Vliegen op waterstof: de uitdagingen en oplossingen
Met nul CO2-uitstoot biedt vliegen op waterstof een veelbelovende route om de luchtvaart te helpen verduurzamen. Maar er zijn nog flinke technische, economische en praktische problemen te overwinnen. Is vliegen op waterstof werkelijk een haalbare oplossing? Kunnen we het ons veroorloven deze innovatie níet na te streven? Het kan immers niet alleen de luchtvaart veranderen, maar ook de verduurzaming van de energie- en transportsector versnellen. Arvind Gangoli Rao, Professor Sustainable Aircraft Propulsion, en Peter Lucas, innovatiemanager waterstof, delen hun visie.
16 december 2024
Met een miljoen vluchten per week en vijf miljard passagiers per jaar draagt de luchtvaart zo’n 4% bij aan de opwarming van de aarde. De verwachting is bovendien dat de sector zal blijven groeien, wat het nóg belangrijker maakt om de CO2-uitstoot te verminderen. Verbeterde aerodynamica, zuinigere motoren, lichtere constructies en geoptimaliseerde vliegroutes en bedrijfsprocessen dragen daaraan bij. Maar willen we de klimaatimpact van de luchtvaart echt minimaliseren, dan zullen we daarbovenop kerosine door duurzame energiedragers en brandstoffen moeten vervangen.
“Waterstof, en met name vloeibare waterstof, is een veelbelovend alternatief,” zegt Rao. “Deze brandstof is met name geschikt voor korte en middellangeafstandsvluchten. Dit zijn veruit de meeste vluchten en gezamenlijk veroorzaken ze 45% van de CO2-uitstoot van de luchtvaartsector.”
Er moeten nog heel wat technische, economische en praktische uitdagingen overwonnen worden voordat we kunnen vliegen op waterstof. Een daarvan is de beschikbaarheid van voldoende groene of koolstofarme waterstof. Van de honderd miljoen ton waterstof die de industrie jaarlijks gebruikt, wordt op dit moment slechts 1% op duurzame wijze geproduceerd. Bovendien willen andere sectoren, zoals de scheepvaart, groen staal en de petrochemie, ook verduurzamen met gebruik van deze schaarse hulpbron.
“Eerdere pogingen tot de transitie naar een (groene) waterstofeconomie zijn mislukt, maar ik denk dat het deze keer onvermijdelijk is,” zegt Lucas. “Waterstof is een geschikte energiedrager voor de opslag en het transport van wind- en zonne-energie. De lage kosten van hernieuwbare energie, geopolitieke factoren en de maatschappelijke druk voor een duurzame economie zwengelen de productie ervan aan. Dat zou de luchtvaartsector zelf nooit voor elkaar hebben gekregen.”
"Met (voorlopig) een tekort aan groene waterstof wachten ons moeilijke keuzes wat betreft waarvoor we het gaan inzetten."
Peter Lucas
Grote stappen met kleine hoeveelheden
We hoeven niet te wachten totdat de productie van groene waterstof alle sectoren volledig kan voorzien. Het vermengen van waterstof met kerosine kan de uitstoot van bijvoorbeeld stikstofoxiden en roet flink terugbrengen, die een sterk klimaatopwarmend effect hebben. Het verlaagt ook de CO2-uitstoot enigszins. Groot voordeel hiervan is dat het geen compleet herontwerp van motoren en vliegtuigen vereist.
Daarnaast is Rao’s onderzoeksgroep al ver met het ontwikkelen van een brandstof-flexibele gasturbine. “Hiermee kan een vliegtuig een deel van de reis op vloeibare waterstof afleggen en vervolgens overstappen op een andere duurzame vliegtuigbrandstof, of kerosine als het niet anders gaat,” zegt hij. “De luchtvaart opereert mondiaal, en waterstof zal niet meteen overal afdoende beschikbaar zijn. We moeten die brandstof-flexibiliteit inbouwen.”
"Een almaar groeiende luchtvaart maat het belangrijker dan ooit tevoren om dit duurzaam te doen."
Arvind Gangoli Rao
Technologische uitdagingen
Het vermengen van brandstoffen is een tijdelijke oplossing. Daarnaast zijn ook goede vooruitzichten voor het vliegen op alleen waterstof. Zo heeft bijvoorbeeld Airbus zich met het Zero-E programma als doel gesteld om in 2035 een eerste volledig door waterstof aangedreven vlucht uit te voeren. Nederland investeert 383 miljoen euro in het Luchtvaart in Transitie programma uit het Nationaal Groeifonds waarin waterstof een belangrijke rol speelt. En de Europese Green Deal ziet waterstof als een belangrijke technologie voor een klimaatneutrale economie, en investeert daar ook flink in.
Ondertussen werken onderzoekers wereldwijd aan oplossingen voor de belangrijkste technologische vraagstukken rondom waterstofaangedreven vliegtuigen. Hoe sla je (vloeibare) waterstof veilig op in een vliegtuig en breng je het efficiënt naar de motoren? Hoe kun je het efficiënt verbranden voor maximale voortstuwing en minimale uitstoot? En hoe moeten vliegvelden zich voorbereiden op vliegen op waterstof? “Wetenschappers aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek onderzoeken vele aspecten van waterstofaangedreven luchtvaart, van grondoperaties tot nieuwe vliegtuigontwerpen,” zegt Rao. “Dit geeft ons een unieke positie om praktische oplossingen te ontwikkelen.”
Door de strenge veiligheidsregels en de beperkingen in ruimte en gewicht bij het ontwerpen van vliegtuigen zijn veel van de technologische uitdagingen uniek voor de luchtvaart. Maar de energietransitie en vliegen op waterstof versterken elkaar wel degelijk. “Naast afdoende productie, moeten beiden ook de logistiek voor het transport en de opslag van waterstof op orde hebben,” zegt Lucas. “Sommige regionale luchthavens, zoals Rotterdam-The Hague, werken al aan de benodigde waterstofinfrastructuur. Met een (mogelijk) overschot aan zonne-energie kunnen luchthavens als waterstofhubs voor diverse waterstoftoepassingen dienen, wat de energietransitie versnelt.”
Er is meer synergie. “Onze brandstof-flexibele gasturbine kan binnen de industrie als warmte- en stroombron ingezet worden,” zegt Rao. Bovendien is de luchtvaart niet de enige sector die het vermengen van brandstof onderzoekt. “(Groene) ammonia kan bijvoorbeeld in gas- en kolencentrales mee verbrand worden en zo de CO2-uitstoot verminderen,” zegt Lucas. “De daarvoor benodigde technische aanpassingen en veiligheidsmaatregelen kunnen overlappen met die voor de luchtvaart.”
Economische factoren
Wetenschappelijke innovatie verkleint onzekerheden, verhoogt de efficiëntie en verlaagt kosten – en reduceert zo de risico’s van de transitie naar vliegen op waterstof. Het kan zelfs de uitvoerbaarheid van grondoperaties demonstreren met behulp van kleinschalige praktijktests. Maar daarmee zijn nog niet alle financiële obstakels verholpen. “Luchtvaartmaatschappijen investeren pas in waterstofaangedreven vliegtuigen als er genoeg luchthavens met voorzieningen voor bijtanken zijn," zegt Rao. "Omgekeerd zullen luchthavens die pas aanbieden als er genoeg klanten zijn. Het is een klassiek kip-en-ei-dilemma.”
Volgens Lucas is er een cruciale rol weggelegd voor overheden. “Ze moeten de overstap naar duurzaam vliegen met gericht beleid en maatregelen ondersteunen,” zeg hij. “Denk bijvoorbeeld aan financiële prikkels en belastingvoordelen voor duurzame luchtvaart, of het invoeren van verplichte streefcijfers voor het gebruik van duurzame brandstoffen door zowel luchthavens als luchtvaartmaatschappijen. Een langetermijnplanning kan luchthavens en luchtvaartmaatschappijen zekerheid bieden, waardoor ze eerder geneigd zijn de benodigde investeringen te doen.”
Vliegen is veel te goedkoop, het is niet goed voor het milieu.
Tenslotte is er ook nog de consument, die (helaas) gewend is geraakt aan goedkope vluchten en eenvoudig de wereld over reizen. “Vliegen is veel te goedkoop, het is niet goed voor het milieu,” zegt Rao. “Een retourvlucht Amsterdam-New York stoot anderhalve ton aan CO2 per passagier uit – ongeveer evenveel als de jaarlijkse uitstoot van diezelfde persoon voor elektriciteit, verwarming, koken en vervoer over land.”
De kosten van hernieuwbare energie zijn elk jaar weer lager, maar vliegen op waterstof zal toch duurder zijn. “Consumenten zullen dat niet leuk vinden, wat de transitie naar vliegen op waterstof kan vertragen,” zegt Lucas. “Overheden kunnen een gelijk speelveld creëren door (geleidelijk) de belastingvrijstelling voor kerosine op te heffen en/of de CO2-uitstoot van de luchtvaart op te nemen in emissiehandelssystemen.”
De transitie naar vliegen op waterstof is een complexe puzzel, maar een duurzame luchtvaart ligt zeker in het verschiet, zelfs als de sector blijft groeien. “Waterstof is een spil in dit proces,” zegt Rao. “Overheden, de industrie en consumenten hebben allemaal een belangrijke rol. En als TU Delft jagen we de benodigde innovatie aan.”
