Skal vi gi opp batteriene og heller la flyene bruke verdens letteste drivstoff?  

Ja, mener vi, og vil nå forklare hvorfor fremtidens nullutslippsfly er helelektriske og bør lades med hydrogen.

Bestillingen er klar: Utslippene fra flytrafikken må ned. Nylig lanserte EU målet om minst 90 prosent utslippskutt før 2050. Ambisjonen er å realisere det første kommersielle nullutslipps-passasjerflyet basert på hydrogen innen 2035 . Da har vi kun fem år på å komme opp med de beste tekniske løsningene for utslippskutt.

Som eneste aktør i Norden forsker NTNU på elfly gjennom prosjektet Electric Aviation. Prosjektet er i vekst og tre doktorgradsstipendiater er nå rekruttert. Vår gruppe har nylig publisert internasjonale arbeider som viser retning for forskningen . Her belyser vi hydrogen som et potensielt klimanøytralt drivstoff, noe som vil være et fokus i det videre arbeidet. 

Vektløs og lett tilgjengelig

Hydrogen veier lite og det finnes svært mye av det. Hydrogen er den letteste bæreren av energi vi kjenner til, med unntak av atomenergi. En full tank med flybensin er tre ganger tyngre enn en hydrogentank, og dagens batterier veier opp mot 200 ganger mer enn hydrogenet. 

Vi kan bruke hydrogen i fly på to ulike måter. Den ene muligheten er å brenne hydrogenet på lignende måte som vi forbrenner vanlig flybensin. Da er det tilstrekkelig med kun mindre endringer av flymotoren. Den andre måten er å gjøre strøm ut av hydrogenet, noe som krever større tilpasninger av flyet. 

Unngå dårlige mellomløsninger

En liten ombygging av motoren frister nok flyselskapene langt mer enn et helt nytt fremdriftssystem. Det taper klimaet på. Ved å brenne hydrogen i dagens flymotorer får vi utslipp av nitrogenoksid og vanndamp –  to klimagasser som er verre enn først antatt, og som forurenser atmosfærens mest sensitive områder. 

Vanndampen, de kondensstripene vi kan se bak flyet, kan faktisk varme opp planeten mer enn CO2 kan på egenhånd . En annen bekymring er den lave effektiviteten vi får ved å brenne hydrogengassen. Det er rett og slett unødig sløsing med drivstoff.

Det mest fremtidsrettede alternativet er å erstatte bensinmotoren med en elektrisk motor. 

I dette scenariet vil hydrogenet brukes til å lage strøm ombord gjennom såkalte brenselceller, hvor strømmen forsyner den elektriske flymotoren. Dette vil altså kreve at flyene bygges om.

Hvordan blir hydrogen strøm?

Hydrogenatomet er et energilager med elektriske ladninger. Det er det enkleste grunnstoffet vi har og består kun av ett positivt ladet proton og ett negativt ladet elektron. I brenselcellene skilles elektronene ut og danner elektrisk strøm. Bare ved å tilføre oksygen til hydrogenet i brenselscellene, blir det laget elektrisitet. Avfallsstoffet er klimanøytralt vann.  

Disse cellene fungerer i prinsippet som gigantiske batterier som aldri går tomme så lenge vi tilfører hydrogen og luft. I prosessen dannes det også noe varme som vi kan bruke til oppvarming av flyet.

Drivstoffgjerrige elmotorer

Hydrogen er kjent for å kreve mye plass, selv om det veier lite. Derfor går vi for flytende hydrogen i stedet for hydrogengass. Slik forminsker vi hydrogentanken til en tredel. Denne tanken vil likevel være fire ganger for stor i forhold til en vanlig flytank. Dette kan imidlertid løses om vi bruker drivstoffet mer effektivt.   

Elektriske motorer er nesten hundre prosent effektive og er derfor svært sparsommelige på forbruket av hydrogenet. Som følge av mindre forbruk, kan størrelsen på hydrogentanken bli en halv til en tredel mindre. Altså nærmer vi oss størrelsen til en vanlig flybensintank, uten å innskrenke flyets rekkevidde.

Lynrask hydrogenlading

Når målet er elektriske motorer i fly, blir ofte spørsmålet hvordan skal disse motorene skal drives. Hvorfor er det bedre å drive dem med brenselceller fremfor med batterier? Vanlige batterier er tunge og trenger lang tid til å lade. Det betyr at flyene blir stående lenge på bakken mens ladingen pågår. Bruker vi flytende hydrogen kan vi etterfylle raskt og enkelt, på samme måte som med dagens flybensin. 

Dessuten er tilgjengeligheten av hydrogen mye større, i motsetning til litium og andre sjeldne jordmetaller som brukes i dagens batterier. Hydrogen kan hentes ut fra både ferskvann og saltvann, og trenger dermed ikke tas fra dyrebart drikkevann. For å gjøre dette trenger vi imidlertid elektrisitet. Energien til dette kan vi hente fra fornybare kilder som vann, vind og sol. Alternativt kan hydrogen lages fra naturgass med karbonlagring .

Historisk skifte

Luftfarten blør på grunn av en pågående koronakrise og klimakrise. Det bør tvinge både forskere og næringsliv til å se etter helt nye løsninger. Vi er derfor ikke i tvil om at vi bør gå for helelektriske hydrogenfly.

Fremtidens luftfart – en tverrfaglig satsing på NTNU

Mindre elektriske fly har vært i luften siden 1970-tallet. Det første hydrogendrevne fartøyet ble fløyet av NASA i 1957. Kombinasjonen av hydrogen og elektrifisering vil bli en  vinneroppskrift i fremtiden.

Luftfarten har nærmest vært uendret i løpet av det siste århundret, med kun gradvise tekniske fremskritt. Nå er tiden inne for et taktskifte med større innovasjoner på kort tid. NTNU Fakultet for informasjonsteknologi og elektroteknikk har elektrifisering som et av flere strategiske forskningsområder, og er allerede i gang med å utdanne 3 doktorgradsstudenter innen elektrisk luftfart. Vi har nær kontakt med utviklende industri og er klare for å oppskalere aktiviteten ytterligere. Vi har også startet et splitter nytt bachelorprogram i elektrifisering og digitalisering, der elfly vil være en av anvendelsene.