De ontwikkeling van koolstofvrije vliegtuigen op waterstof
Nu de druk op luchtvaart in Europa en met name in Frankrijk blijft toenemen om minder CO2 uit te stoten, doet de Europese vliegtuigfabrikant Airbus officieel mee in de race voor vliegtuigen op waterstof met een volledig koolstofvrij vliegtuig voor ten minste 100 passagiers in 2035. Dit zou een enorme technologische sprong zijn, die zelfs nog groter is dan de overgang naar de eerste vliegtuigen met drukcabine en de eerste straalvliegtuigen na de Tweede Wereldoorlog.

Vorig jaar noemde Airbus nog niet eens de optie waterstof voor koolstofvrije vliegtuigen. Pas begin maart, tijdens een hoorzitting in de Senaat, sprak Guillaume Faury zich voor het eerst positief uit over deze energie. Maar middenin de gezondheidscrisis gingen de woorden van de Airbus CEO onopgemerkt voorbij. Toen de Franse regering in juni haar herstelplan voor de luchtvaart presenteerde met daarin een routekaart om binnen 15 jaar een vliegtuig op waterstof in gebruik te nemen, was het duidelijk dat Airbus zich volledig op deze technologie zou gaan storten.

Dit heeft Airbus op maandag 21 september jl. bevestigd met de gelijktijdige lancering van drie projecten onder de codenaam “ZEROe”: een turbinejetmotor, een turboprop (propellervliegtuig) en een geïntegreerd rompvliegtuig (vliegende vleugel).

Een turbojetmotor die tot 200 passagiers kan vervoeren
Het eerste project komt overeen met een vliegtuig voor de middellange afstand, dat tussen 120 en 200 passagiers kan vervoeren met een bereik van 3.500 kilometer. Het aandrijfsysteem zou gebaseerd zijn op een gasturbine aangedreven door waterstof in plaats van kerosine. De vloeibare waterstof zou worden opgeslagen in tanks die zich achter het achterste schutbord van het vliegtuig bevinden, wat de afwezigheid van ramen op het door Airbus geleverde display verklaart. Deze architectuur heeft de verdienste dat ze de beproefde aerodynamische vormen niet ter discussie stelt, maar ze heeft ook haar grenzen: aangezien de fabrikant slechts op één dimensie (de lengte van het vliegtuig) kan spelen, biedt het evenwicht tussen de beschikbare ruimte voor de passagiers en die voor de opslag van waterstof weinig vrijheid.

Een propellervliegtuig met een vliegbereik van meer dan 1.800 kilometer
Hoewel Airbus niet actief is in het turboprop (propellervliegtuig) segment, kan de vliegtuigbouwer rekenen op zijn joint venture ATR, gespecialiseerd in turboprops, met het Italiaanse bedrijf Leonardo. Dit vliegtuig, dat ook wordt gevoed door de verbranding van waterstof in aangepaste gasturbines, zou tot 100 passagiers kunnen vervoeren over afstanden van meer dan 1.800 kilometer.

Een vliegende vleugel met het bereik van een turbojetmotor
Het is het meest baanbrekende concept: het geïntegreerde rompvliegtuigconcept, ook wel bekend als de vliegende vleugel. Hoewel deze aerodynamische vorm niet nieuw is, heeft het nooit een doorbraak gemaakt in de commerciële luchtvaart. Airbus stelt zich een vliegende vleugel voor die tot 200 passagiers kan vervoeren. Een ontwrichtende architectuur die veel werk vereist op het gebied van stabiliteit, maar die (net als de Flying-V) meerdere cabineconfiguraties en brandstofopslag mogelijk moet maken. Het is de meest complexe architectuur, maar ook de meest veelbelovende. Airbus zal kunnen voortbouwen op het Maveric vliegende vleugelproject dat in februari 2020 is gepresenteerd.

Dit zijn zeer verschillende aerodynamische configuraties, maar uit een van deze drie concepten moet tegen 2035 dus het eerste koolstofvrije vliegtuig op waterstof ontstaan.

Het jaar 2035 is niet willekeurig gekozen. Het komt overeen met de periode waarin Airbus en Boeing van plan zijn de opvolgers van de A320 en 737 te lanceren. Deze vliegtuigen zullen in de komende 20 jaar twee derde van de behoefte aan nieuwe vliegtuigen voor hun rekening nemen. Logischerwijs zou de eerste Airbus op waterstof dus in staat moeten zijn om de meeste vluchten van een huidige A320 uit te voeren: het vervoer van zo’n 200 passagiers met een maximaal bereik van ongeveer 3.500 kilometer.

Het is echter nog te vroeg om te zeggen welke van deze drie concepten het dichtst bij de toekomstige “groene” Airbus zullen komen. Er zal waarschijnlijk gewacht moeten worden tot 2024-2025 om te weten welk model, met welke afmetingen en welk bereik er zal komen.

De enige zekerheid in dit stadium is dat de toekomstige “groene” Airbus op waterstof zal vliegen, de enige “nul-emissie”-brandstof die nu beschikbaar is. Volgens een Europese studie zou de bijdrage van het luchtvervoer aan het broeikaseffect met 75 tot 90% kunnen worden verminderd.

De technologische uitdagingen van waterstof hebben betrekking op het vervoer en de opslag in het vliegtuig. Waterstof is een uiterst licht gas en het is niet mogelijk om het in zijn gasvormige toestand aan boord te nemen. De volumes die nodig zijn om een vliegtuig te laten vliegen zijn onvoorstelbaar groot en daarom is het essentieel om de dichtheid van waterstof te verhogen. Hiervoor moet het in een vloeibare toestand worden omgezet. Waterstof wordt echter pas vloeibaar vanaf -253° bij een druk van 1,0131 bar. Om dit te bereiken is het gebruik van cryogene tanks noodzakelijk, zoals bij raketten.

Probleem: zonder ook maar te spreken over het extreme temperatuurverschil tussen die van de tanks en van de motoren (1.500 voor de heetste en 800 voor de koelste delen), de volumegrootte en de cilindrische of bolvormige vorm die de tanks moeten hebben, maakt het onmogelijk om ze in de vleugels te plaatsen zoals nu het geval is met kerosine.

Airbus heeft op dit gebied al enige ervaring, het bedrijf is al jaren actief in de ruimtevaartsector.

Het gebruik van waterstof in vliegtuigen vereist verder de ondersteuning van een heel ecosysteem. Overheid, industriële partners in de luchtvaart- en energiesector, luchthavens, specialisten op het gebied van waterstoftransport en -tanken… Naast de vliegtuigprojecten zelf, impliceert het wijdverbreide gebruik van waterstof in de luchtvaart een zeer brede mobilisatie. De omschakeling van kerosine naar waterstof zal grote aanpassingen van de luchthaveninfrastructuur vergen, met de oprichting van een nieuwe waterstofproductie- en -distributieketen in de luchthavenzone.

Alternatieve technologische oplossingen voor een groener luchttransport
Toekomstige Airbus-vliegtuigen op waterstof zijn niet de enige oplossing voor het geleidelijk afschaffen van de CO2-uitstoot in de luchtvaart.

De oplossing van het elektrische vliegtuig is niet geheel uitgesloten. Voor de A320 op waterstof wordt een ander concept verwacht dat momenteel bij Airbus in ontwikkeling is: een regionaal propellervliegtuig met maximaal 100 zitplaatsen dat met elektromotoren over korte afstanden tot duizend kilometer kan vliegen. Voor deze opvolger van de huidige ATR’s wordt geen precieze datum gegeven.

Verder zou het vervangen van oude vliegtuigen door vliegtuigen van de nieuwe generatie, zoals de A350 en de Boeing 787 voor lange afstand, A320neo en Boeing 737 MAX voor middellange afstand, de CO2-uitstoot in Europa al met 18% verminderen tegen 2030. De optimalisering van de vliegroutes en het luchtverkeersbeheer zou ook bijdragen tot een besparing van ten minste 5%.

Het meest veelbelovende alternatief is echter het gebruik van biobrandstoffen. Gemengd met conventionele kerosine zouden deze van biomassa afgeleide brandstoffen de CO2 footprint van een vlucht met 80% kunnen verminderen, rekening houdend met de CO2 die wordt geabsorbeerd door de planten die nodig zijn voor deze biobrandstoffen. En ze kunnen worden gebruikt in de vliegtuigen van vandaag. Maar ook hier staat de productie- en distributieketen nog in de kinderschoenen en zal de uitvoering ervan investeringen en overheidssteun vergen.

Bron: Les Echos, La Tribune, Usine Nouvelle