Net als alle andere sectoren moet ook de luchtvaartsector iets doen aan zijn uitstoot. Luchtvaartmaatschappijen en landen hebben de handen ineengeslagen en ambitieuze doelstellingen vastgesteld om tegen 2050 geen CO2 of andere broeikasgassen uit te stoten. Maar is dat een realistische doelstelling?
Op dit moment is slechts één zero-emissievliegtuig gecertificeerd voor gebruik, een tweezitter die wordt gebruikt voor tests. Kan de luchtvaartsector erin slagen de uitstoot op tijd te verminderen, of is het een utopie? In dit dossier zie je welke duurzame alternatieven er zijn voor de huidige, op fossiele brandstoffen gebaseerde vliegtuigen en waar de luchtvaartsector vandaag staat. Wat moet er gebeuren zodat jij en ik kunnen blijven vliegen naar je vakantiebestemming, voor werk of om familie en vrienden te bezoeken, zonder vliegschaamte?
Welke opties zijn beschikbaar?
- Duurzame vliegtuigbrandstof (SAF/Sustainable Aviation Fuels)
- Vliegen met energie uit waterstof
- straalmotoren aangedreven door waterstof
- elektrische energie uit brandstofcellen op basis van waterstof
- Vliegen op stroom uit batterijen
Wat is SAF?
SAF is een brandstof die vergelijkbaar is met fossiele kerosine, maar dan gemaakt van onder andere vetten en duurzame grondstoffen. SAF kan worden gemengd met kerosine. Sommige luchtvaartmaatschappijen doen dat al, maar doorgaans alleen in kleine hoeveelheden. Op alle vluchten van KLM vanaf Schiphol bestaat slechts 0,5 procent van de brandstof uit SAF. Ook synthetische brandstof valt onder SAF. De productie daarvan kost echter heel veel energie.
Hoe kan een vliegtuig op waterstof vliegen?
In plaats van kerosine te gebruiken, kan vloeibare waterstof worden gebruikt om de vliegtuigmotoren van energie te voorzien. De enige uitstoot hierbij is waterdamp. Waterstof kan ook worden gebruikt om in een brandstofcel elektriciteit op te wekken voor aandrijving van de motoren.
Hoe kun je elektrisch vliegen?
De energie voor de elektromotoren is afkomstig uit oplaadbare batterijen.
Wat zijn de uitdagingen?
- SAF’s zijn duur, grondstoffen als vetten zijn relatief schaars en de productie van synthetische brandstof kost heel veel energie.
- Vliegtuigen op waterstof vereisen een uitgebreid herontwerp. Waterstof heeft meer opslagruimte nodig dan kerosine, en zware brandstoftanks met sterke isolatie. De tanks zouden te zwaar kunnen zijn om het vliegtuig te laten opstijgen.
- De batterijen van vandaag zijn te zwaar en inefficiënt; ze kunnen hooguit worden gebruikt om een klein vliegtuig enkele honderden kilometers te laten vliegen. Dezelfde afstand kan gemakkelijk worden afgelegd met een auto of een trein.
- Er moeten nieuwe normen worden ontwikkeld voor de certificering van duurzame luchtvaarttechnologie, aangezien deze nog volledig nieuw is.
Wanneer komen de eerste emissieloze vliegtuigen?
Sommige bedrijven beloven al in 2026 met de eerste kleinere commerciële vliegtuigen te komen. Deskundigen denken dat we echter tot 2030 of 2040 zullen moeten wachten voordat grote commerciële emissieloze vliegtuigen op de markt komen.
Waar staan we nu?
De auto-, trein- en scheepvaartbranche hebben al grote stappen gezet in de richting van een emissievrije mobiliteit, maar de luchtvaartsector blijft achter. Vliegtuigen zijn uiterst complex en hebben te maken met meer factoren dan andere manier van transport om betrouwbaar en veilig te zijn.
Momenteel is de luchtvaartsector goed voor 13,7 procent van alle CO2-uitstoot in het vervoer en ongeveer 3,8 procent van de totale emissies in Europa. Daar bovenop komt nog de uitstoot van andere broeikasgassen, zoals stikstofoxiden, waterdamp en sulfaat- en roetdeeltjes op grote hoogten. Ondertussen heeft nog steeds meer dan 80 procent van de wereldbevolking nog nooit gevlogen. De emissies worden dus veroorzaakt door een relatief kleine groep mensen die van een luxe genieten die slechts voor een klein deel van de wereldbevolking beschikbaar is. Tenzij we onze eigen vlieggewoonten willen beperken, of vluchtquota per persoon willen invoeren, moet er iets worden gedaan aan de duurzaamheid van vliegtuigen en de gebruikte brandstof.
De missie om het luchtvervoer groener te maken is echter verre van een nieuw concept. “Het eerste emissievrije vliegtuig werd al meer dan 30 jaar geleden gemaakt door een Russische vliegtuigbouwer. Het vloog op vloeibare waterstof en werkte vrij goed”, zegt Paul Peeters, hoogleraar duurzaam toerisme en vervoer aan de Hogeschool Breda. Maar het project stopte kort daarna als gevolg van de dalende olieprijzen. Daardoor werd kerosine als vliegtuigbrandstof veel goedkoper. Nu is de situatie heel anders. De olieprijzen zijn weer gestegen na de inval van Rusland in Oekraïne. Bedrijven zijn naarstig op zoek naar groene alternatieven.
Zowel luchtvaartmaatschappijen als individuele landen hebben maatregelen genomen om vliegen duurzamer te maken. Op bijna elke vlucht binnen Europa worden koolstofcompensaties toegepast. Maar hoewel de International Air Transport Association het omschrijft als een “onmiddellijke, directe en pragmatische” oplossing -althans op korte termijn- wordt koolstofcompensatie bekritiseerd omdat het geen directe milieuveranderingen teweegbrengt in de luchtvaartindustrie.
Iets wat wel voor verduurzaming zou kunnen zorgen is het gebruik van andere brandstoffen, zoals SAF’s Deze kerosinevervangers zijn gemaakt van vetten en duurzame grondstoffen met een chemische samenstelling die vergelijkbaar is met die van de traditionele kerosine. SAF’s kunnen de CO2-uitstoot met wel 80 procent verminderen en worden beschouwd als een goede alternatieve energiebron voor langeafstandsvluchten tot 7000 km. Maar SAF’s zijn duur en worden slechts in kleine hoeveelheden gebruikt. Op de Nederlandse luchthaven Schiphol voegt KLM 0,5 procent SAF toe aan al haar uitgaande vluchten. Bij lange na niet genoeg om een bijdrage van betekenis te leveren.
Verschillende Europese landen hebben al plannen gemaakt om het gebruik van SAF in het komende decennium op te voeren, hoewel er een beperking zou kunnen zijn aan de hoeveelheid die zij daadwerkelijk kunnen gebruiken.
“Als we alle brandstoffen zouden vervangen door synthetische brandstof, dan zouden we 20 tot 60 procent van alle hernieuwbare elektriciteit in de wereld nodig hebben om die te produceren. Dat is te veel voor een kleine economische sector als de luchtvaart”, zegt Paul Peeters. “Synthetische brandstoffen spelen een belangrijke rol, maar zijn niet het wondermiddel”.
Gelukkig zijn er nieuwe oplossingen op komst. Wetenschappers, onderzoekscentra en luchtvaartbedrijven zijn allemaal bezig om als eerste vluchten te introduceren met straalvliegtuigen op waterstof, elektrische vliegtuigen met brandstofcellen en elektrische vliegtuigen die op batterijen werken. Deze oplossingen hebben het grote voordeel dat zij bijna volledig emissievrij kunnen worden gemaakt. Zij zullen de wereld van de luchtvaart ingrijpend veranderen, maar de technologie is uiterst complex en vereist enorme veranderingen in het ontwerp van een vliegtuig.
Waterstof, oplossing voor de lange termijn
Bjørn Nagel is directeur bij het Duitse Centrum voor lucht- en ruimtevaart (DLR). Hij stelt dat waterstof de brandstof van de toekomst voor de luchtvaart, zowel in vloeibare vorm als voor gebruik in een brandstofcel. “We hebben instituten die werken aan de ontwikkeling van brandstofcellen. En we hebben instituten die zich bezighouden met zonnecellen die elektriciteit kunnen produceren om vervolgens waterstof te produceren,” zegt hij.
Een van de dingen die DLR samen met 54 andere onderzoeksinstituten onderzoekt, is hoe waterstof kan worden gebruikt in vliegtuigen. Bijvoorbeeld door energie te produceren via verbranding van vloeibare waterstof. De productie daarvan kost 20 procent minder energie dan die van synthetische kerosine. Anderzijds kan juist synthetische kerosine weer worden gebruikt in motoren die vergelijkbaar zijn met de huidige verbrandingsmotoren van vliegtuigen. Voor vloeibare waterstof is een nieuw soort motoren nodig.
“Of we kunnen brandstofcellen gebruiken om elektriciteit op te wekken, wat energie-efficiënter is dan verbranding”, zegt Nagel. Hoewel deze oplossing ook weer technische uitdagingen met zich meebrengt. “Waterstof heeft lage energiedichtheid. Als je het in een vliegtuig wilt gebruiken, heeft het alleen zin als je het in vloeibare toestand doet. Werken met zeer koude brandstoffen is technologisch gezien erg veeleisend.” In vloeibare toestand vereist waterstof vier keer zoveel opslagruimte als kerosine. Het moet ook nog eens worden opgeslagen onder hoge druk.
Bij de huidige toestellen wordt de brandstof opgeslagen in de vleugels, een ruimte die voor niets anders kan worden gebruikt. De platte vorm van een vliegtuigvleugel is echter niet ideaal voor de opslag van waterstof, dat bij zeer lage temperaturen opgeslagen moet worden.
“Een tank in de vorm van een grote bol zou de perfecte vorm zijn. Dit is niet zo gemakkelijk in te passen in een vliegtuig dat zeer aerodynamisch moet zijn. Je kunt misschien gewoon de romp oprekken en achter de passagiercabine een grote tank voor waterstof plaatsen. Een andere optie zou zijn om grote gondels onder de vleugels te hebben. Dus waar nu motoren zijn, zou een elektromotor komen, een brandstofcel, en dan ook nog een waterstoftank onder de vleugel”, zegt Nagel.
Lage temperaturen
Opslagruimte creëren is één ding, waterstof op de juiste temperatuur houden is een tweede. Terwijl kerosine bij 150-300 graden Celsius in gas verandert, heeft waterstof een kookpunt van -252,9 graden Celsius. De brandstoftanks moeten heel goed geïsoleerd zijn om de waterstof in vloeibare toestand te houden. Op dit moment zijn brandstoftanks met voldoende isolatie te zwaar om een standaardvliegtuig te laten opstijgen. Er moeten veel lichtere tanks worden ontworpen.
Maar er zijn nog meer uitdagingen. Hoe goed de isolatie ook is, er komt een punt waarop de temperatuur in de brandstoftank het kookpunt van waterstof bereikt. Wanneer de waterstof van vloeibaar in gasvorm overgaat, zet hij uit en ontstaat het risico dat de tank barst. Om dat te voorkomen moet het uit de tank gehaald worden. Eén manier om dit te doen is het vliegtuig van brandstof te voorzien kort voordat het opstijgt, en het van brandstof te ontdoen wanneer het naar de hangar wordt teruggebracht.
Een andere optie zou zijn één verbrandingsmotor te behouden die geoptimaliseerd is voor de verbranding van waterstof, terwijl een waterstof-brandstofcel de elektriciteit opwekt die nodig is voor de boordsystemen van het vliegtuig. Waterstofbrandstofcellen kunnen bijna alle emissies zowel van CO2 als van broeikasgassen elimineren, zolang de waterstof maar op duurzame wijze wordt geproduceerd. Momenteel is 95 procent van alle in Europa geproduceerde waterstof gebaseerd op fossiele energie, waarbij tijdens de productie grote hoeveelheden koolstof vrijkomen.
Bedrijven in heel Europa proberen hier wat aan te doen. Maar zelfs met groene waterstof stoten vliegtuigen nog altijd kleine hoeveelheden waterdamp uit, waardoor kunstmatige wolken ontstaan. Dit heeft op korte termijn een negatieve invloed op het klimaat, maar het probleem is heel gemakkelijk op te lossen.
“We vliegen meestal op een hoogte van 10 tot 11 kilometer. Als we dat met 2000 tot 3000 meter kunnen terugbrengen, dan vliegen we zo laag dat deze effecten uitblijven”, zegt Nagel. Ondanks de complexiteit ervan, zien verschillende luchtvaartmaatschappijen waterstof als brandstof van de toekomst. ZeroAvia wil de eerste zijn met een door waterstof aangedreven commerciële lijndienst tussen Londen en Rotterdam in 2024. Het vliegtuig biedt plaats aan 19 personen.
Ook Airbus, AeroDelft, en H2Fly willen duurzame vliegtuigen bouwen die waterstof voor de voortstuwing gebruiken, terwijl het door Clean Hydrogen JU geleide project HEAVEN tot doel heeft een op waterstof gebaseerde aandrijflijn te ontwikkelen voor bestaande vliegtuigen.
Elektrisch vliegen op batterijen
Heeft elektrisch vliegen toekomst? “Velen zijn sceptisch”, zegt Arne Martin Gilberg, CEO van Start Norge, een bedrijf dat zich inzet om in 2026 de eerste batterij-elektrische luchtvaartroute van Noorwegen tot stand te brengen. De eerste batterijaangedreven vlucht in Europa heeft al plaatsgevonden. In 2020 kreeg de Velis electro, een tweezitter van Pipistrel, als eerste volledig elektrisch toestel de certificering van het Europees Agentschap voor de veiligheid van de luchtvaart (EASA). Velis electro is een klein testvliegtuig met een bereik van 150 km. Klein vergeleken met commerciële vluchten, maar een stap in de goede richting. De bedrijven Heart Aerospace, Lilium, Vertical Aerospace en Eviation hebben al grote orders voor hun vliegtuigen gekregen.
Volgens Peeters zijn vliegtuigen op batterijen een oplossing voor luchttaxi’s en dergelijke. Niet voor grote vliegtuigen. Maar door gebruik te maken van brandstofcellen die met waterstof elektriciteit opwekken voor elektromotoren, kan het vliegbereik worden opgeschaald tot middellange afstanden en zelfs iets verder. Alleen zeer lange vluchten, zoals van Londen naar Sydney, zouden met dergelijke vliegtuigen moeilijk te realiseren zijn.
“De verbetering van batterijen is ongeveer vijf procent per jaar. De Pipistrel’s Velis electro heeft een bereik van iets meer dan 150 kilometer. Veel mensen rijden 150 kilometer om alleen maar op het vliegveld te komen. Dus op dit moment is het niet bruikbaar om lange afstanden te overbruggen. Als je een verbetering van 5 procent per jaar hebt, kun je een schatting maken van in welk jaar we welk bereik kunnen hebben. Ik denk dat het nog zo’n 20 jaar duurt voordat we iets hebben dat echt bruikbaar is en zin heeft voor een vliegtuig”, zegt Nagel.
Er zijn echter uitzonderingen op de regel. Batterij-elektrische vluchten kunnen nuttig zijn voor kortere afstanden voor bestemmingen die niet met een auto te bereiken zijn, zoals eilandhoppen. Deze alternatieven kunnen ook al over enkele jaren worden gerealiseerd. Volgens Gilberg is het haalbaar om al in 2026 een batterij-elektrische vliegroute tussen de twee Noorse steden Stavanger en Bergen op te zetten. Het gaat daarbij om een korte vlucht met een afstand van 160 km en plaats voor 9 tot 19 personen. Het kan een enorme verbetering betekenen ten opzichte van de huidige vluchten, of een vijf uur durende autorit tussen de fjorden die de twee steden scheiden.
Wanneer kunnen we duurzaam vliegen?
Verschillende bedrijven hebben aangekondigd mee te doen aan de race om als eerste emissievrije vluchten aan te bieden. Naast de reeds genoemde zijn dat AeroDelft, Widerøe, Volocopter en Wright Spirit. Widerøe, Electron Aviation en Wright Spirit hebben allemaal het plan om in 2026 te starten. Zoals gebruikelijk proberen sommige nog voor deze deadline vluchten aan te bieden. ZeroAviation werkt eraan om al vanaf 2024 elektrisch vliegen tussen Rotterdam en Londen mogelijk te maken.
“Je moet leren kruipen voor je kunt lopen”, zegt Gilberg over de toekomst van de elektrische luchtvaart. Maatschappijen mikken op ultrakorte reisroutes van slechts een paar honderd kilometer, voordat ze overgaan tot vliegen op korte of middellange afstand. Met uitzondering van Wright Spirit, mikken alle bedrijven op kleinere vliegtuigen voor een beperkt aantal personen. Het dekt misschien niet de meest vervuilende vliegroutes, maar het is een begin.
Over de lengte van de vlucht of het aantal passagiers is men het wel eens, maar onderzoekers denken dat we iets langer moeten wachten op emissievrije vliegreizen dan de maatschappijen suggereren. Nagel schat dat het eerste vliegtuig op waterstof pas in 2035 op de markt komt. “Het zal een uitdaging zijn, maar niet onmogelijk”, zegt hij. Commerciële elektrische vluchten zullen wat langer op zich laten wachten, en zullen waarschijnlijk in de jaren 2040 op de markt komen. Peeters verwacht ook dat het lang zal duren voordat elektrische luchtvaartmaatschappijen van de grond komen.
“Je moet eerst brandstofcelvliegtuigen ontwikkelen en certificeren en dan langzaam de oude vliegtuigen vervangen. Dat duurt 40 tot 50 jaar. Realistisch gezien kunnen in 2085 al die korteafstandsroutes elektrisch zijn. Voor de middellangeafstandsroutes langer dan 3000 km zullen de vluchten 5 tot 10 jaar later beschikbaar zijn, dus in 2090. Voor de langere afstanden zullen de vliegtuigen dan tegen het einde van deze eeuw klaar zijn”, voorspelt Peeters.
We weten niet hoe duur kerosine in de toekomst zal zijn, maar we weten wel dat duurzame luchtvaartalternatieven op dit moment duurder zijn dan de huidige vluchten op vliegtuigbrandstof. De verwachting is dat de kostenverhouding tussen de twee zal veranderen als de vraag naar groene alternatieven toeneemt. Maar met hoeveel, en met welke gevolgen, valt nog te bezien. Sommigen, zoals Nagel, denken dat de prijzen van vliegtickets zullen stijgen. Anderen, zoals Brendan van Schaik, oprichter van Falcon Electric Aviation en teamlid van ABC You Later, geloven dat ticketprijzen zullen dalen met elektrische luchtvaart. De toekomst zal het leren.
Maar eerst certificeren
Het ontwikkelen van technologie is één ding. Voordat het vliegtuig echter commercieel kan worden gebruikt, moet het de juiste certificering krijgen. Het EASA ontwikkelt momenteel een kader voor de regulering van elektrische en hybride aandrijving, en samen met MTU Aero Engineering willen zij een certificeringstraject voor waterstofbrandstofcellen ontwikkelen.
Volgens Gilberg kan het certificeringsproces voor de eerste emissievrije vliegtuigen langer duren dan dat voor conventionele vliegtuigen, omdat de technologie die op kwaliteit wordt gecontroleerd volledig nieuw is.
Hoewel het erop lijkt dat het nog lang zal duren en veel geld zal kosten voordat jij en ik in een duurzaam vliegtuig de wereld over kunnen vliegen, moet er nog veel gebeuren. Landen en bedrijven werken hard, en werken samen, om dit werkelijkheid te laten worden. Maar het is mooi dat er in de tussentijd alvast alternatieven zijn die vliegen met een verminderde emissie mogelijk maken.
Steun ons!
Innovation Origins is een onafhankelijk nieuwsplatform, dat een onconventioneel verdienmodel heeft. Wij worden gesponsord door bedrijven die onze missie steunen: het verhaal van innovatie verspreiden. Lees hier meer.
Op Innovation Origins kan je altijd gratis artikelen lezen. Dat willen we ook zo houden. Heb je nou zo erg genoten van de artikelen dat je ons een bedankje wil geven? Gebruik dan de donatie-knop hieronder:
