Universal Hydrogen gebruikt voorgevormde tanks van droog gevlochten koolstof als onderdeel van een plan om de luchtvaart koolstofarm te maken

Paul Eremenko, voormalig Chief Technology Officer van Airbus SE (Leiden, Nederland) en United Technologies Corp. (Farmington, Conn., VS), is medeoprichter van Universal Hydrogen (Los Angeles, Californië, VS) om de infrastructuur te leveren die nodig is voor waterstof aangedreven luchtvaart. Vliegreizen zijn verantwoordelijk voor ongeveer 2,5% van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen. Airbus en de Franse regering hebben plannen aangekondigd om dit aan te pakken door de ontwikkeling van het eerste koolstofarme commerciële vliegtuig dat in 2035 in gebruik zal worden genomen. Airbus heeft drie voorlopige vliegtuigontwerpen aangekondigd, allemaal gebaseerd op voortstuwing op waterstof.

"De belangrijkste uitdaging is volgens ons de infrastructuur", zegt Universal Hydrogen CTO, J.P. Clarke. “In plaats van de tijd en kosten om pijpleidingen en gespecialiseerde waterstoftransportsystemen te bouwen, willen we de bestaande infrastructuur voor gecontaineriseerd vrachtvervoer gebruiken in combinatie met nieuwe, efficiënte technologie om een ​​oplossing met lage kapitaalinvesteringen te bieden. Onze modules met twee capsules zorgen voor eenvoudig vullen, transporteren en laden in het vliegtuig en zijn veel lichter dan batterijen. Deze aanpak is ook schaalbaar. Naarmate de vraag groeit, groeit ook het leveringsnetwerk, waardoor simpelweg het aantal modules in omloop wordt verhoogd, maar met een lage toetredingsdrempel.”

Conversie van turbopropvliegtuigen

Het bedrijf is van plan om de markt een kickstart te geven door ATR en Dash 8 twin-turboprop regionale vliegtuigen om te bouwen naar waterstof-brandstofcelvoortstuwing. De module met twee capsules die voor deze vliegtuigen is ontwikkeld, maakt gebruik van cilinders van 850 bar die zijn gemaakt met een meerlagige, voor het gewicht geoptimaliseerde, continue koolstofgevlochten voorvorm over een membraan met lage permeabiliteit voor opslag onder hoge druk van waterstofgas; of twee metalen tanks, geïsoleerd maar niet actief gekoeld, om vloeibare waterstof te transporteren. De modules zijn gedimensioneerd om 400 zeemijlen bereik te bieden met gas onder hoge druk en 550 zeemijlen met vloeibare waterstof.

Maximaal drie modules zullen via de servicedeur in de achterste romp van de vliegtuigen worden geladen, iets verbreed als onderdeel van de wijziging van het aanvullend typecertificaat (STC). De waterstof zal buiten de romp in de gondels worden gepompt, waarbij elk de turbopropmotor wordt vervangen door een brandstofcelstapel van 2 megawatt die een elektromotor voor de propeller aandrijft, plus een kleinere motor voor hulpvermogen. De brandstofcellen gebruiken de waterstof als brandstof en stoten alleen waterdamp uit, die wordt verzameld en gedumpt bij vliegomstandigheden wanneer er geen contrails worden geproduceerd met een minimale impact op het milieu. Een thermisch beheersysteem met een radiator op de gondel zal de brandstofcel en de motor koelen.

De retrofit is ontworpen om de prestaties van het vliegtuig te behouden met het bovengenoemde bereik op basis van gas of vloeibare brandstof, maar vereist wel het verliezen van twee rijen stoelen om plaats te bieden aan de modules met twee tanks. De achterste kombuis gaat ook naar voren, waardoor twee extra stoelen verloren gaan, voor een totale capaciteitsvermindering van 40 passagiers. Desondanks schat Universal Hydrogen dat de bedrijfseconomie ruwweg ongewijzigd blijft in termen van kosten per beschikbare stoelmijl.

Hoewel waterstof momenteel duurder is dan vliegtuigbrandstof, zullen de kosten naar verwachting dalen naarmate de aangekondigde en geplande aanzienlijke productieverhogingen online komen. Eremenko schat ook een verbetering van ten minste 25% in onderhouds- en revisiekosten voor een brandstofcel-elektrische aandrijflijn versus een verbrandingsmotor.

Bedrijfsmodel, tijdschema en partners

Universal Hydrogen is van plan waterstofbrandstofmodules en een retrofitkit aan te bieden voor het ombouwen van Dash 8- en ATR-vliegtuigen, met als doel een ingebruikname in 2024. Eremenko heeft beschreven dat hij de conversie naar waterstof voor regionale luchtvaartmaatschappijen subsidieert, in wezen het aanbieden van "een goedkope tot gratis conversie" in ruil voor een langetermijncontract voor waterstofbrandstof.

Na deze eerste fase wil het bedrijf zijn conversieplannen vrijgeven als een open-sourceontwerp dat kan worden aangepast door ontwikkelaars van kleinere vliegtuigen, van stedelijke luchtmobiliteit tot de markt voor forensenvliegtuigen. Het bedrijf is van plan om samen te werken met OEM's van regionale en grotere transportcasco's, van ATR en De Havilland Canada tot Boeing en Airbus, om de risico's voor de keuze voor waterstof te verkleinen.

Universal Hydrogen vordert naar een definitief ontwerp en verwacht tegen 2021 een demonstratie van de aandrijflijn en brandstofmodules klaar te hebben. Experimentele vliegtesten zullen volgen en vervolgens certificering. Tegelijkertijd zal het bedrijf zijn waterstoflogistieknetwerk verder ontwikkelen en een productiesysteem voor de brandstofmodules ontwikkelen. Tot nu toe is het door zijn oprichters en partners zelf gefinancierd voor een bedrag van ongeveer $ 5 miljoen. Er wordt geschat dat er ongeveer $ 300 miljoen nodig zal zijn om de eerste inkomsten te behalen.

Hoewel Universal Hydrogen zich zal concentreren op het aandrijven van vliegtuigen via waterstofbrandstofcellen, kunnen dezelfde brandstofmodules ook worden gebruikt om vliegtuigen aan te drijven die waterstof verbranden in gemodificeerde straalmotoren. Het bedrijf dat zich richt op middellange afstandsvliegtuigen met één gangpad omvat de overgrote meerderheid van de vluchten wereldwijd en biedt een enorm marktpotentieel, zegt Tom Enders, voormalig CEO van Airbus, die de startup adviseert.