Nog één keer: waterstof is geen oplossing voor luchtvaart

Datum: 16-10-2021 SchipholWatch

Waterstof biedt géén oplossing voor de luchtvaart. Het kost teveel energie om groene waterstof te produceren en de opslag in de tanks van een vliegtuig is problematisch. Waterstof is slechts een valse belofte van de fossiele industrie. Docent vliegtuigbouw Bernard van Dijk van de Hogeschool van Amsterdam legt het nog een keer uit.

Waterstof komt als gas nauwelijks voor in de atmosfeer. Het moet dus worden geproduceerd en daarvoor bestaan twee methoden: het stoom-hydrocarbon proces voor grijze en blauwe waterstof of de elektrolyse van water voor groene waterstof.

Bij het eerste proces wordt water en methaan (H₂O en CH₄) onder hoge temperatuur en druk omgevormd tot koolmonoxide en waterstof volgens de scheikundige formule H₂0 + CH₄ => CO + 3H₂. Voor deze omzetting is 206 kilojoule energie nodig per mol.

Omdat koolmonoxide giftig is, is de tweede stap in dit proces de vorming van kooldioxide uit de koolmonoxide. Dat gaat volgens de formule CO + H₂O => CO₂ + H₂. Dat proces levert 41 kilojoule energie per mol op, evenals een extra mol waterstof. Wanneer de resulterende CO₂ in dit proces wordt afgevangen en opgeslagen, spreken we van blauwe waterstof, als het gewoon wordt vrijgelaten in de atmosfeer noemen we het grijze waterstof.

De productie van in totaal vier mol aan waterstof kost dus 206 minus 41 is 165 kilojoule aan energie. Maar hoeveel waterstof is 4 mol eigenlijk? Eén mol waterstof weegt 2 gram. Dus 4 mol is 8 gram van deze gehypete brandstof. Om een kilogram te produceren is 20,6 megajoule (MJ) energie nodig.

Zeven wasbeurten voor 1 kilogram waterstof
De megajoule is voor de meesten van ons een abstract begrip, maar die 20,6 MJ is hetzelfde als 5,7 kilowattuur (kWh) aan energie, de eenheid die ook valt af te lezen op de energiemeter thuis. Om het nog inzichtelijker te maken: het zijn ongeveer zeven wasbeurten met een energiezuinige wasmachine.

Weinig klimaatvriendelijk is bovendien dat dit proces tegelijkertijd een mol CO₂ oplevert. Eén mol weegt 44 gram, dus een kilo waterstof produceert op deze manier onlosmakelijk 5,5 kilogram kooldioxide. En van die uitstoot wilden we juist af.

Dan maar eens kijken naar groene waterstof, de heilige graal als we de luchtvaartindustrie mogen geloven. Maar groene waterstof is alleen maar CO₂-vrij als we voor de productie ervan de energie gebruiken uit zonnepanelen, waterkracht of windmolens.

Drie keer zoveel groene stroom
Bij groene waterstof wordt een watermolecuul gesplitst in waterstof en zuurstof onder invloed van gelijkstroom. Dit proces, scheikundig beschreven als 2 H₂O => 2 H₂ + O₂, vergt 572 kilojoule energie per mol. Dat is drie keer zoveel als de productie van de eerder beschreven grijze of blauwe waterstof en levert slechts 2 mol waterstof op ten opzichte van de daar aangegeven 4 mol.

Twee mol waterstofgas weegt 4 gram, dus om een kilogram te maken is 143 megajoule ofwel 39,7 kWh groene energie nodig. Of om bij de wasmachine te blijven: ongeveer 50 wasbeurten. In totaal is er zo zelfs zeven keer zoveel energie nodig voor groene waterstof als voor grijze of blauwe waterstof.

Waterstof in vliegtuigen
Als een kilogram kerosine wordt verbrand, levert dat 43 megajoule of 11,9 kilowattuur aan energie op. Verbranding van een kilogram waterstof produceert 143 MJ of 39,7 kWh op, dus 3,3 keer zoveel als kerosine. Dat klinkt hoopgevend, maar hier komt een probleem om de hoek kijken.

Kerosine is vloeibaar en weegt 800 kilogram per duizend liter. Waterstof is onder normale atmosferische omstandigheden een gas. Twee gram van dit gas neemt 22,43 liter aan opslagruimte in. Anders gezegd: voor waterstof zijn de benodigde tanks bijna 9.000 keer groter dan voor kerosine bij dezelfde temperatuur en druk.

Dat past natuurlijk niet in een vliegtuig. Om de waterstof in vliegtuig-tanks op te kunnen slaan, moet het compacter worden gemaakt. Dat kan op twee manieren: door het onder druk samen te persen of door de waterstof vloeibaar te maken.

In waterstofauto’s wordt nu gewerkt met tanks die de waterstof opslaan onder een druk van 700 bar, 700 keer zoveel als de atmosferische druk. Vloeibaar maken vereist het verlagen van de temperatuur van het gas tot 250 graden onder nul.

Casus: de Boeing 787-9
Als voorbeeld nemen we een Boeing 787-9 met een tankinhoud van in totaal 126.820 liter. Volledig afgetankt is dat 101.456 kilogram aan kerosine. Verbranding daarvan levert 1,212 gigawattuur (GWh) energie op. Die hoeveelheid energie kan ook met waterstof worden geproduceerd en vergt dan onder normale atmosferische omstandigheden 342 miljoen liter, ruim 2.500 keer de tankinhoud van de Boeing!

Dat moet dus anders en daarom wordt de waterstof samengedrukt. Helaas kost dat samenpersen energie. Die energie kan worden uitgerekend met een formule. Het komt erop neer dat om 30.508 kilogram waterstof op 700 bar druk te brengen is 225.000 megajoule of 62.500 kWh nodig. Dit om net zoveel energie te kunnen meenemen in het vliegtuig als de 126.000 liter kerosine. Het volume van de waterstof wordt dan teruggebracht van de eerder genoemde 342 miljoen liter naar 489.000 liter.

Het is nog lang niet klein genoeg om in de tanks van de 787 te passen. Daarvoor zou het volume van het waterstofgas met nog eens een factor 3,85 kleiner moeten worden gemaakt. Of er zou 3,85 keer zoveel tankruimte in de 787 moeten worden geschroefd.

Actieradius 787 factor drie kleiner
Het maximale bereik van een 787-9 met volle tanks ligt nu rond de 15.750 kilometer. Zonder grotere tanks of nog meer druk in de tanks zou het bereik dus worden beperkt met een factor 3,85 tot 4.100 kilometer. Maar omdat deze hoeveelheid waterstof 71.000 kilogram minder weegt dan de kerosine, wordt het negatieve effect enigszins beperkt en stijgt de actieradius tot zo’n 6.300 kilometer. Niet meegenomen in deze berekening is dat de tanks voor de opslag van waterstof onder hoge druk veel zwaarder worden uitgevoerd dan tanks voor kerosine. Dat levert dus een hoger leeggewicht van het toestel op en beperkt het bereik weer.

Maar wat als we vloeibare waterstof gebruiken? Om de benodigde 30.500 kilogram aan waterstof af te koelen tot 250 graden onder nul is 110 megajoule of 30.550 kilowattuur energie nodig. De vloeistof moet onderweg langere tijd op die lage temperatuur worden gehouden.

Daarvoor zijn zogenaamde cryogenische tanks nodig in het vliegtuig, maar ook hier krijgen we te maken met het probleem van de tankinhoud. Duizend liter vloeibare waterstof weegt slechts 71 kilogram. Om 30.500 kilogram op te slaan hebben we 430.000 liter tankinhoud nodig. Dat is drieënhalf keer de omvang van de gemonteerde tanks in de 787.

Dat past niet, dus wordt het bereik van het toestel met vloeibare waterstof beperkt tot 4.600 kilometer of 7.200 kilometer als we de lagere massa van het waterstofgas meenemen in de berekening, zoals hierboven. Hierbij is geen rekening gehouden met het hogere gewicht van de grotere tanks en voor de extra kilo’s voor de apparatuur die nodig is om het gas op zo’n lage temperatuur te houden.

Lage efficiëntie
Stel dat Boeing in de toekomst in staat zou zijn om 30.500 kilogram of 490.000 liter samengeperste waterstof op te slaan in een 787-9. Om die 30.500 kilogram waterstof ‘grijs’ te produceren is 175.000 kWh energie nodig en komt hierbij onvermijdelijk 170 ton CO₂ vrij. Voor het samendrukken van de waterstof is nog eens 63.000 kWh nodig. In totaal is dat 238.000 kWh.

Verbranding in een straalmotor levert 1.212.000 kWh op, waarmee de efficiëntie van dit proces uitkomt op iets meer dan 80 procent, zonder de verliezen tijdens de omzetting en het samenpersen overigens. Maar omdat de maximale tankcapaciteit 127.000 liter is, kan maximaal 8.000 kilogram waterstof worden meegenomen.

Om 30.500 kilogram waterstof ‘groen’ te produceren is 1.211.835 kWh energie nodig en wordt uitstoot van CO₂ vermeden. Maar ook hierbij moet het gas worden samengeperst, waarmee het totaal uitkomt op 1.274.354 kWh. De opbrengst bij verbranding in een straalmotor blijft hetzelfde. Hieruit volgt een belangrijke conclusie: het kost meer energie om groene waterstof te produceren en samen te persen dan het ooit oplevert bij verbranding, zelfs zonder productieverliezen mee te nemen in de berekeningen.

Eén vlucht per maand per mega-windmolen
Kijken we nu naar de energie die een moderne windmolen oplevert. Zo’n molen is 140 meter hoog en heeft een rotor met een diameter van 136 meter en levert 15 miljoen kWh groene energie per jaar op. Eén zo’n reusachtige windmolen levert zo de energie op voor net geen twaalf vluchten per jaar met een 787-9 met vol bereik. Aannemende dat Boeing het probleem van het gebrek aan tankruimte kan oplossen.

Het lijkt een niet te tackelen probleem. Dan maar eens kijken naar vloeibare waterstof. Het productieproces ervan is gelijk aan dat van samengeperste waterstof. Dus voor 30.500 kilogram waterstof is 175.000 kWh energie nodig bij grijze waterstof en 1.212.000 kWh bij groene waterstof.

Het vloeibaar maken vergt nog eens 30.500 Kwh. In totaal voor grijze waterstof dus 205.000 kWh en voor groene 1.242.000 kWh. Bij grijze waterstof is dit 13,5 procent minder benodigde energie dan bij het samenpersen, maar bij groene waterstof scheelt het slechts 2,5 procent.

Omdat vloeibare waterstof wat minder ruimte innneemt, kunnen er meer kilogrammen in een Boeing. In de tanks ter grootte van 127.000 liter past nu 9000 kilogram waterstof. De eerder beschreven windmolen kan nu de energie opleveren voor 12,1 vluchten per jaar met de 787-9. Als Boeing ten minste ook in dit geval het tankvolume weet te vergroten.

Hou bij deze berekeningen in gedachten dat zo’n moderne windmolen genoeg energie oplevert om in het jaarlijkse stroomverbruik van 6.000 woningen te voorzien, maar dus slechts één vlucht per maand van een Boeing 787-9.

Voor kortere afstanden dan?
Eenzelfde berekening kan worden gemaakt voor de Embraer E190-2 waarvan KLM er een aantal in bedrijf heeft. Op een vlucht van Amsterdam naar Madrid van 1540 kilometer, 106 passagiers en 3.200 kilogram bagage is dan zo’n 960 kilogram vloeibare waterstof nodig. Dat is 13.550 liter en dat past daadwerkelijk in de tanks van zo’n toestel van net iets meer dan 17.000 liter.

Daarbij gaan we voor het gemak uit van de verkeerde veronderstelling dat de tanks voor vloeibare waterstof niet zwaarder zouden zijn dan die voor kerosine en dat de apparatuur die nodig is om de waterstof op 250 graden onder nul te houden niets weegt.

Het produceren van de waterstof kost inclusief het vloeibaar maken in totaal ruim 40.000 kWh energie. Die grote windturbine van 140 meter hoog heeft 23 uur nodig om die energie te produceren, aannemende dat er geen productieverliezen optreden. Eén vlucht per dag naar Madrid per windmolen dus. Dezelfde hoeveelheid energie is trouwens genoeg om zestien huishoudens een jaar lang van stroom te voorzien.

Samenvattend komt deskundige Van Dijk tot de conclusie dat waterstof niet geschikt is voor toepassing in de luchtvaart. Het vergt gewoon teveel energie en een groot probleem is het meenemen van genoeg waterstof in een vliegtuig.

“De auto-industrie onderschrijft mijn conclusies: allemaal op twee na zijn ze afgestapt van de waterstofauto. De overblijvers pleiten nog voor de brandstofcel, maar daarmee creëer je in de keten zoveel omzettingen dat het rendement laag is en de verliezen hoog. Eerst van wisselstroom (windmolen) naar gelijkstroom (elektrolyse), naar waterstof, naar het samenpersen van de waterstof, naar het omzetten van het waterstof naar gelijkstroom (brandstofcel) naar wisselstroom voor de aandrijving (de elektromotor van de auto).

The usual suspects
Waarom praat iedereen dan over waterstof als oplossing? Als we in ons land kijken, wordt waterstof vooral aangeprezen in de provincie Groningen. Een van de belangrijkste voorstanders is de New Energy Coalition, opgericht in 2017.

De onderzoeksjournalisten van Follow The Money ontdekten dat de grote sponsoren van deze coalitie onder meer Gasunie, Gasterra, Gazprom en Shell zijn. Deze fossiele bedrijven weten heel goed dat het maken van groene waterstof heel veel energie kost. En zullen als alternatief graag tot in lengte van dagen grijze waterstof leveren. Geproduceerd uit aardgas onder uitstoot van heel veel CO₂.

Van Dijk: “De beste manier om de uitstoot van CO₂ door de luchtvaart te verminderen is simpelweg minder vliegen. We moeten ons bewust worden van het feit dat de enorme hoeveelheid energie die we nodig hebben om te vliegen, niet kan worden geleverd door groene energie.”

Dit artikel is een samenvatting van het originele Engelstalige stuk dat docent vliegtuigbouwkunde Bernard van Dijk eerder publiceerde op Linkedin.

lees artikel/document (opent nieuw scherm/tabblad)

Deel dit bericht

Tags:

pageviews: 8513

tinyurl: link