De HYDRA II, een drone die op vloeibare waterstof vliegt, heeft onlangs de eerste succesvolle proefvluchten boven het NLR-terrein in Marknesse gemaakt. Dit is een primeur, want voor het eerst keer vliegt een toestel in het Nederlandse luchtruim dat vloeibare waterstof als energiedrager gebruikt. De vlucht duurde enkele minuten en heeft niet alleen de werking van de technologie met vloeibare waterstof als energiedrager gedemonstreerd, maar toont ook aan dat we op een veilige wijze weten om te gaan met alles wat er bij komt kijken als je met vloeibare waterstof werkt.
De elektromotoren van de hybride-aangedreven drone kregen elektriciteit via een brandstofcel aangeleverd, waarbij tevens een accu ondersteuning leverde om de benodigde stuwkracht te kunnen garanderen.
Joost Vreeken, NLR-programmaleider ‘Onbemand & Autonoom’: “Bij drones komt de inzet van waterstof eigenlijk het meest tot zijn recht bij het vliegen van lange afstanden. Een VTOL, dat staat voor Vertical Take-off and Landing, zal zoals in onze proef verticaal opstijgen. Daarbij kunnen eerst de batterijen worden gebruikt omdat die fase relatief veel vermogen vraagt. Vervolgens zal zo’n drone als een vliegtuig, een horizontaal pad vliegen. Daarbij is het gebruik van waterstof ideaal. Bij deze configuratie ging het met name om het aantonen van de werking van de technologie tijdens een korte hover-vlucht.”
Uitdaging om te verduurzamen
Vliegtuigen dienen hun uitstoot terug te dringen om de bijdrage aan klimaatverandering te beperken. Daarbij is het belangrijk om naar alternatieven te kijken voor het gebruik van kerosine. Waterstof wordt gezien als een van de oplossingsrichtingen in de verduurzaming van de luchtvaart. Maar het gebruik ervan is nieuw in de (commerciële) luchtvaart en vraagt om aanpassingen zowel aan toestellen als op de grond. Drones bieden een ideaal testplatform bij die energietransitie in de luchtvaart. Ze zijn klein, overzichtelijk qua complexiteit en relatief goedkoop in aanschaf.
NLR’s bijdrage
NLR heeft in 2019 met de HYDRA I op gasvormige waterstof gevlogen. Er is in de tussentijd veel onderzoek gedaan en in navolging van die vlucht heeft NLR nu dus ook gevlogen met de opvolger, die vloeibare waterstof als energiedrager gebruikt. Voor de HYDRA II is de waterstof opgeslagen in een vacuüm-geïsoleerde aluminium tank onderaan de drone. Deze tank is in samenwerking met een partner door NLR ontwikkeld. De tank wordt niet actief gekoeld; door de opwarming van de gekoelde waterstof ontsnapt geleidelijk waterstofgas uit de tank. Die wordt uiteindelijk naar de brandstofcel geleid waar er elektriciteit van wordt gemaakt. In de tank zitten sensoren en warmte-elementen waardoor de tank de juiste hoeveelheid gasvormig waterstof aan de brandstofcel levert.
Innovatie door ecosysteem
Om de uitstoot van de luchtvaart terug te brengen, is volgens NLR ‘groene’ waterstof een kansrijk alternatief voor het huidige gebruik van kerosine. Tineke van der Veen, CEO van NLR: “Mits waterstof op een duurzame wijze geproduceerd wordt, kan het eraan bijdragen de impact van fossiele brandstoffen op het klimaat terug te brengen. Dit omdat water(damp) het enige is dat het voertuig, in dit geval de drone, uitstoot. We zien dat er door veel partijen in binnen- en buitenland hard wordt gewerkt om commerciële toepassingen hiervan tot een succes te brengen.”
“Parallel aan dit dronetraject werken we zelf ook nauw samen met Nederlandse partijen zoals Cryoworld en zepp.solutions. Hierbij werken we aan de integratie van vloeibare waterstof in ons elektrisch aangedreven vliegtuig, een Pipistrel Velis Electro.”
Vreeken: “Voor NLR is de behaalde mijlpaal met de HYDRA II in ieder geval van groot belang omdat we hiermee niet alleen aantonen dat we de technologie goed beheersen, maar dat we ook de logistiek complexe processen op een veilige manier weten te doorlopen. Er komt namelijk heel veel bij kijken. Denk alleen al aan het vliegplan met veiligheidsprocedures, de ARBO-technische aspecten, en uiteraard de logistieke keten van aanlevering, transport, opslag tot aan het ‘tanken’ van de drone.”
Ook buiten Nederland hebben partijen laten zien dat vliegen op vloeibare waterstof mogelijk is. Het Duitse H2fly heeft bijvoorbeeld in 2023 een testvlucht uitgevoerd waarbij ook de Sloveense vliegtuigbouwer Pipistrel betrokken is[1].
Waterstof als energiedrager
Waterstof (H2) is het eenvoudigste, lichtste en meest voorkomende element dat we kennen. Bij kamertemperatuur is waterstof een niet-giftig kleurloos en geurloos gas. Bij een temperatuur onder -252,77 °C wordt waterstof vloeibaar. Dat is bijna het absolute nulpunt (0 kelvin). De drone gebruikt waterstof als een energiedrager (geen energiebron): in een brandstofcel wordt waterstofgas samen met zuurstof uit de buitenlucht omgezet in water (H2O). Bij dat proces komt energie in de vorm van elektriciteit en restwarmte vrij.
Gewicht, of eigenlijk ‘massa’, speelt in de luchtvaart uiteraard een grote rol. Het grote voordeel van waterstof is de relatief hoge energie-inhoud per massa (kWh/kg). De massadichtheid (kg/liter) en energie-inhoud (kWh/liter) van waterstof bij atmosferische druk is echter erg laag. Indien je de waterstof afkoelt tot ca. -253°C is de energie-inhoud echter beduidend hoger, maar nog wel een factor vier lager dan bijvoorbeeld diesel[2] of kerosine.
Safety first
Energiebronnen – of in het geval van waterstof ‘energiedrager’ – brengen altijd veiligheidsrisico’s met zich mee. Mits het veilig wordt gebruikt en opgeslagen, is waterstof daarbij niet per definitie gevaarlijker dan andere brandstoffen. Het vereist wel specifieke veiligheidsmaatregelen en procedures omdat het relatief makkelijk ontbrandt en minder ontstekingsenergie nodig heeft dan andere brandstoffen, zoals benzine of aardgas. De HYDRA II-waterstofdrone is experimenteel gekeurd en NLR-piloten mogen ermee vliegen zonder een ‘Speciaal Bewijs van Luchtwaardigheid’ (S-BvL). Daar komt bij dat het luchtruim boven NLR voor ander vliegverkeer kan worden afgesloten.
[1] https://www.youtube.com/watch?v=lFJWRXqB89Q
[2] https://www.waterstofnet.eu/nl/waterstof/wat-is-waterstof#default
