Universal Hydrogen lanceert droge gevlochten koolstof preform tanks voor versnelling luchtvaartdecarbonisatie

Foto: Universal Hydrogen

Paul Eremenko, voormalig chief technology officer voor Airbus SE (Leiden, Nederland) en United Technologies Corp. (Farmington, Connecticut, VS), heeft Universal Hydrogen (Los Angeles, Californië, VS) opgericht om de infrastructuur te leveren die nodig is voor waterstof-aangedreven luchtvaart. Luchtvaart is verantwoordelijk voor ongeveer 2,5% van de wereldwijde broeikasgasuitstoot. Airbus en de Franse overheid hebben plannen aangekondigd om dit aan te pakken door het ontwikkelen van het eerste gedecarboniseerde commercieel vliegtuig dat in 2035 in dienst moet treden. Airbus heeft drie voorlopige vliegtuigontwerpen aangekondigd, allemaal gebaseerd op waterstof-aangedreven voortstuwing.

"De kernuitdaging, naar ons oordeel, is 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 gecontaineriseerde vrachttransportinfrastructuur benutten gecombineerd met nieuwe, efficiënte technologie om een oplossing met lage kapitaalinvestering te bieden. Onze tweecapsule modules maken eenvoudig vullen, transport en laden op het vliegtuig mogelijk en zijn veel lichter dan batterijen. Deze aanpak is ook schaalbaar. Naarmate de vraag groeit, groeit het leveringsnetwerk mee, simpelweg door het aantal modules in circulatie te verhogen, maar met een lage instapdrempel."

Turboprop-vliegtuig conversie

Het bedrijf wil de markt opgang geven door ATR en Dash 8 tweemotorige turboprop regionale vliegtuigen om te zetten naar waterstof-brandstofcel-aandrijving. De tweecapsule module die voor deze vliegtuigen is ontwikkeld, gebruikt 850-bar cilinders gemaakt met een multi-laags, gewichtsgeoptimaliseerd, continu koolstof gevlochten preform over een lage permeabiliteit membraan voor hoogdrukopslag van waterstofgas; of twee metalen tanks, geïsoleerd maar niet actief gekoeld, om vloeibare waterstof te transporteren. De modules zijn afgemaat om 400 zeemijl bereik te bieden met hoogdrukgas en 550 zeemijl met vloeibare waterstof.

Maximaal drie modules worden in de achterste romphoofd van de vliegtuigen geladen via de servicedeur, iets verbreed als onderdeel van de supplemental type certificate (STC) wijziging. De waterstof wordt extern langs de romphoofd naar de gondels geleid, waarbij elke turbopropmotor wordt vervangen door een 2-megawatt brandstofcelstapel die een electromotor voor de propeller aandrijft plus een kleinere motor voor auxiliaire stroom. De brandstofcellen gebruiken waterstof als brandstof en emiten alleen watervapor, wat wordt verzameld en gedumpt op vluchtcondities wanneer geen condensstrepen ontstaan voor minimaal milieu-impact. Een thermisch beheersysteem inclusief een radiator op de gondel koelt de brandstofcel en motor.

De retrofit is ontworpen om de vliegtuigprestaties te behouden met het bovengenoemde bereik op basis van gas of vloeibare brandstof, maar vereist het opofferen van twee rijen stoelen om de tweetankmodules onder te brengen. De achterkeuken verplaatst ook naar voren, met verlies van twee extra zitplaatsen, voor een totale capaciteitsvermindering van 40 passagiers. Ondanks dit schat Universal Hydrogen de exploitatiekosten ruwweg onveranderd in termen van kosten per beschikbare zitplaats-mijl.

Hoewel waterstof momenteel duurder is dan vliegtuigbrandstof, wordt verwacht dat de kosten dalen naarmate de aangekondigde en geplande productiestoename online komt. Eremenko schat ook ten minste 25% verbetering in onderhouds- en revisiekosten voor een brandstofcel-elektrische aandrijving ten opzichte van een verbrandingsmotor.

Businessmodel, tijdlijn en partners

Universal Hydrogen plannet waterstofbrandstofmodules en een retrofit-kit voor het converteren van Dash 8 en ATR vliegtuigen aan te bieden, met als doel een intreding in dienst in 2024. Eremenko heeft beschreven dat de conversie naar waterstof voor regionale vervoerders gesubsidieerd wordt, essentieel biedend "een laag-tot-geen-kosten conversie" in ruil voor een langetermijn waterstofbrandstofcontract.

Na deze initiële fase wil het bedrijf zijn conversieplannen vrijgeven als open-source ontwerp dat aangepast kan worden door ontwikkelaars van kleinere vliegtuigen, van urban air mobility tot commuter vliegtuigen. Het bedrijf plannet samen te werken met OEM's van regionale en grotere transportvliegtuigen, van ATR en De Havilland Canada, tot Boeing en Airbus, met het oog op de-risking van de keuze voor waterstof.

Universal Hydrogen werkt aan een gefinaliseerd ontwerp en verwacht in 2021 een demonstratie van de aandrijving en brandstofmodules klaar te hebben. Experimentele vluchttesten zullen volgen en daarna certificering. Parallel zal het bedrijf zijn waterstoflogistieknetwerk verrijpen en een productiesysteem voor de brandstofmodules ontwikkelen. Tot nu toe is het zelfgefinancierd door oprichters en partners voor ongeveer $5 miljoen. Het schat dat ongeveer $300 miljoen nodig zal zijn om de eerste opbrengsten te bereiken.

Hoewel Universal Hydrogen zich richt op het aandrijven van vliegtuigen via waterstofbrandstofcellen, kunnen dezelfde brandstofmodules ook gebruikt worden om vliegtuigen aan te drijven die waterstof verbranden in aangepaste straalmotoren. Het doelwit van middelgrote, single-aisle vliegtuigen omvat de grote meerderheid van vluchten wereldwijd en biedt een enorm marktpotentieel, aldus voormalig Airbus CEO Tom Enders, die de start-up adviseert.