Vloeibare waterstof voor de luchtvaart

Samenwerking AeroDelft en Teesing

AeroDelft heeft één missie: bewijzen dat emissievrije luchtvaart mogelijk is door te pionieren met elektrische vliegtuigen op vloeibare waterstof. Dromen over een toekomst waarin emmisieloos vliegen mogelijk is: dat was in 2017 de droom waarmee AeroDelft begon. Ze formuleerden een heel concreet doel: van Amsterdam naar Londen vliegen zonder uitstoot. De energiedrager kan in dat geval waterstof zijn. Maar om voldoende energiedichtheid te hebben zal de waterstof enorm gecomprimeerd als vloeistof mee aan boord moeten. En dat levert nogal wat uitdagingen. Uitdagingen waar AeroDelft zich over buigt en Teesing bij helpt met ultra lichte assemblages in aluminium.

Foto: drie generaties van hybride-elektrische en waterstof-elektrische vliegtuigen zoals Airbus die gepland heeft.

De belangrijkste tekortkoming van batterijen van de huidige generatie is hun lage energiedichtheid in vergelijking met kerosine. De dichtheid van lithium-ionbatterijen (Li-Ion) die veel worden gebruikt in de automobielsector bedraagt bijvoorbeeld ongeveer 200 wattuur per kilogram (Wh/kg). Ter vergelijking: de energiedichtheid van kerosine is ongeveer 50 keer hoger. Zelfs als Li-Ion nog meer ruimte voor verbetering heeft, heeft de elektrificatie van vliegtuigen iets veel krachtigers nodig.

AeroDelft heeft batterijen wel overwogen en getest, maar het levert een te hoge massa op, dus daar zijn ze van afgestapt. De overtuiging heerst binnen het team dat batterijen de nodige dichtheid ook nooit gaan halen.
De energiedichtheid van waterstof is ook niet vanzelfsprekend voldoende. De bestaande systemen voor voertuigen werken met gasvormige waterstof (GH2) en een tankdruk van 350 bar. Dat is voldoende voor kleine voertuigen zoals stadsauto's, vorkheftrucks en stationaire powergeneratoren. Maar voor zwaarder vrachtverkeer wordt gekeken naar systemen die werken met gasvormige waterstof op 700 bar tankdruk, om daarmee voldoende actieradius te creeren terwijl de waterstof tanks niet teveel ruimte innemen.

Hetzelfde speelt bij een vliegtuig en dan in nog veel sterkere mate - het vliegtuig heeft meer waterstof nodig dan het zou kunnen meenemen.
Verder comprimeren tot vloeistof is dan de enige mogelijkheid. Dat betekent dat we het over een cryogeen systeem hebben met vloeibare waterstof (LH2) bij een lage werkdruk (circa 5 bar). Om de cryogene staat te houden moet de waterstof koel blijven: -250 graden Celcius. Dit is de uitdaging waar niet alleen AeroDelft met 50 teamleden aan werkt: ook grote fabrikanten Airbus werken aan zero emission aviation op basis van waterstof.

De zero emission aviation roadmap

Airbus neemt elektificatie van het vliegen serieus: in 2024 is een ZEROe Development Center voor waterstoftechnologieën geopend in Stade (Noord-Duitsland). Het centrum zal de ontwikkeling van samengestelde waterstofsysteemtechnologieën voor de opslag en distributie van cryogene vloeibare waterstof versnellen. Zij richten zich voornamelijk op cryogene waterstoftanks op basis van composiet technologie, om zo te komen tot kostenconcurrerende lichtgewicht waterstofsystemen.

Dat is wel een oplossing die pas op lange termijn (op zijn vroegst 2035) beschikbaar is. Daarom voorziet Airbus een tussenoplossing in de vorm van hybride-elektrische aandrijving. Alleen geeft hybride aandrijving maar een verbetering van de energie-efficiëntie en vermindering van CO2-uitstoot van slechts 5%, verwacht men.
En toekomstige hybride en volledig elektrische vliegtuigen hebben megawatts vermogen nodig om te kunnen werken. Dit impliceert enorme verbeteringen in vermogenselektronica op het gebied van integratie, prestaties, efficiëntie en de grootte en het gewicht van componenten. De illustratie hieronder toont de energie uitdaging waar we voor staan.

Foto: testopstelling van AeroDelft met een elektrisch aangedreven propellor waarbij de elektromotor wordt gevoed vanuit een waterstof stack. Deze testopstelling werkt (nog) met gasvormige waterstof.

Illustratie: om luchtvaart te elektrificeren is een enorme hoeveelheid energie aan boord nodig. Airbus voorziet een tussenfase waarbij vliegtuigen op hybride elektrische systemen vliegen, voordat volledige waterstof vliegtuigen realiteit zijn. (bron beeld: Airbus)

Foto: een van de ontwikkelingsruimtes van AeroDelft. Met op de voorgrond een deels gemonteerd prototype vliegtuig op waterstof.

Het systeem van AeroDelft

Onze gastvrouw, Lucille Guda, vertelt dat AeroDelft in eerste instantie een systeem heeft gemaakt op basis van gasvormige waterstof. Dat is getest met een losse propellor en werkt. De overeenkomsten met voertuig systemen zoals we die kennen is groot: waterstof wordt onder hoge druk opgeslagen en in 2 stappen naar de werkdruk van de waterstof stack gebracht. De elektronische aansturing en hulpsystemen zoals ontvochtigers en bevochtigers zijn allemaal in huis geïntegreerd.

Parallel daaraan is men bezig met de ontwikkeling van het tanksysteem op basis van vloeibare waterstof. Dat is zinvol omdat het hele systeem bijna gelijk is nadat de vloeibare waterstof is omgezet naar gas door een heat exchanger.

Voor het vloeibare waterstofsysteem heeft AeroDelft gekozen voor een dubbelwandige aluminium tank. De isolatie om de waterstof op -250 graden Celcius te houden is gebaseerd op een vacuum tussen de 2 tankwanden.

Verdamping van vloeibare waterstof

De isolatie van de waterstoftank is slechts een van de vele uitdagingen - een andere grote uitdaging is om de vloeibare waterstof op een gecontroleerde manier te laten verdampen zodat die toegevoerd kan worden aan de brandstofcel.

Er zijn maar weinig meet- en regelcomponenten die tegen cryogene temperaturen kunnen en tegelijk klein en licht zijn. En ook de uitzetting en krimp van componenten als de temperatuur van de waterstof verhoogd wordt van -250 graden naar omgevingstemperatuur speelt een rol.

Het opwarmen gebeurt daarom in 2 stappen: de vloeistof wordt gasvormig met heating tapes. Daarna komt een buisvormige heat exchanger die zorgt voor het opwarmen van -250 graden naar omgevingstemperatuur, wat de drukregelaar erna aankan. De uitgang van deze flowmeter/regelaar wordt gebruikt door de stuurelektronica om de systeemdruk op 3 bar te houden.

Foto: de warmtewisselaar en elektronische regeleenheid die van vloeibare waterstof weer gasvormig waterstof maken voor de fuel cell.

Foto: het cryogene vloeibare waterstof systeem in testopstelling.

Power management van de waterstof stack

Voor een goede vlucht is het nodig om het vermogen van de elektromotor die de propellor aandrijft instantaan te kunnen regelen. Maar het regelen van het vermogen van een fuel cell is moeilijk en te langzaam. Dat is de reden dat een vliegtuig op waterstof altijd een batterij nodig zal hebben als buffer, denkt AeroDelft. Het doel is om de fuel cell te gaan regelen op verbruik.

De batterijen zijn ook nodig om het piekvermogen te leveren bij take-off en voor noodgevallen. De batterijen worden uit de fuel cell opgeladen tijdens de vlucht. Er is een aparte werkgroep die zich daarmee bezig houdt: de Flight Profile workgroup. Bij takeoff is het maximum vermogen nodig, op kruissnelheid en -hoogte is verbruik circa 2/3 van het maximum vermogen, wat gelegenheid geeft om de batterijen op te laden.

En waterstofdragers als ammoniak en LOHC'S?

In diverse toepassingen bij onze klanten zien we waterstof gebonden aan andere moleculen om daarmee het nadeel van hoge drukken en lage energiedichtheid van waterstofgas of lage temperaturen van vloeibare waterstof het hoofd te bieden (de zogeheten LOHC technologie). Bijvoorbeeld ammoniak waarin waterstof in gebonden vorm zit. Daardoor kan waterstof getransporteerd kan worden onder lage druk. Voor vloeibare, groene, ammoniak is de benodigde druk atmosferisch bij afkoeling tot -33,4 graden of de druk is circa 7 tot 10 bar bij kamertemperatuur. Bovendien is de energiedichtheid van ammoniak aanzienlijk hoger dan die van waterstof. Het kan dus in veel dunnere, kleinere en lichtere tanks worden opgeslagen die aanzienlijk goedkoper zijn. Er zijn ook veiligheidsrisico's die voor de luchtvaart mogelijk onoverbrugbaar zijn, want amoniak is erg giftig. Daarbij staat de technologie nog in de kinderschoenen, dus die route wordt niet onderzocht door zowel AeroDelft als door Airbus. Een andere optie is het binden van waterstof aan olie-achtige stoffen zoals Benzyl Tolueen zoals Vopak doet. Men noemt die stoffen LOHC's. Er moet nog veel onderzoek gedaan worden om die technologie commercieel aantrekkelijk te maken, ondanks de compatibiliteit met de huidige olie-gebaseerde infrastructuur. Het grootste probleem lijkt de noodzaak van het toevoegen van een grote hoeveelheid warmte om de scheiding van waterstof tot stand te brengen.

Wij maken gebruik van cookies om uw bezoek te volgen en uw voorkeuren te onthouden. Ook kunnen er commerciële cookies geplaatst worden, accepteer deze voor de beste user experience. Bekijk ook ons Privacybeleid.