstofraket pas minuten voor de lancering volgetankt, om binnen hooguit tien minuten alle brandstof te verstoken. In een vliegtuig daarentegen wordt de brandstof geacht zich tot wel achttien uur koest te houden. Natuurlijk kan waterstof ook bij kamertemperatuur worden bewaard als een samengeperst gas. Maar dat vereist enorm zware tanks die, in relatie tot hun gewicht, maar heel weinig waterstof kunnen opslaan. Voor lucht- en ruimtevaart is dit gewoon geen optie.
Kerosine is voor vliegtuigen de ideale brandstof. Bij de ijzige temperaturen op kruishoogte bevriest het niet, en op vliegvelden in de tropen raakt het niet aan de kook. Om die reden kan kerosine gewoon in de vleugels worden opgeslagen. Bij waterstof is dat onmogelijk: al op de grond zou vocht in de atmosfeer de vleugels bedekken met een laag ijs – en dan werken vleugels niet meer. De waterstof moet daarom worden opgeslagen in een grote tank in de romp van het toestel.
Op de ZEROe-plaatjes ontbreken achterin de romp van de conceptvliegtuigen de raampjes: daar komt de tank. Die positie achter in het toestel is echter problematisch. Het gewicht van een verkeersvliegtuig bestaat voor een belangrijk deel uit de brandstof. Een Boeing 787-9 van 130 ton kan ruim 100 ton aan brandstof meenemen. Tijdens de vlucht wordt zo’n toestel dus steeds lichter. Op zich heel gunstig, maar het levert een probleem op als de brandstoftanks zich niet rondom het massamiddelpunt van het vliegtuig bevinden, zoals bij de ZEROe-concepttoestellen. Naarmate de waterstoftank leger raakt, zal de neus van zo’n toestel steeds meer neigen te zakken. Dit kan worden gecorrigeerd met de trim, maar dat komt de vliegeigenschappen niet ten goede. Verder zal ieder waterstofvliegtuig een forse koelinstallatie moeten torsen, die natuurlijk een hap neemt uit de stroomvoorziening aan boord.
©Markus Gann
Voor lucht- en ruimtevaart is samengeperst gas geen optie vanwege de zware tanks en het lage opslagvermogen.
Onhandelbaar
Om uit te vinden of deze problemen overkomelijk zijn, bouwden ingenieurs van de voormalige Sovjet-Unie in 1988 een bestaande Tupolev TU-154 om tot het waterstofvliegtuig TU-155 (zie foto). Na circa honderd testvluchten luidde de conclusie: waterstof is onhandelbaar, vloeibaar methaan is beter, maar kerosine blijft koning.
Bij Airbus zullen ze dit onderzoek ook wel kennen. Want ze zéggen dan wel dat ze rond 2035 op waterstof willen overstappen, maar hun orderboek spreekt andere taal. Tijdens de jaarwisseling stonden er niet minder dan 7304 nog te leveren toestellen in opgetekend. Nieuwe klanten moeten jaren wachten op hun jet, die vervolgens tot wel dertig jaar meegaat. Oftewel: de vliegtuigen in dit orderboek zullen tot voorbij 2050 het luchtruim domineren. Bij concurrent Boeing liggen de zaken niet anders. Daar komt bij dat het volgende toestel dat Airbus (hoogstwaarschijnlijk) op de markt gaat brengen, de A220-500, gewoon een kerosinevliegtuig is.
Andere opties?
Op zich is dat helemaal niet erg. Want het is niet de brandstof die bepaalt hoe klimaatvriendelijk een vliegtuig is, maar de herkomst ervan. Kerosine wordt gemaakt van aardolie, maar je kunt het ook brouwen uit, jawel, groene waterstof afkomstig van zon en wind, waar uit de lucht gewonnen CO2 aan gebonden wordt. Netto leidt dat niet tot meer CO2-uitstoot, en zo ontzie je het klimaat evengoed. Het ligt voor de hand dat de verduurzaming van de luchtvaart op de lange duur langs deze weg zal plaatsvinden.
Dan nog iets over die andere hype: elektrische vliegtuigen. Daarmee zul je nooit de oceaan oversteken of zelfs maar naar Kos vliegen. Batterijen zijn namelijk totaal ongeschikt voor de luchtvaart omdat ze heel zwaar zijn en in verhouding weinig energie bevatten. Bovendien wegen ze, anders dan een brandstoftank, leeg evenveel als vol. Elektrische vliegtuigen zullen materialiseren als vliegende VIP-busjes met pakweg tien stoelen voor afstanden van hooguit een paar honderd kilometer. In kringen van Transavia en Ryanair zullen ze voorlopig geen enkele rol spelen.
