Schaalbaar Waterstofsysteem Maakt Emissievrije Vlucht Mogelijk

Mobiliteit is een cruciaal onderdeel van ons dagelijks leven, en de luchtvaart is een sleutelelement van dit vermogen om van de ene plaats naar de andere te reizen met snelheid.

Door mensen en goederen in enkele uren over vele mijlen te laten reizen, verbindt de luchtvaartindustrie mensen zoals geen ander vervoermiddel dat kan. Dit maakt het een belangrijke bijdrager aan de wereldwijde economie, goed voor 3,5% van het bruto binnenlands product (BBP) van de wereld.

De sector ondersteunt wereldwijd in totaal 86,5 miljoen banen, met een geschatte marktgrootte van de wereldwijde luchtvaartindustrie van meer dan $760 miljard.

Opmerkelijk is dat luchtvaartmaatschappijen wereldwijd naar verwachting ongeveer 9,5 miljard passagiers hebben vervoerd in 2024, wat een stijging van 104% ten opzichte van het niveau in 2019 en een groei van 9% ten opzichte van 2023 vertegenwoordigt, volgens ACI World. Naar verwachting zal deze groei sneller versnellen, met een wereldwijd passagiersverkeer van naar verwachting 19,5 miljard tegen 2042.

De luchtvaartindustrie breidt zich duidelijk uit, en de toekomst ziet er inderdaad rooskleurig uit. Dat gezegd hebbende, draagt het ook aanzienlijk bij aan de uitstoot van broeikasgassen (BKG).

Hoewel de luchtvaart slechts een relatief klein aandeel van de wereldwijde emissies uitmaakt, namelijk 2,5%, groeide het sneller dan spoor, weg of scheepvaart tussen 2000 en 2019. Deze toegenomen vraag naar internationaal reizen na de Covid-19-pandemie heeft er feitelijk toe geleid dat de emissies van de luchtvaart bijna 950 Mt CO2 bereikten.

Niet alleen groeien de emissies van de luchtvaart in een snel tempo, maar het is ook een van de moeilijkste sectoren om te decarboniseren, wat een kritieke milieu-uitdaging vormt.

Als gevolg hiervan richt de sector zich momenteel op het decarboniseren van haar operaties en het bereiken van het Net Zero-doel, dat inhoudt dat de CO2-emissies tot een niveau worden teruggebracht dat de natuur tegen 2050 kan absorberen.

Het Ontgrendelen van de Belofte van Waterstof voor Emissievrije Luchtvaart

Aangezien de luchtvaart een aanzienlijk deel bijdraagt aan de wereldwijde kooldioxide- en contrail-emissies, wordt het steeds belangrijker om geavanceerde en uitgebreide oplossingen te ontwikkelen die voldoen aan de klimaatdoelstellingen van de sector.

Een veelbelovende oplossing is waterstof, het lichtste en meest overvloedige chemische element in het universum, dat ongeveer 75% van alle gewone materie uitmaakt.

Dit chemische element is uitgegroeid tot een populair en waardevol instrument voor decarbonisatie dankzij de schone verbranding. Het is een schoon brandstof omdat het bij verbranding alleen waterdamp produceert als bijproduct.

Bovendien is de gravimetrische energiedichtheid, of de beschikbare energie per eenheid massa van een stof, van waterstof ongeveer 2,8 keer hoger dan die van conventionele vliegtuigbrandstof, kerosine. Waterstof heeft eigenlijk de hoogste gravimetrische energiedichtheid van alle bekende stoffen, namelijk ~120 kJ/g. Ter vergelijking heeft kerosine-gebaseerde vliegtuigbrandstof een energiedichtheid van 43 MJ/kg.

Echter, waterstof heeft een lage dichtheid onder normale omstandigheden, namelijk 0,08 kg/m³. Dit vormt grote opslaguitdagingen, vooral voor langeafstandsvluchten.

Een praktische alternatieve oplossing is het opslaan van het kleurloze, reukloze en smaakloze gas in vloeibare vorm bij 20 K. Deze vorm verhoogt de dichtheid van waterstof tot 휌퐿퐻2 = 70,8 kg/m³, wat zich heeft bewezen als een oplossing voor luchtvaarttoepassingen.

Bedrijven hebben ook verschillende aspecten van de integratie van vloeibare waterstof (LH2) in vliegtuigen onderzocht, waaronder thermisch beheer, drukregelmechanismen, isolatiestrategieën en het ontwerp van cryogene tanks.

Echter, een holistisch systeem dat LH2-opslag, thermisch beheer en overdrachtscontrole integreert in een vorm die schaalbaar is voor vliegtuigontwerp, is nog onderbelicht.

Dus heeft een team van onderzoekers van het FAMU-FSU College of Engineering, een gezamenlijke technische faculteit van Florida A&M University en Florida State University, een opslagsysteem en leveringssysteem voor vloeibare waterstof ontworpen dat de luchtvaartindustrie kan helpen haar nul-emissie doel te realiseren.

Met steun van NASA schetste de studie een schaalbaar, geïntegreerd systeem dat meerdere technische uitdagingen aanpakt door het gebruik van waterstof als schone brandstof mogelijk te maken. Het wordt ook gebruikt als ingebouwd koelmedium voor kritieke vermogenssystemen aan boord van elektrisch aangedreven vliegtuigen.

Het team toonde aan dat vloeibare waterstof efficiënt kan worden opgeslagen, veilig kan worden overgedragen en kan worden gebruikt om kritieke systemen aan boord te koelen, terwijl het de vermogensbehoeften van het vliegtuig tijdens start, cruise en landing ondersteunt.

“Ons doel was om een enkel systeem te creëren dat meerdere kritieke taken afhandelt: brandstofopslag, koeling en leveringscontrole. Dit ontwerp legt de basis voor real-world waterstofluchtvaartsystemen.”

Waterstof Hybride-Elektrisch Vliegtuig: Schaalbare Aandrijvingsoplossing

Gepubliceerd in Applied Energy¹, neemt de studie de taak op zich om de koolstof- en contrail-emissies van de luchtvaartindustrie, die belangrijke bijdragers aan klimaatverandering zijn, te verminderen door een innovatief ontwerp voor een systeem te voorstellen om vloeibare waterstof op te slaan, thermisch beheer te verzorgen en de overdracht te regelen, aangepast voor Integrated Zero Emission Aviation (IZEA).

De IZEA is een academisch-industriële samenwerking die tot doel heeft nul broeikasgasemissies te realiseren voor commerciële luchtvaart. Industriële partners omvatten Raytheon Technologies, Boeing en Advanced Magnet Laboratories.

In het bijzonder onderzoekt deze samenwerking hybride energieproductie via een combinatie van brandstofcellen en turbo-elektrische generatoren, waarbij waterstof wordt gebruikt met ofwel geconcentreerde zuurstof of omgevingslucht.

Het doel van IZEA is uit te zoeken hoe vloeibare waterstof als brandstof kan worden gebruikt en tegelijkertijd efficiëntie en vermogen kan verhogen zonder extra gewicht.

Zij selecteerden het FAMU-FSU College of Engineering om in eind 2022 te helpen bij de ontwikkeling van het duurzame luchtvaartsysteem, als onderdeel van een vijfjarig project van $10 miljoen.

Om de nationale agenda voor energiesystemen en commerciële vliegtuigaandrijving te vervullen en de schadelijke emissies van de luchtvaartindustrie te verminderen, zal het FAMU-FSU-team samenwerken met onderzoekers van de University of Kentucky, de University at Buffalo, Georgia Tech en industriële partners, zoals tweeënhalf jaar geleden door IZEA werd aangekondigd.

Nu heeft de samenwerking het gebrek aan een holistisch systeem aangepakt door een schaalbaar en uitgebreid waterstofgebaseerd voortstuwingssysteem voor toekomstige vliegtuigen te bouwen.

Het project begint met korte regionale vluchten om de kortetermijnhaalbaarheid van door vloeibare waterstof aangedreven luchtvaart te beoordelen. De focus ligt hier op een prototypevliegtuig met een blended wing body-configuratie, dat 100 passagiers kan vervoeren.

Het hybride-elektrische vliegtuig haalt vermogen uit zowel waterstofbrandstofcellen als hogetemperatuur-supergeleidend (HTS) elektrische generatoren, die worden aangedreven door verbrandingsturbines die op waterstof werken.

Brandstofcellen bieden een oplossing om NOx-emissies en contrails te vermijden, vandaar dat organisaties zoals Airbus en CHEETA ook onderzoek doen naar door brandstofcellen aangedreven vliegtuigen. Het probleem met de huidige stapels brandstofcellen is echter dat ze extreem omvangrijk zijn, waardoor het moeilijk is om een groot vliegtuig gedurende alle fasen van de vlucht van stroom te voorzien, met name tijdens het opstijgen. Als oplossing voor dit probleem introduceerde het team de dubbele energiebron.

Brandstofcellen worden gebruikt tijdens lage-belastingsomstandigheden, zoals taxiën en cruisen, met een maximaal vermogen van ongeveer 6,8 MW. Ondertussen leveren door waterstofturbines aangedreven supergeleidende generatoren de extra kracht (9,4 MW) die nodig is tijdens het opstijgen. Deze combinatie brengt het totale vermogen op een piek van 16,2 MW en verbetert de veerkracht door stroomredundantie te bieden.

Om de dichtheidsuitdaging aan te pakken, aangezien waterstof minder dicht is en daardoor veel ruimte inneemt tenzij het wordt opgeslagen bij -253°C als een superkoude vloeistof, hebben de onderzoekers cryogene tanks en de bijbehorende subsystemen ontworpen met behulp van een nieuwe gravimetrische index.

De index is de verhouding van de brandstofmassa tot het volledige brandstofsysteem, maar de index van het team omvat de massa van de waterstofbrandstof, de tankstructuur, warmtewisselaars, isolatie, werkvloeistoffen en circulerende apparaten.

Om de configuratie te vinden die de maximale brandstofmassa ten opzichte van de totale systeemmassa oplevert, bleven de onderzoekers de belangrijkste parameters zoals ventilatiedruk en afmetingen van warmtewisselaars aanpassen totdat ze de optimale configuratie vonden.

De ideale lay-out bereikte een gravimetrische index van 0,62. Dit betekent dat 62% van het totale gewicht van het systeem bruikbare waterstofbrandstof is, wat een aanzienlijke verbetering is ten opzichte van conventionele ontwerpen.

Voor thermisch beheer, de andere belangrijke functie van het systeem, installeerden de onderzoekers geen afzonderlijk koelsysteem, maar leidden ze de extreem koude waterstof via warmtewisselaars. Deze wisselaars, gerangschikt in een gefaseerde volgorde, verwijderen de verspilde warmte van componenten zoals kabels, motoren, supergeleidende generatoren en vermogenselektronica. Het absorberen van deze warmte verhoogt geleidelijk de temperatuur van de waterstof.

Optimalisatie van Waterstoflevering & Thermisch Beheer tijdens de Vlucht

Bij het leveren van vloeibare waterstof door het hele vliegtuig ontstaan eigen uitdagingen. Bijvoorbeeld, pompen voegen niet alleen extra gewicht toe, maar ook complexiteit aan het systeem en kunnen ongewenste warmte veroorzaken onder cryogene omstandigheden.

Om deze uitdagingen te overwinnen, ontwikkelde het team een pompvrij systeem dat de tankdruk gebruikt om de stroom van waterstofbrandstof te regelen.

De druk wordt verhoogd door waterstofgas uit een gewone hogedrukkraan te injecteren en verlaagd door waterstofdamp te ventileren. Voor realtime aanpassing van de druk verbindt een terugkoppelingslus druksensoren met de vermogensbehoeften van het vliegtuig, waardoor de nauwkeurige stroom van waterstof gedurende alle vluchtfasen wordt gegarandeerd.

Het systeem kan volgens de simulaties waterstof leveren met een snelheid tot 0,25 kilogram per seconde. Deze leveringssnelheid is voldoende om te voldoen aan de elektrische vraag van 16,2 megawatt tijdens het opstijgen of in geval van een noodsituatie waarbij het vliegtuig moet gaan draaien.

Met warmtewisselaars georganiseerd in een opeenvolgende volgorde, koelt het waterstofgas eerst componenten die op cryogene temperaturen werken, zoals kabels en HTS-generatoren. Vervolgens absorbeert het warmte van componenten met hogere temperaturen, zoals motoren en vermogenselektronica. Ten slotte, voordat waterstof de brandstofcellen bereikt, wordt het voorverwarmd om te voldoen aan de optimale omstandigheden van de brandstofcelinlaat.

Het is deze gefaseerde thermische integratie die het mogelijk maakt vloeibare waterstof zowel als brandstof als koelmiddel te gebruiken, waardoor de efficiëntie van het systeem wordt gemaximaliseerd en de complexiteit van de hardware wordt geminimaliseerd.

“Vroeger wisten mensen niet zeker hoe ze vloeibare waterstof effectief in een vliegtuig konden verplaatsen en of je het ook kon gebruiken om het vermogenssysteemonderdeel te koelen. Niet alleen hebben we aangetoond dat het haalbaar is, maar we hebben ook laten zien dat een systeemniveau-optimalisatie nodig is voor dit type ontwerp.”

– Guo

De focus van deze studie lag op ontwerpoptimalisatie en systeem simulatie. In de volgende stap zullen onderzoekers experimentele validatie uitvoeren. Hiervoor zal het team een prototypesysteem bouwen en vervolgens tests uitvoeren bij het Center for Advanced Power Systems van FSU.

In hun toekomstige werk zullen de onderzoekers zich ook richten op het ontwerp van de warmtewisselaars, die aanwezig zijn in elke circulatielus en warmte van de componenten naar de werkvloeistof overdragen. De huidige studie mist gedetailleerde specificaties voor het materiaal, de grootte en de thermische eigenschappen van deze componenten.

Innovatieve strategieën voor thermisch beheer zullen ook de focus zijn om de brandstofcelstapels te koelen en de aanzienlijke warmteproductie tijdens de werking aan te pakken. Deze vooruitgangen, merkte de studie op, zijn cruciaal voor het verfijnen van de algehele thermische beheerarchitectuur en het waarborgen van de praktische implementatie van nul-emissie luchtvaarttechnologieën.

Investeren in Waterstof-aangedreven Luchtvaarttechnologieën

Als het gaat om investeren in de luchtvaartsector, biedt RTX (RTX ) een hoogpotentieel kans. Het grootste lucht- en defensiebedrijf ter wereld is een kernpartner in de IZEA-samenwerking. Het heeft ook uitgebreide R&D-programma’s gericht op duurzame luchtvaarttechnologieën, waaronder brandstofcel- en waterstof-aangedreven systemen.

RTX Corp. (RTX ) 

RTX opereert via drie hoofdsegmenten:

• Collins Aerospace levert technologisch geavanceerde lucht- en defensieproducten aan commerciële luchtvaartmaatschappijen, civiele en militaire vliegtuigfabrikanten, en ruimteoperaties.
• Pratt & Whitney levert vliegtuigmotoren aan militaire, algemene en commerciële klanten.
• Raytheon ontwikkelt raketten, slimme wapens en geavanceerde lucht- en raketverdedigingscapaciteiten.

Via de divisies Collins Aerospace en Pratt & Whitney is RTX actief betrokken bij de ontwikkeling en het testen van waterstof-aangedreven vliegtuigen en gerelateerde technologieën.

Dit omvat het HySIITE-programma, dat werkt aan het mogelijk maken van grootschalig gebruik van waterstof in de luchtvaartindustrie. Gesponsord door de DOE’s Advanced Research Projects Agency-Energy, is het project geoptimaliseerd voor vloeibare waterstof en wordt afgerond in december 2024. De HySIITE-testopstellingen toonden een vermindering van 99,3% in NOx vergeleken met een GTF-motor en een verbetering van tot 35% in energie‑efficiëntie.

Tegelijkertijd lopen twee andere projecten door om de toekomst van waterstof in de luchtvaart te stimuleren. De Hydrogen Advanced Engine Study (HyADES), ondersteund door Canada’s gezamenlijke industrie‑overheidsinitiatief INSAT, werkt aan de vooruitgang van waterstofgebruik voor turbopropvliegtuigen. COCOLIH2T wordt ondertussen ondersteund door de EU’s Clean Hydrogen Joint Undertaking en ontwikkelt een manier om brandstof op te slaan.

Als het gaat om de marktprestaties van Raytheon, zijn de aandelen sterk gestegen. De aandelen van het bedrijf, met een marktkapitalisatie van $183,64 miljard op het moment van schrijven, worden verhandeld boven $137,50, een nieuw recordhoogte (ATH) en vertegenwoordigen een jaar‑tot‑datum (YTD) winst van 18,7%.

Er is de afgelopen drie decennia een constante groei geweest voor RTX-aandelen. De aandelen zijn ook ongeveer 21% gestegen sinds de dieptepunten in april. Daarbij is de EPS (TTM) 3,41 en de P/E (TTM) 40,31. Raytheon biedt bovendien een aantrekkelijk dividendrendement van 1,98%.

Wat de bedrijfsfinanciën betreft, meldde een sterke prestatie in het eerste kwartaal van 2025 met een omzetstijging van 5% ten opzichte van het voorgaande jaar tot $20,3 miljard en een aangepaste EPS van $1,47. De operationele kasstroom van Raytheon in deze periode bedroeg $1,3 miljard, en de vrije kasstroom $0,8 miljard, terwijl de orderportefeuille $217 miljard bedraagt, inclusief $92 miljard in defensie en $125 miljard in commercieel.

“We zijn sterk begonnen aan 2025. De huidige omgeving is duidelijk zeer dynamisch, maar ons bedrijf is goed gepositioneerd om operationeel te presteren en onze teams blijven gefocust op het uitvoeren van onze verplichtingen en het leveren van onze robuuste orderportefeuille.”

– RTX President en CEO Chris Calio

Voor het volledige jaar 2025 projecteert het bedrijf aangepaste verkopen tussen $83‑$84,0 miljard, een aangepaste EPS tussen $6,00 en $6,15, en een vrije kasstroom van $7‑$7,5 miljard, terwijl wordt opgemerkt dat deze schattingen geen rekening houden met de impact van recent ingevoerde tarieven.

Midden in dit alles kreeg het bedrijf deze week een contract van $536 miljoen van de Amerikaanse marine voor de SPY-6-familie van radars, die nu op twee van hun schepen zijn geïnstalleerd, met nog drie klaar voor installatie. In het komende decennium zullen radars op meer dan 60 schepen van de Amerikaanse marine worden ingezet.

Als onderdeel van het contract zal Raytheon voortdurende ondersteuning bieden via training, installatie, integratie en testen, naast software‑upgrades om de radarcapaciteiten te verbeteren.

“SPY-6 is de meest geavanceerde radar in de Amerikaanse vloot, die schepen een nieuw niveau van verdediging biedt tegen evoluerende bedreigingen.”

– Barbara Borgonovi, president van Naval Power bij Raytheon.

De 13e AN/TPY-2 raketverdedelingsradar is ook geleverd aan de U.S. Missile Defense Agency, en markeert de eerste eenheid met een volledig op GaN gebaseerde array, wat de gevoeligheid en prestaties van het systeem aanzienlijk verbetert.

Een contract van $1,1 miljard is ook door het bedrijf veiliggesteld voor de productie en levering van AIM-9X Sidewinder-raketten. Met deze toekenning blijft Raytheon langdurige ondersteuning bieden aan het Sidewinder-programma, een wereldwijd veelgebruikt kortafstands raketsysteem.

Click here for a list of top aerospace & defence stocks.

Laatste RTX Corp. (RTX) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Slotgedachten: De Rol van Waterstof in Duurzame Luchtvaart

De luchtvaartsector groeit snel en draagt bij aan de wereldwijde economische en sociale ontwikkeling, maar tegelijkertijd creëert het een dringende noodzaak om het probleem van koolstof- en contrail-emissies aan te pakken. Hier is waterstof, met zijn hoge specifieke chemische energie, naar voren gekomen als een veelbelovend alternatief voor schone brandstof.

Met dat in gedachten presenteert de nieuwste studie een uitgebreid kader voor het ontwerpen en optimaliseren van een opslagsysteem voor vloeibare waterstof, thermisch beheer en overdrachtscontrole, waarmee het potentieel wordt aangetoond om efficiënte en duurzame luchtvaarttechnologieën te bevorderen.

Door gebruik te maken van de positieve impact van waterstof op klimaatverandering en luchtkwaliteit, heeft de luchtvaartindustrie nu een haalbaar pad om haar ecologische voetafdruk te verkleinen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een toekomst waarin langeafstandsvluchten niet langer ten koste gaan van de planeet.

Click here for the latest aerospace innovations paving the way for next-gen flight.

Studies Gerefereerd:

^{1. Virdi, P. S., Guo, W., Cattafesta, L. N. III, Cheetham, P., Cooley, L., Gladin, J. C., He, J., Kim, C., Li, H., Ordonez, J., Pamidi, S., & Zheng, J.-P. (2025). Opslag van vloeibare waterstof, thermisch beheer en overdrachtscontrolesysteem voor geïntegreerde nul‑emissie luchtvaart (IZEA). Applied Energy, 355, 126054. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.126054}