Er zijn veel initiatieven gaande om waterstof – zowel in gas- als vloeivorm – als energiebron voor de luchtvaart te implementeren, zowel in Nederland als wereldwijd. In 2019 vloog NLR de HYDRA-1 drone met waterstofgas als energiebron. Verschillende ontwikkelingen volgden en als eerste poging in Nederland wil NLR alle verschillende aspecten en uitdagingen met betrekking tot het gebruik van vloeibare waterstof integreren: van aandrijfsystemen tot de benodigde infrastructuur, door belangrijke structurele componenten zoals tanks opnieuw te ontwerpen. Dit weerspiegelt de multidisciplinaire sterktes van NLR.
Het NLR-projectteam is aan het begin van 2021 van start gegaan. “Het project begon als een kleine oefening, die intern bij NLR werd uitgevoerd met een beperkt budget”, verklaart Bert Thuis, hoofd van de afdeling Structures en Technologies en projectleider. “Desondanks weerspiegelen de resultaten die in het eerste jaar zijn behaald de kennis, expertise en toewijding van het team. De echte waarden achter NLR.”
Omgaan met vloeibaar waterstof
De eerste stap was om naar de praktische implicaties van het hebben van waterstof op de NLR-locatie te kijken. Hosam Ebrahim is verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de nieuwe infrastructuur voor vloeibare waterstof bij NLR. “De belangrijkste uitdaging was om advies te vinden over de implementatie van de infrastructuur op een veilige manier en in overeenstemming met de nationale wetten”, legt Hosam uit. Momenteel zijn er nog niet veel nationale wetten van kracht met betrekking tot de opslag en facilitering van kleine hoeveelheden vloeibare waterstof. Daarom leek het proces eenvoudig. In werkelijkheid leidde het begrijpen van de vereisten voor het opslaan en distribueren van kleine hoeveelheden vloeibare waterstof tot een ingewikkeld netwerk van veiligheids-, regelgevings- en technische obstakels die moesten worden overwonnen. Hosam en het team wachten alleen nog op de laatste vergunning om de infrastructuur op de NLR-locatie in Noordoostpolder te beginnen bouwen, die binnenkort zal worden afgegeven.
Zodra de vloeibare waterstof beschikbaar is en klaar is om in voertuigen te worden getankt, is de volgende essentiële stap het ontwerpen van het systeem op de drone om de vloeibare waterstof om te zetten in elektriciteit in de brandstofcellen, bekend als het waterstofconditioneringssysteem. Dit omvat een kookverwarmingselement, een 3D-metaalgeprinte warmteuitwisselaar en een drukregelaar. Alles wat de brandstofcellen in staat stelt om de energie om te zetten in een nuttige vorm.
Volgens Roel van Benthem, senior R&D-engineer en expert in waterstofsystemen: “NLR had ervaring opgedaan met waterstof in gasvorm voor de HYDRA-1 en 2 drones. Maar omgaan met vloeibare waterstof brengt een nieuwe set uitdagingen met zich mee. Desondanks is het ontwerp van het systeem dit jaar voltooid en is het testen gaande.”
Sinds het begin van het project is besloten om een volledig composiettank te ontwerpen om structurele problemen te vermijden, zoals vermoeiing, die de implementatie in een commerciële luchtvaarttoepassing van een standaard metalen tank of zelfs van een commerciële composiettank (die metalen liners bevat) zou beïnvloeden. Echter, gezien het niveau van complexiteit en nieuwheid van de systemen, is besloten om een tussenstap te nemen om de systemen te testen met een metalen cryotank. De vereisten voor een cryogene metalen (aluminium) tank voor vloeibare waterstof zijn geïdentificeerd en de tank is vervolgens verworven door een Nederlandse fabrikant, Cryoworld BV.
Zodra deze vereisten waren vastgesteld, was het essentieel om ze om te zetten in overeenkomstige vereisten voor een composiettank zonder metalen liner, om structurele vermoeiingsproblemen te vermijden. Tegelijkertijd werd onderzoek gedaan naar het exacte composietmateriaal. Met name microscheuren in het materiaal waren een punt van zorg, aangezien dergelijke kleine scheuren tot lekkages en potentieel brandgevaar konden leiden. Materiaaltesten werden uitgevoerd om de minimale eigenschappen van het laminaat te identificeren.
Samenwerken naar het ene doel
Het projectteam was zich ook volledig bewust dat het bereiken van zo’n ambitieus doel niet kon worden gedaan in complete isolatie. Daarom heeft NLR contact opgenomen met zijn netwerk in Nederland en in Europa, op zoek naar samenwerking. Studenten werden betrokken van de Universiteit Twente en van de Technische Universiteit Delft, inclusief de expertise van het AeroDelft-team. In het bijzonder lag hun focus op het structurele en thermische ontwerp van de tank en op de materiaaleigenschappen van een composietmateriaal dat bestand is tegen de extreme druk- en temperatuuromstandigheden die nodig zijn voor de opslag van vloeibare waterstof.
Naast het betrekken van de samenwerking van universiteiten, zoekt NLR ook naar industriële partners om de implementatie van het onderzoek in de echte wereld te versnellen. Kansen ontstaan in verband met financieringsmogelijkheden die beschikbaar zijn gesteld door de Nederlandse overheid in verband met het post-COVID-19-pandemieherstel: de Groeifonds en de Mobiliteitsfonds, waarvoor NLR bijvoorbeeld zal deelnemen aan een consortium onder leiding van Toray Advanced Composites, in een cross-sectoraal onderzoek naar de ontwikkeling van een langlevende, volledig composiet vloeibare waterstoftank voor civiele luchtvaart.
Vanaf het begin was het projectteam bij NLR zich ervan bewust dat de vastgestelde tijdslijn extreem uitdagend zou zijn, zelfs in het beste geval. Met twee brandstofcellen aan boord moest de HYDRA-2 worden geoptimaliseerd met betrekking tot luchtstroom en koeling. Bovendien moest de autopiloot worden afgesteld. En met elk onderzoeksproject, vooral waarbij vliegen betrokken is, komen risico’s kijken, zoals in het geval van de onfortuinlijke landing van de HYDRA-2, die enige vertraging veroorzaakte. Desondanks is een testvlucht met de HYDRA-2 met een grotere samengeperste waterstoftank en twee brandstofcellen nog steeds gepland voor het einde van 2021, mits de weersomstandigheden niet te slecht zijn.
Vanuit een positief perspectief zal de ervaring die is opgedaan met de twee drones – de HYDRA-1 en 2 – worden toegepast voor een nog grotere drone die momenteel wordt ontwikkeld als testplatform voor medische transporten. Deze drone wordt overwogen om vluchten uit te voeren met de composiet vloeibare waterstoftank aan boord.
Zoals Bert Thuis beschrijft: “Het nieuwe project voor de grotere drone past perfect bij de doelen van de komende NLR-strategie, die in januari 2022 van start zal gaan. Niet alleen als bijdrage aan klimaatneutrale luchtvaart, maar ook aan een meer versterkte multidisciplinaire aanpak van projecten”. Het opbouwen van kennis over drones kan worden gezien als een essentiële bouwsteen naar het ambitieuze doel van NLR: het vliegen van zijn Pipistrel op vloeibare waterstof in 2025.
Naast de technische aspecten die bij dit project zijn betrokken, noemt Roel een meer intrinsieke motivatie voor het project: “Er mag geen tijd verloren gaan om klimaatverandering tegen te gaan. Ambitieuze programma’s zoals deze banen de weg voor het introduceren van waterstof in vliegtuigen, het definiëren van nieuwe toekomstige normen voor duurzame luchtvaart en het voorbereiden van de NLR-industrie op de ontwikkeling van nieuwe duurzame vliegtuigcomponenten en -systemen”.
Blijf op de hoogte om de eerste vlucht te zien!
