Waterstof: dan toch een belangrijke speler in de evolutie naar klimaatneutrale mobiliteit?


Waarom waterstofvliegtuigen zinvoller zijn dan waterstofauto’s

Elektrische wagens spelen meer dan ooit een sleutelrol in de overgang naar een klimaatneutrale samenleving. In 2021 werden wereldwijd 6,6 miljoen zulke wagens verkocht, een verdubbeling ten opzichte van het jaar ervoor en goed voor een tiende van alle verkochte wagens in 2020 [1]. Niets wijst erop dat deze trend in de nabije toekomst aan vaart zal verliezen. Integendeel, volgens het International Energy Agency loopt dit aandeel op tot 30% tegen 2030 [2]. Als het van de automobiele industrie afhangt, is waterstof als energiedrager zo goed als afgeschreven. Ondanks dit succesverhaal lijkt de elektrische revolutie zich niet verder te zetten in de luchtvaartindustrie. Daar zijn luchtvaartgiganten volop bezig met de ontwikkeling van waterstofvliegtuigen. Onlangs pakte Airbus nog uit met een reeks ZEROe vliegtuigen die binnen 15 jaar op de markt zouden komen. Wat is de motivatie hiervoor en is het wel realistisch? 

Waterstof als energiedrager

Het gebruik van waterstof kan pas klimaatneutraal zijn als de aanmaak ervan dat ook is. Momenteel is het voornaamste productieproces steam methane reforming (SMR), waarbij aardgas onder de vorm van methaan met water en warmte wordt omgezet tot koolstofmonoxide en waterstof. Op lagere temperatuur reageert de koolstofmonoxide dan opnieuw verder tot waterstof, maar ook tot koolstofdioxide. In 2019 was SMR verantwoordelijk voor een jaarlijkse uitstoot van ruim 830 miljoen ton CO2, wat neerkwam op 2,2% van de globale uitstoot [2,3]. Aangezien het belang van waterstof in de toekomst enkel zal toenemen, wordt het alsmaar belangrijker om over te schakelen naar koolstofvrije processen zoals elektrolyse van water vanuit groene stroom of methaanpyrolyse. Met een energiedichtheid van 119.9 MJ/kg doet waterstof het bijna driemaal zo goed als aardgas (53.6 MJ/kg), benzine (46.6 MJ/kg) en diesel (45.6 MJ/kg) [4]. De keerzijde is de lage volumetrische energiedichtheid ervan, waardoor het compact dient opgeslagen te worden als gecomprimeerd gas of als vloeistof om zinvolle hoeveelheden aan energie op te slaan. In tegenstelling tot de waterstof zelf zijn de opslagtanks een stuk zwaarder. Ze wegen tot wel 25 keer zo veel in de huidige waterstofauto’s [5]. Bovendien vereist de opslag van vloeibare waterstof cryogene temperaturen tot −252.8°C. Gegeven de hoge investeringskosten, is de opslag van waterstof voor kleinschalige toepassingen minder interessant.

Waterstofvliegtuigen 

In het najaar van 2020 kondigde Airbus het ambitieuze ZEROe-project aan; de ontwikkeling van een reeks aan zero-emission vliegtuigen met als doel waterstofvliegtuigen te commercialiseren tegen 2035. Alhoewel deze technologie nog veraf lijkt, dateert het reeds uit de jaren ’80 [6]. Tegenwoordig zijn er verschillende manieren om waterstof in te zetten voor de aandrijving van vliegtuigmotoren. In eerste instantie kan waterstof rechtstreeks de rol van kerosine vervangen als brandstof in een straalmotor. Daarnaast kan het gebruikt worden in brandstofcellen om elektriciteit te genereren en de motoren vervolgens elektrisch aan te drijven. De vliegtuigfabrikant gaat voor een combinatie van beide, waarbij de motoren elektrisch worden opgestart en gedurende de rest van de vlucht aangedreven worden door een directe verbranding van waterstof. Deze hybrideaanpak laat niet alleen toe om minder, tevens zware, brandstofcellen te gebruiken, maar ook om de opslagtanks kleiner te dimensioneren. Momenteel staan bij Airbus drie hoofdconcepten op de agenda: een propellervliegtuig, een straalvliegtuig en een blended-wing body vliegtuig [7]. Dit laatste heeft als voornaamste voordeel een verhoogde opslagcapaciteit van waterstof ten opzichte van de eerste twee, maar laat ook toe om te innoveren wat betreft het interieur van het vliegtuig.

Waarom dan geen waterstofauto’s?

Tien jaar na de introductie van de eerste commerciële waterstofauto in 2013 is de balans opgemaakt: het lukt ze maar niet om door te breken, terwijl elektrische wagens enkel aan populariteit lijken te winnen. Sterker nog, wereldwijd werden in 2020 bijna tweehonderd keer zo veel elektrische wagens verkocht als waterstofauto’s [8]. De verklaring hiervoor moet voornamelijk gezocht worden in de energiestroom van de groene waterstofauto, die slechts een efficiëntie haalt van 38% [9]. Dit wil zeggen dat voor elke 100 Watt aan geproduceerd vermogen slechts 38 Watt effectief op de wielassen terecht komt. De voornaamste verliezen doen zich voor bij de elektrolyse van water en de energieconversie in de brandstofcellen, maar ook bij de compressie en transport van waterstof. Het gebruik van elektrische batterijen daarentegen levert een globale efficiëntie van 80% [9]. Dit verschil is intrinsiek aan de processen: bij waterstofauto’s wordt immers eerst elektriciteit gegenereerd voor elektrolyse om daarna opnieuw elektriciteit op te wekken in de brandstofcellen. Elektrische wagens hebben het voordeel dat de batterijen direct aangesloten zijn op het net, waardoor de verliezen zich hoofdzakelijk beperken tot de transmissieverliezen en die van de batterijen zelf. Dit efficiëntieverschil leidt dan tot een hogere kostprijs per kilometer bij waterstofauto’s. Naast het technische aspect speelt ook de aanwezige infrastructuur een rol. Zo kunnen laadstations praktisch overal geplaatst worden waar aansluiting op het net mogelijk is, zelfs thuis. De voorziening van waterstof op grote schaal daarentegen is minder interessant door het lastige opslagkarakter ervan en de investeringen die ermee gepaard gaan.

Wat met elektrische vliegtuigen?

Gegeven de nadelige eigenschappen van waterstof, rijst de vraag of elektrisch vliegen geen optie is. In theorie is het mogelijk, in de praktijk iets minder. Hoewel kleine elektrische vliegtuigen beginnen door te komen, blijven commerciële passagiersvliegtuigen voorlopig uit. Daarvoor zijn de huidige batterijen te zwaar, al zijn onderzoekers volop bezig met de ontwikkeling van lichtere alternatieven zoals de vastestofbatterij [10]. Vliegen op waterstof lijkt dan wel weer interessant, omdat de eerder beschreven problemen bij waterstofauto’s hier minder sterk tot uiting komen. Ze worden immers rechtstreeks aangedreven door de verbranding van waterstof en doen enkel bij opstart beroep op de brandstofcellen. Verder zijn er minder luchthavens dan tankstations, zodat waterstof slechts op een beperkt aantal plaatsen moet worden opgeslagen. Daarbovenop duurt het tanken van waterstof minder lang dan het opladen van een batterij. Aangezien beide technologieën zowel voor- als nadelen hebben, zal de tijd moeten uitwijzen welke van de twee uiteindelijk de bovenhand haalt.

Maar we zijn er nog niet 

Als Airbus het ZEROe-project tot een goed einde wil brengen, moet het de komende 10 jaar eerst verschillende problemen zien op te lossen die onder te verdelen zijn in een technologisch, logistiek en economisch aspect. Zo moeten de vliegtuigen in staat zijn om waterstof veilig op te slaan tijdens de vlucht, aangezien het ontvlambaarder is dan kerosine of welk ander element dan ook. Daarnaast moet het in sneltempo de nodige infrastructuur voorzien om de opslag, transport en eventueel de productie van waterstof op luchthavens te faciliteren. Airbus en ArianeGroup slaan alvast de handen in elkaar om van Toulouse-Blagnac de allereerste luchthaven te maken waar waterstofvliegtuigen kunnen bijtanken, en dit reeds tegen 2025. Ten slotte zal het de komende jaren moeten kiezen voor de economisch minder interessante optie door te investeren in groene waterstof. Hoewel SMR momenteel de goedkoopste manier blijft om waterstof te produceren, zal de toename aan hernieuwbare energie in de toekomst hier mogelijks verandering in brengen [11]. 

Conclusie

In toepassingen waar directe elektrificatie voorlopig nog geen optie is zoals langeafstandsvluchten, biedt het gebruik van groene waterstof mogelijks een klimaatneutrale oplossing. Of we binnenkort naar onze favoriete vakantiebestemmingen kunnen afreizen zonder vliegschaamte valt nog af te wachten, maar één ding is zeker: Airbus is vastberaden om het gezicht van de luchtvaart voorgoed te veranderen met ZEROe, remember the name.