Viten

Norge leder an utviklingen: Denne kan gjøre flyreiser klimavennlig

  • Jonas Kristiansen Nøland
    førsteamanuensis, Fakultet for informasjonsteknologi og elektroteknikk, NTNU
  • Ingrid Schjølberg
    dekan, Fakultet for informasjonsteknologi og elektronikk, NTNU
  • Ole-Morten Midtgård
    instituttleder, Institutt for elkraftteknikk, NTNU

Dette er en PEM-brenselcelle (proton exchange membrane). Den opererer på 80 grader celsius og er svært effektiv. Foto: Thor Nielsen / NTNU / Sintef

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

Viten er Aftenpostens satsing på forskning og vitenskap, der forskere og fagfolk fra hele landet bidrar med artikler.

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

Bestillingen er klar: Utslippene fra flytrafikken må ned. Nylig lanserte EU et mål om å kutte minst 90 prosent utslipp i transportsektoren før 2050.

Ambisjonen er å lage det første kommersielle passasjerflyet med null utslipp, basert på hydrogen, innen 2035. Vanligvis tar det rundt ti år å sertifisere et nytt fly. Da har vi kun fem år på å komme opp med de beste løsningene for utslippskutt.

Som eneste aktør i Norden forsker Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) på elfly gjennom prosjektet «Electric Aviation». Prosjektet vokser, og tre doktorgradsstipendiater er nå rekruttert. Vår gruppe har nylig publisert internasjonale arbeider som viser retning for videre forskning.

Her belyser vi hydrogen som et potensielt klimanøytralt drivstoff. Det vil være sentralt i videre arbeid.

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 flybensin. Da er det tilstrekkelig med kun mindre endringer av flymotoren.

Den andre måten er å lage strøm av hydrogenet. Dette 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. Dette er to klimagasser som er verre enn først antatt, og de forurenser atmosfærens mest sensitive områder. Vanndampen, de kondensstripene vi kan se bak flyet, kan faktisk varme opp planeten mer enn CO₂ kan på egen hånd.

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 scenarioet vil hydrogenet brukes til å lage strøm gjennom såkalte brenselceller, og strømmen forsynes til den elektriske motoren. Dette vil altså kreve at flyene bygges om.

Hvordan blir hydrogen til strøm?

Hydrogenatomet er et energilager med elektriske ladninger, og det er det enkleste grunnstoffet vi har. Det består 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 brenselcellene, blir det laget elektrisitet. Avfallsstoffet er klimanøytralt vann.

Disse cellene fungerer i prinsippet som gigantiske batterier. De går aldri tom 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 bruker vi flytende hydrogen i stedet for hydrogengass.

Slik forminsker vi hydrogentanken til en tredjedel. Denne tanken vil likevel være fire ganger større enn 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 hydrogen. Derfor kan størrelsen på hydrogentanken bli en halv til en tredjedel mindre.

Da nærmer vi oss størrelsen til en vanlig flybensintank, uten å redusere flyets rekkevidde.

Dette er flymotoren «Mark 1» som er bygget i Trondheim. Med sine 2,5 Megawatt er det den kraftigste elektriske maskinen som er laget for luftfart. Foto: Rolls-Royce

Lynrask hydrogenlading

Når målet er elektriske motorer i fly, blir ofte spørsmålet hvordan 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 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. Dermed trenger det 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.

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.

  • Jonas Kristiansen Nøland er førsteamanuensis i energiomforming og elektromagnetisme ved NTNU. Han har doktorgrad i teknisk fysikk fra Uppsala Universitet - Ångströmlaboratoriet.

  • Ingrid Schjølberg er dekan ved Fakultet for informasjonsteknologi og elektroteknikk. Hun har doktorgrad i teknisk kybernetikk og er professor i marin kybernetikk.

  • Ole-Morten Midtgård er instituttleder og professor ved Institutt for elkraftteknikk. Han er utdannet sivilingeniør med doktorgrad i elkraftteknikk.

Les også

  1. Noen legger egg i sneglehus, andre har på seg «bukse». Norges bier er vidt forskjellige.

  2. Nofima: Slik kan vi sikre en raskere og bedre smittesporing av virus og bakterier

Les mer om

  1. Luftfart
  2. Viten
  3. Hydrogen
  4. Elfly
  5. Reise