In Groot-Brittannië heeft Rolls-Royce tests uitgevoerd met een straalmotor die draait op waterstof. Dit is een eerste stap op weg naar kleine vliegtuigen die vliegen op dit gas.
Het betrof een ‘ground test’, met een losse straalmotor op de grond. Ingenieurs van Rolls-Royce hadden deze AE2100 straalmotor geschikt gemaakt voor waterstof.
Die waterstof was geproduceerd met behulp van groene stroom, namelijk elektriciteit opgewekt door de getijdencentrale van het European Marine Energy Centre op Eday, een van de Orkney-eilanden, aan de noordpunt van Schotland.
Aanpassingen nodig
‘Je kan niet zomaar waterstof door een gewone straalmotor sturen die normaal kerosine te verbranden krijgt. Daar zijn allerlei aanpassingen voor nodig’, legt Ivan Langella van de TU Delft uit. De universitair docent Flight Performance and Propulsion is niet betrokken bij het onderzoek van Rolls-Royce. Rolls-Royce was zelf niet in de gelegenheid om vragen van De Ingenieur te beantwoorden.
Koude
Om te beginnen moet waterstof sterk gekoeld worden, tot zo’n -260 graden Celsius, om vloeibaar mee te kunnen in een vliegtuig, zegt Langella. ‘Die kou kan de materialen van bijvoorbeeld leidingen nadelig beïnvloeden. Verder ontbeert waterstof de smerende werking die kerosine van nature wel heeft. Dus je moet het ontwerp van de straalmotor aanpassen, zodat er niet te snel slijtage van onderdelen optreedt.’
Maar ook in de verbrandingskamer van de straalmotor liggen uitdagingen. Waterstof verbrandt heel anders dan kerosine, zegt Langella. ‘De grootste uitdaging zit hem in het zo laag mogelijk houden van stikstofoxiden, NOx.’ Want bij de verbranding van waterstof komt weliswaar geen CO2 vrij, maar net als bij de verbranding van kerosine wel NOx.
Honderden kleine injectoren
Om dat te doen, zijn grofweg twee routes mogelijk, zegt Langella. Welke Rolls-Royce gebruikt is niet bekend. ‘De eerste is door in de verbrandingskamer honderden kleine injectoren te plaatsen, die allemaal een beetje gas inspuiten. Vlak voordat in een cyclus al het gas is verbrand, spuit je dan opnieuw waterstof in. Hierdoor hebben stikstofoxiden nauwelijks kans om te ontstaan.’
Meer lucht
De tweede manier om NOx-vorming te beteugelen, is met zogenoemde ‘lean premixed combustion’, waarbij naar verhouding meer lucht dan brandstof beschikbaar is. ‘Die twee worden deels gemengd voordat ze in de verbrandingskamer komen. Doordat je lucht over hebt, kan die een deel van de verbrandingshitte opnemen, waardoor de temperatuur een stuk lager blijft en de NOx-vorming ook.’
Scala aan vliegtuigen
Voor de tests werkte de fabrikant van vliegtuigmotoren Rolls-Royce samen met luchtvaartmaatschappij easyJet. ‘Wij zijn vast van plan om dit baanbrekende onderzoek te blijven ondersteunen. Waterstof biedt grote mogelijkheden voor een scala aan vliegtuigen, waaronder die waar wij mee vliegen’, zegt CEO Johan Lundgren van dat bedrijf in een persbericht.
Luchtvaart koolstofvrij maken
De beide bedrijven willen met hun tests bewijzen dat waterstof een rol kan spelen bij het koolstofvrij maken van de luchtvaart. Daarvoor zijn twee routes, die vermoedelijk allebei zullen worden bewandeld. Enerzijds kan waterstof dienen om aan boord van een vliegtuig elektriciteit op te wekken, in een brandstofcel. Op die groene stroom draaien vervolgens elektromotoren, die propellers aandrijven. We schreven er eerder over.
Directe verbranding
Wat Rolls-Royce nu heeft getest, is route twee: directe verbranding van waterstof in een straalmotor. Dat levert een hoger vermogen op dan met de brandstofcel – nodig om echt grote vliegtuigen aan te drijven – maar hiervoor is nog verder onderzoek nodig. Het voordeel is duidelijk: uit de uitlaat van de straalmotor komt geen CO2 maar water als afvalproduct.
Veel groter volume
Nu heeft waterstof als nadeel ten opzichte van kerosine, dat de volumetrische energiedichtheid van waterstof lager is. Een vliegtuig moet er dus een veel groter volume van meenemen om even ver te komen als met kerosine. Daarom zal het gebruik van waterstof voorlopig beperkt blijven tot kortere afstanden. Voor de echte langeafstandsvluchten blijft kerosine nog een tijdje nodig. De voorlopig beste optie daarvoor zijn sustainable aviation fuels (SAF’s), die zijn gemaakt uit restproducten, waardoor er geen extra CO2 in de lucht komt. Op termijn wordt veel verwacht van synthetische kerosine.
2035
Na de analyse van deze eerste grondtest van het concept plannen Rolls-Royce en easyJet nog een reeks tests. Die moeten leiden tot een grondtest op ware grootte met een Rolls-Royce Pearl 15 straalmotor. ‘We verleggen de grenzen om de koolstofvrije mogelijkheden van waterstof te ontdekken, die de toekomst van de luchtvaart een nieuwe vorm kunnen geven’, zegt Grazia Vittadini, Chief Technology Officer van Rolls-Royce in het persbericht. Het bedrijf hoopt rond 2035 motoren te kunnen leveren die op waterstof draaien, en geschikt zijn voor kleine tot middelgrote toestellen.
Duidelijk is dat waterstof een hot topic is in de luchtvaart, zegt ook Langella. ‘Er wordt heel veel onderzoek naar gedaan en het is ook veelbelovend. Maar voordat waterstof die belofte kan waarmaken als geschikte alternatieve energiebron, moet je wel de hele cyclus bekijken. Het is nu nog duur en langzaam om veel waterstof te produceren, maar daar komt hopelijk verandering in.’
Openingsfoto: een onderzoeker bij de straalmotor die voor de test werd gebruikt. Foto Rolls-Royce
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.