NLR: “Waterstofdrone is een opmaat naar emissievrije luchtvaart”

Vorig jaar maakte Koninklijke NLR een eerste testvlucht met een door waterstof aangedreven drone, de HYDRA. In potentie biedt waterstof een langere vliegtijd dan met accu’s mogelijk is. Dat brengt interessante nieuwe mogelijkheden met zich mee. Maar daar houden de ambities van NLR niet op: het einddoel is om in 2070 volledig emissievrije luchtvaart te realiseren, en mogelijk speelt waterstof daar een rol in. We spraken erover met Jasper van der Vorst, Senior R&D Engineer bij NLR.

In september 2019 heeft NLR voor het eerst een waterstofaangedreven drone laten vliegen. Wat was dat voor drone? Wat is de maximale theoretische aaneengesloten vliegtijd? En wat is de payloadcapaciteit?

“De basis van deze experimentele waterstofdrone wordt gevormd door een hexacopter, die we zelf hebben geassembleerd op basis van standaard verkrijgbare onderdelen, zoals frame, motoren, propellers en een Pixhawk controller. De maximale startmassa van het systeem is 12 kg, maar in de configuratie zoals we er de eerste keer mee vlogen woog de drone 8 kg.

De eerste versie van de drone had één waterstoftank aan boord, met een capaciteit van 2 liter. Daarmee halen we een vliegtijd van bijna 40 minuten. Voor de omzetting van waterstof naar elektriciteit heeft de drone een brandstofcel van Intelligent Energy aan boord met een vermogen van 800 W. In die brandstofcel reageert de waterstof met zuurstof uit de lucht. Dat levert elektriciteit op, met water als restproduct.

Een toekomstige versie van de drone zal worden voorzien van een grotere waterstoftank, van 7 liter. Om voldoende vermogen te kunnen ontwikkelen worden er dan twee brandstofcellen gemonteerd. Daarmee zou het mogelijk moeten zijn om een payload van ca. 0,5 tot 1 kg gedurende 60 tot 90 minuten de lucht in te brengen.

De uitdaging bij de ontwikkeling van een waterstofaangedreven drone is om een balans te vinden tussen tankcapaciteit, elektrisch vermogen en gewicht.”

Wat is het voordeel van vliegen op waterstof cq. van waterstof als energiedrager in het algemeen? En wat zijn de eventuele nadelen?

“Het probleem met elektrische aandrijving is dat je niet zomaar accu’s kunt blijven toevoegen aan een systeem, in verband met de gewichtstoename. Daarnaast gaat de ontwikkeling van accu’s niet zo snel. Om een Airbus A380 elektrisch te laten vliegen zou je 35.000 Tesla accu’s nodig hebben, om de benodigde 3 GWh te kunnen leveren. Daarmee zou het totaalgewicht van het vliegtuig met een factor 34 toenemen. Dat is dus geen optie.

Om een Airbus A380 elektrisch te laten vliegen zou je 35.000 Tesla accu’s nodig hebben.

Waterstof is interessant omdat het een hogere energiedichtheid per kilogram heeft dan accu’s. Daar staat tegenover dat het een lagere energiedichtheid per liter heeft vergeleken met kerosine, waardoor grotere en zwaardere tanks nodig zijn. We denken daarom dat waterstof het gat gaat vullen tussen kleine batterij-aangedreven drones en grote vliegtuigen die op traditionele brandstof vliegen.

Een ander probleem is vooral dat de techniek en de veiligheidsmaatregelen rondom waterstof een stuk complexer zijn dan bij het vliegen op batterijen. Het vergt veel expertise en is duurder. Om een voorbeeld te geven: ook al heb je maar een klein tankje op een drone gemonteerd, na het vullen van de tank mag je vanwege veiligheidsredenen nergens meer naar binnen. Je moet de drone dus afvullen op de locatie waar er gevlogen gaat worden. Er gelden ook strenge regels voor het transport van waterstof, de opslagtanks worden beschouwd als gevaarlijke goederen en je kunt dus niet zomaar een tank mee op pad nemen.”

Voor wat voor toepassingen zou de waterstofdrone zich met name lenen?

“Waterstof is interessant als je langdurig en ver wilt vliegen met een drone. Als het even kan zou ik aanraden om gewoon met accu’s te blijven werken, die technologie is gewoon eenvoudiger. Dus als de operatie toestaat dat je tussentijds van accu kunt wisselen, dan moet je dat gewoon doen. Maar in sommige gevallen is dat geen optie: denk aan surveillance boven zee, of het inspecteren van lange pijpleidingen en hoogspanningslijnen.

Voor NLR is het ontwikkelen van dergelijke toepassingen overigens niet het voornaamste doel: onze use case is vooral dat we ervaring opdoen met het werken met en vliegen op waterstof.”

Welke technologische en procedurele uitdagingen komen er kijken bij het laten vliegen van een drone op waterstof?

Een aantal componenten van de HYDRA waterstofdrone

“We zijn eerst begonnen met het goed uitpluizen van de Regeling op afstand bestuurde luchtvaartuigen. Wat moeten we doen om met een waterstofdrone te mogen vliegen? Uiteindelijk bood de wetgeving toch mogelijkheden om op waterstof te vliegen, dankzij de vrij algemene terminologie voor wat betreft de aandrijflijn.

We hebben wel een explosieveiligheidsanalyse uitgevoerd conform de ATEX richtlijn, als onderdeel van de operationele veiligheidsanalyse. De drone heeft weliswaar geen speciaal bewijs van luchtwaardigheid, maar dat is ook niet nodig onder het NLR ROC omdat we de testvluchten boven ons eigen testterrein bij het NLR Drone Centre in Marknesse uitvoeren.

We moesten wel een aantal mitigerende maatregelen nemen. Zo konden we niet hoger vliegen dan 3 meter, aangezien de waterstoftank niet gegarandeerd is voor een val van meer dan die hoogte. Verder moesten we voor- en achteraf lektesten uitvoeren, en moest de drone voorzien zijn van een voorziening om de waterstoftoevoer op afstand uit te kunnen schakelen.”

Met welke partijen werkt NLR samen als het gaat om deze techniek? Wat is ieders inbreng?

“Onze focus ligt qua samenwerking vooral op Nederland. Zo werken we samen met Dronehub GAE in Groningen: die kijken vooral naar de commerciële toepassingen van waterstofdrones. Voor het maken van testvluchten kunnen ze terecht bij het NLR Drone Centre in Marknesse. Daarbij kunnen we van elkaars kennis profiteren. De volgende stap is om het toestel te laten keuren om tot een s-BvL te komen. Als het gaat om eindgebruikers: de Marine is bezig met de ontwikkeling van een waterstofdrone voor vluchten boven zee.

Wereldwijd zijn er veel partijen bezig met vliegen op waterstof. Je zou kunnen zeggen dat er een wedloop gaande is, van wie de langste vliegtijd neer kan zetten. Maar ons doel is niet om de strijd aan te gaan en het record qua onafgebroken vliegduur te verbeteren. We staan juist open voor samenwerking, want als we over 50 jaar emissievrij willen vliegen, dan moet er echt veel gebeuren op dit vlak. Samenwerking is daarbij essentieel.”

Hoe ziet de roadmap wat betreft vliegen op waterstof eruit? Wat is de stip op de horizon?

“De stip op de horizon is om de luchtvaart in 2070 volledig emissievrij te maken. Een oplossingsrichting is elektrisch vliegen in het algemeen en vliegen op waterstof in het bijzonder.

Om het risico zowel technisch als projectmatig beheersbaar te houden beginnen we klein. De waterstofdrone waarmee we vorig jaar hebben gevlogen is slechts een eerste stap. Dit jaar willen we gaan vliegen met een grotere tank, met een inhoud van 7 liter. Daarna willen we gaan kijken of we een hybride eVTOL (deels fixed wing, deels multirotor) met een massa van 20 kg kunnen laten vliegen op waterstof. De uitdaging is daarbij vooral om de tanks te verwerken in het ontwerp.

Ook willen we grondtesten gaan uitvoeren met een cryogene opslagtank. Het voordeel daarvan is dat de waterstof dan in vloeibare vorm kan worden opgeslagen, onder een veel lagere druk dan bij de huidige tanks. Het nadeel is dat dit gepaard gaat met zeer lage temperaturen.

Op de middellange termijn, over drie tot vijf jaar, willen we gaan vliegen met een nog groter hybride toestel met een massa van 50 kg. Ook gaan we experimenteren met een 30 kW range extender die zal worden ingebouwd in een elektrisch aangedreven Pipistrel. Daarbij staan ook vliegproeven met cryogene tanks op het programma.

Op de lange termijn willen we gaan vliegen met een toestel dat puur en alleen op waterstof vliegt, en één tot vijf personen kan vervoeren.”

Onlangs heeft NLR de HYDRA whitepaper gepubliceerd. Waar gaat deze over en hoe kan men deze whitepaper verkrijgen?

“De HYDRA whitepaper werd onlangs gepresenteerd tijdens een conferentie in Bordeaux. De paper beschrijft de stappen die we hebben gezet om te komen tot een eerste drone die vliegt op een brandstofcel. Ook gaat de paper in op het vliegen op waterstof in het algemeen. Via deze link kunnen geïnteresseerden een samenvatting downloaden. Wie de volledige paper wil inzien, kan deze opvragen door een mail naar info@nlr.nl te sturen.”

Kijk voor meer informatie over de diensten die NLR levert aan professionele dronevliegers op nlr.nl/dronecentre.

Wiebe de Jager

Wiebe de Jager (@wdejager) is oprichter van Dronewatch en auteur van de boeken Dronefotografie en Dronevideo's maken. Wiebe is gecertificeerd (RPA-L) dronepiloot en beschikt over een volledige ROC vergunning.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Meld je aan voor onze nieuwsbrief!

Vul hieronder je gegevens in en blijf op de hoogte.

Open nieuwsbrief aanmeldformulier