Биотопливо в авиации. Эко-мода или необходимость?

Из многих исследований стало понятно, что биотопливо содержит избыточный кислород. Таким образом, теплотворная способность (плотность энергии) становится немного ниже по сравнению с обычным реактивным топливом. На основе этих данных разрабатывается технология для дальнейшей обработки такого вида биотоплива, чтобы сделать его авиационным.

Когда говорят об использовании биотоплива в авиации, речь не ведется о полной переходе на него. Планируется проводить замещение на «зеленый» аналог постепенно. Для начала процесс будет заключаться в смешивании двух видов топлива, например, 10% или 20% биотоплива к обычному авиакеросину. Это дало бы снижение выбросов CO2.

Заменить керосин

Украинские военно-транспортные самолеты Ан-32, которые стоят на вооружении ВВС Индии, получили сертификацию для полетов с использованием биотоплива. К 2024 году ВВС Индии намерены сократить потребление авиакеросина на 4 млрд долл США, в связи чем планируется широкий переход на биотопливо. Был успешно проведен полет двухдвигательного транспортного самолета Ан-32 с топливом, 10 % которого составляли биокомпоненты. В пятницу самолет приземлился на базе Лех на границе с Китаем (горный аэродром находится на высоте 3524 м над уровнем моря).

Биотопливо, используемое в двигателе, было впервые произведено финансируемой государством лабораторией CSIR-IIP в Дехрадуне в 2013 году. Лаборатория будет производить биотопливо из древесных масел, полученных от фермеров. Также планируется использовать топливо, смешанное с этанолом. Подсчитано, что ВВС страны потребляют около одного миллиарда литров авиакеросина.

Впервые биотопливо использовалось в авиации в 2008 году. Это была авиакомпания Virgin Atlantic, смешавшая 20% биотоплива с обычным топливом. За прошедшие годы еще несколько компаний тестировали эту технологию (Air New Zealand, KLM), но самые последние достижения в этой области за китайской авиакомпанией Hainan Airlines, которая в 2017 году использовала отработанное растительное масло в смеси с обычным реактивным топливом для полета из Китая в США.

Можно ли сомневаться в исследованиях NASA?

Специалисты NASA совместно с исследователями из Германии и Канады провели исследование экологичности авиационного биотоплива и пришли к выводу, что его использование на самолетах позволяет сократить объемы вредных выбросов на 50-70%. Согласно сообщению агентства, исследования проводились в 2013-2014 годах на базе Летно-исследовательского центра имени Армстронга, а результаты анализа полученных результатов стали доступны только сейчас.

Считается, что авиаперевозки наносят существенный вред экологической обстановке. По данным исследовательской организации ATAG, в 2015 году объем выбросов только лишь углекислого газа самолетами по всему миру составил 781 миллион тонн. Кроме того, конденсационные следы, оставляемые самолетами в полете, периодически преобразуются в особый вид долгоживущих облаков, которые в естественных условиях не формируются. Предположительно, и выбросы углекислого газа, и такие облака провоцируют глобальное потепление.

В своем исследовании NASA использовало модифицированный авиалайнер DC-8. Этот самолет выполнял полеты на высоте 12,2 тысячи метров. Его заправляли смесью обычного авиационного топлива и биотоплива, изготовленного из гидроочищенных спиртов и жирных кислот, полученных при переработке рыжика. Каждого вида топлива в смеси было поровну. В полете DC-8 сопровождали три исследовательских самолета, которые летели за ним, то приближаясь на расстояние 90 метров, то отдаляясь на 32 километра. Эти самолеты проводили замеры выбросов DC-8.

Согласно полученным данным замеров выяснилось, что в зависимости от режима работы реактивных двигателей DC-8 объем выбросов вредных веществ и сажи был ниже на 50-70%. Это в свою очередь приводило к меньшему образованию конденсационных следов. Одной из причин появления последних является выброс твердых частиц, образующихся при сгорании топлива. Эти частицы служат центрами кристаллизации в насыщенном парами переохлажденной воды воздухе.

Три поколения биотоплива

Биотопливо первого поколения уже несколько лет используется, помимо аэронавтики, таких областях, как транспорт, отопление и производство электрической энергии. Это биотопливо первого поколения добывается в основном из пищевых продуктов. Можно выделить несколько классов, включая «масла» (подсолнечник, рапс), «алкоголь» (сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница и т. д.), «газ» (метан, образующийся из твердых отходов из воды, навоз и бытовые отходы) и, наконец, «древесный уголь». Большая часть этого сырья поступает из пищевых ресурсов.

Биотопливо второго поколения происходит из новых, чисто энергетических источников, не используемых в пищевой промышленности. Они сделаны из дерева (лигнит и целлюлоза), превращены в газ или спирт, из водорослей, несъедобных растений или из масличных масличных деревьев, которые также используются для борьбы с опустыниванием

Биотопливо третьего поколения добывается из водорослей (также называемых водорослевым топливом). Этот объект все еще находится в стадии исследования. Некоторые ученые утверждают, что эти микроводоросли могут быть в 30-100 раз более эффективны при добыче нефти, чем наземные маслянистые растения.

В области авиации сегодня используется биотопливо второго поколения. Первый испытательный полет был выполнен в 2008 году на Boeing 747. Один из четырех двигателей этого самолета был снабжен смесью 50/50 керосина и биотоплива, полученного из класса «масло». Смесь не влияла отрицательно на работу двигателя — она ​​даже показала снижение потребления от 1% до 2%.

Цифры

По некоторым данным, в денежном эквиваленте, доля грузовых перевозок в мире составляет порядка 430 млрд. долларов, а перевозка пассажиров, то есть туризм по большей части, приближается к триллиону долларов.

Что сегодня требуется от двигателя самолета? Первое — это тяговая эффективность, второе — экономичность (иной раз и наоборот), и при всем этом неплохо бы, чтобы двигатель был экологичен. Турбореактивный двигатель никогда не отличался особо малым потреблением топлива, и это было его основным недостатком.

Повышение топливной эффективности всегда было одной из приоритетных задач авиационной инженерии. Движки совершенствовались, появились двухконтурные и далее турбовентиляторные двигатели. По сравнению с первыми массовыми пассажирскими реактивными самолетами конца 50-х и 60-х годов современные лайнеры стали экономичнее почти на 70%.

По средним оценкам для основного парка новых самолетов расход топлива составляет порядка 3,0-3,5 литра на одного пассажира на каждые 100 км пути. То есть, в общем-то, эти самолеты по расходу топлива можно в определенном смысле сопоставить с семейным автомобилем.

Доля авиационного транспорта в мировых выбросах СО2 в атмосферу составляет только 2% на сегодняшний день. Однако, это около 650 млн. тонн (общие выбросы составляют примерно 34 млрд. тонн). К тому же, во-первых, эти выбросы производятся по большей части в верхних, наиболее чувствительных к изменениям слоях тропосферы (а также в стратосфере).

Ежегодный прирост интенсивности воздушного движения в мире составляет около 5%, и в связи с этим происходит ежегодное увеличение выбросов СО2 авиацией в атмосферу на 2-3%.

Если такие темпы сохранятся в ближайшем будущем, то к 2050 году мировая доля авиатранспорта из 2-ух процентов перерастет в 3. Для атмосферы в целом это много. И, если принимать во внимание глобальные изменения климата на планете, то вполне понятно, что необходимы меры для уменьшения количества вредных выбросов и повышения экологичности авиационных двигателей.

Гражданская авиация никогда не перейдет на биотопливо?

Использование так называемого альтернативного реактивного топлива – произведенного из растительного сырья – не приведет к сколько-нибудь значительному сокращению выбросов парниковых газов. Об этом свидетельствуют результаты исследования международной организации International Council of Clean Transportation (ICCT).

Во-первых, отмечают эксперты ICCT в своем докладе, совокупные выбросы сельскохозяйственной техники при производстве растительного сырья для альтернативного реактивного топлива сводят на нет эффект от его использования. Во-вторых, поскольку растения специально модифицируются для использования в промышленности, произведенное из этого сырья альтернативное топливо становится более «грязным».

И, наконец, в-третьих, сырья будет просто недостаточно, чтобы покрыть все потребности реактивной авиации, учитывая, что спрос на биотопливо достаточно высок и в других транспортных секторах.

«Оценка динамики производства альтернативного топлива в период до 2050 года показывает, что будет просто невозможно полностью заменить обычное реактивное топливо и добиться снижения выбросов CO2. Предполагаемый спрос на реактивное топливо составит в 2050 году 24-37 ЭДж (эксаджоулей). При этом абсолютный максимум биотоплива, которое будет доступно реактивной гражданской авиации, составит не более 4 ЭДж», — говорится в докладе ICCT.

Кроме того, стоимость производства альтернативного топлива достаточно высока, отмечает ресурс Clean Technica. И анализ ICCT показывает, что биотопливо с учетом расходов на его доставку потребителю будет неконкурентоспособно по отношению обычному углеводородному.

Главный недостаток биодизеля первого поколения в том, что оно вырабатывается из того же сырья, что и продовольствие. Кроме того, при производстве используется немалое количество пресной воды, вырубаются леса. И того, и другого, и третьего на нашей планете в последнее время имеется немалый дефицит. А поэтому переводить такое жизненно важное сырье на топливо было бы по меньшей мере не умно.

Однако уже биотоплива второго поколения имеют возможность заменить частично или полностью ныне используемые реактивные топлива в авиации без снижения качества и характеристик работы двигателей.

Промежуточные выводы

Более или менее перспективным представляется только создание самолетов с гибридными или полностью электрическими двигателями.

На самом деле, использование биотоплива – это способ сделать авиацию не экологичной, а углеродно-нейтральной. До тех пор, пока не появятся реальные варианты аккумуляторов, окисляемых кислородом воздуха.

Доля авиатоплива в общем потреблении нефтепродуктов составляет порядка 7% или 7 млн. баррелей в день. Если страны ставят целью 100% углеродную нейтральность к 2050-му году, решать эту проблему в такой медлительной отрасли, как авиастроение, надо начинать уже сейчас.

Профессор Chong Cheng Tung из China-UK Low Carbon College описал перспективы развития биотоплива в интервью для Engineers journal:

«В настоящее время производственные мощности авиационного топлива на основе био-добавок в ЕС оцениваются примерно в 2,3 миллиона тонн в год, что соответствует примерно четырем процентам от обычного ископаемого топлива. Вопрос состоит в том, нужно ли модифицировать двигатели, чтобы горение было более чистым, или нужна какая-то модификация топлива, чтобы сгорание было беспроблемным?

Существует много мнений по этому поводу, но мы, конечно, стараемся не модифицировать двигатель, потому что в конечном итоге это будет дорого и не практично. Вы же не хотите иметь топливо с низким КПД, которое горит наполовину и вызывает проблемы при сгорании?

Если сравнивать с обычным ископаемым топливом, то цена биотоплива примерно в два-три раза выше с точки зрения цены, что создает проблему. Потому очевидно, что, если цена высока, промышленность не захочет брать этот вид топлива».

Источник: Наука и техника