In 2019 is de eerste vlucht met eenwaterstofdrone uitgevoerd in Nederland. Een drone van in totaal 8,0 kg met een tank voor 2,0 L vloeibare waterstof. In een brandstofcel met een maximaal vermogenvan 2,0 kW wordt deze waterstof met behulp van zuurstof uit de omgeving omgezet in elektrische energievoor de drone. Een groot voordeel van de drone op waterstof is de lange vliegtijd ten opzichte van vliegen met een accu.
Waterstof moet worden geproduceerd door met elektrische energie water te splitsen in waterstof en zuurstof.
a) Leg uit dat waterstof daarom beter te vergelijken is met een accu dan met een brandstof.
Een accu is zelf geen bron van energie. Je kunt er wel elders opgewekte (elektrische) energie in opslaan. Brandstof is wel een energiebron; die bevat zelf dus energie. Voor waterstof is elders opgewekte (elektrische) energie nodig om het te produceren. Deze energie krijg je (deels) weer terug als de waterstof door verbinding met zuurstof in de brandstofcel wordt omgezet in elektrische energie. Dat is vergelijkbaar met de werking van een accu.
Een liter vloeibare waterstof levert bij reactie met zuurstof 2,2 MJ aan energie. Het rendement van een brandstofcel is 60%. Tijdens de vlucht levert de brandstofcel 50% van zijn maximale vermogen aan de motoren.
b) Toon aan dat de drone dan 44 minuten kan vliegen met een tank waterstof.
De tank bevat 2,0 L waterstof. Hieruit volgt:
$E_H=2,2\cdot 10^6 \cdot 2,0 = 4,4\cdot 10^6~\mathrm{J}$
Hiervan wordt omgezet in elektrische energie:
$4,4\cdot 10^6\cdot 0,60=2,64\cdot 10^6~\mathrm{J}$
De motor vraagt een elektrisch vermogen van:
$2,0\cdot 10^3\cdot 0,50 = 1,0\cdot 10^3~\mathrm{W}$
Hieruit volgt:
$t=\frac{E}{P}=\frac{2,64\cdot 10^6}{1,0\cdot 10^3}=2,64\cdot 10^3~\mathrm{s}$
Dit komt overeen met 44 minuten.
Op dit moment worden dit soort drones van elektrische energie voorzien door lithium ion (Li ion) accu’s. De energiedichtheid van een Li ion accu is 5,4 ∙ 105 J kg-1.
c) Voer de volgende opdrachten uit:
- Bereken de massa van een Li ion accu waarmee deze drone onder dezelfde omstandigheden even lang van energie kan worden voorzien als een waterstofdrone.
- Geef een reden waarom de vliegtijd met deze accu in praktijk korter zal zijn.
- Bij gelijk vermogen vraagt de motor
$1,0\cdot 10^3\cdot 44\cdot 60 = 2,64\cdot 10^6~\mathrm{J}$
Hiervoor is een accu nodig van $\frac{2,64\cdot 10^6}{5,4\cdot 10^5}=4,9~\mathrm{kg}$ - Deze accu verhoogt de totale massa van de drone waardoor het meer energie kost om te vliegen/Er is nog geen rekening gehouden met het rendement van de accu.
d) Leg uit waarom deze waterstofdrone een volgende opstap kan zijn naar emissievrij vliegen.
Echte vliegtuigen hebben een zeer grote energieopslag nodig bij een zo laag mogelijke massa. Waterstof kan daar beter aan voldoen dan een accu/Deze drone vliegt nu al zonder uitstoot van schadelijke stoffen in tegenstelling tot de huidige, gewone vliegtuigen.
