Экологичность авиационных ВРД и биотопливо.

Здравствуйте, друзья!

В последнее время на сайте появились комментарии, касающиеся авиационного топлива и понятий ему сопутствующих, в частности экологичности, стоимости и мировых запасов сырья для его производства.

Вопрос на самом деле не праздный. Им в наше время занимаются на государственном и межгосударственном уровнях во многих странах мира. Одна из сторон такой деятельности – это разработка альтернативы для традиционного топлива – керосина, который, как известно, получается путем перегонки нефти. В частности это разработка различных видов авиационного биотоплива.

Значение авиации для современного мира вообще переоценить невозможно. Она на данный момент единственный в своем роде быстрый вид транспорта который значительно ускоряет и улучшает мировое торговое взаимодействие между странами и решает проблемы глобального туризма.

Областей мировой экономики, где успешно применяется воздушный транспорт достаточно много. Ежегодно с его помощью во всем мире перевозится более 2,5 млрд. пассажиров. Количество людей, занятых в воздушной индустрии ( название вполне правомерное по-моему :-)) составляет более 33 миллионов.

По некоторым данным в денежном варианте доля грузовых перевозок по миру составляет порядка 430 млрд. долларов, а перевозка пассажиров, то есть туризм по большей части, приближается к триллиону долларов. Если бы мировая коммерческая авиация была бы государством, то она стала бы 21-й в мире по объему ВВП.

Цифры впечатляющие :-). Однако на голом месте ничего само собой не возникает, и за все надо платить. За такую авиационную глобальность тоже приходится расплачиваться.

Что мы хотим получить от двигателя самолета? Понятно, что первое – это тяговая эффективность, второе – экономичность (иной раз и наоборот бывает :-)), и при всем этом неплохо бы (а в настоящее время попросту обязательно :-)), чтобы двигатель был экологичен. Понятно, в меру своих возможностей. Причем возможности эти регламентируются в последнее время все жестче.

И вот как раз с двумя последними понятиями имеются некоторые проблемы. Во-первых, экономичность. 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%.

Теперь по средним оценкам для основного парка новых самолетов расход топлива составляет порядка 3,5 литра на одного пассажира на каждые 100 км пути. А для А380 и В-787 эта цифра может быть снижена до 3-х литров. То есть, в общем-то, эти самолеты по расходу топлива можно в определенном смысле сопоставить с семейным автомобилем :-).

Однако, несмотря на все успехи в совершенствовании техники, топлива расходуется очень много. Например, ИЛ-96 (двигатели ПС-90А) в полете может расходовать до 8000 кг керосина за час полета. А сколько самолетов одновременно расходует топливо находясь в воздухе ежедневно?….

Запасы живительных углеводородов (тех самых, которые именно оживляют машины по всему миру, на земле, на воде и в воздухе) на планете тают, а цены на них имеют противоположную динамику движения :-).  Причем, на самом деле, не всегда ее можно предсказать, что затрудняет планирование бюджета авиакомпаний. Такова действительность, и будущее в этом смысле рисуется не очень хорошее.

Теперь второй аспект – экологичность турбореактивного двигателя. Само понятие благоприятной экологической обстановки начало основательно волновать человечество примерно последние лет тридцать. А на заре существования ТРД о нем просто никто не задумывался и мало кого волновало, что попадает в атмосферу вместе с реактивной струей выходящих газов.

А попадает немало всякого нехорошего :-). Это и угарный газ, и несгоревшие углеводороды, двуокись и окись азота, диоксид серы и еще различные прелести в более мелких концентрациях и, конечно же, всем известная двуокись углерода СО2, напрямую влияющая на изменение климата на планете. По крайней мере ученые так говорят :-).

Правда, если соблюдать справедливость, то стоит упомянуть, тот факт, что 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).

А, во-вторых, известно, что 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. Впрочем, это уже давно стало всем известным фактом.

Вот как раз исходя из этих двух, вышеназванных аспектов и принимаются меры определенного характера в авиации многих стран мира (в той или иной степени, надо сказать :-)). Совершенствуются, как уже было сказано, силовые установки самолетов и вертолетов. Улучшается оборудование аэропортов, системы и схемы захода на посадку, системы управления воздушным движением с целью возможного уменьшения времени «холостого висения» самолетов в воздухе.

Однако, в последнее время все больше набирают темп усилия по поиску и использованию альтернативных видов топлива для самолетов. Ранее я уже писал о криогенном топливе. Использование, например, СПГ (сжиженного природного газа) позволяет снизить выбросы СО2 на 17% (впечатляющая цифра, не правда ли :-)), при этом не теряя в мощности двигателей. Использование жидкого водорода еще более повышает эти возможности.

Однако, криогеника, к сожалению, требует довольно серьезной переделки конструкции летательного аппарата по сравнению с существующей классической схемой. Кроме того в основательных изменениях нуждается также инфраструктура аэропортов. Это одна из причин, по которой в последние годы все чаще на первые позиции выходит применение биотоплива для авиационных двигателей, использование которого, как оказалось, не является столь революционным.

Определение биотоплива таково – это топливо либо из растительного или животного сырья, либо из отходов промышленности (конечно органических), либо из продуктов жизнедеятельности живых организмов. Авиационное биотопливо становится заменой (реально полноценной ) авиационному керосину.

Этот продукт имеет два основных преимущества перед традиционным нефтяным углеводородным топливом. Во-первых, оно производится при использовании возобновляемых источников. Нефтяное топливо, к сожалению, этим похвастаться не может, как и динамикой своих цен :-).

А, во-вторых, процент вредных выбросов в атмосферу при использовании биотоплива значительно ниже. В частности, например, достаточно мало выбросов серы. То есть в атмосферу не поступает диоксид серы SO2, один из самых вредных компонентов сгорания традиционных реактивных топлив.

Кроме того тот СО2, который в атмосферу все же попадает в результате работы авиационных двигателей на биотопливе, потом поглощается растениями, выращиваемыми для его производства, во время их роста примерно в том же объеме.

Это позволяет свести активное загрязнение атмосферы из-за работы движков практически к нулю. Правда, остается доля СО2, которая вносится в атмосферу при производстве биотоплива. Это сам процесс производства и повышения качества (рафинирование), транспорт и хранение.

Однако, по современным оценкам, эти выбросы ниже аналогичных по назначению при производстве нефтяных видов топлива практически на 80%. Выгода в этом отношении вполне очевидна.

Говоря о жидком биотопливе, надо отметить, что начиналось все, собственно, с наземного транспорта. Всем, я думаю, известны такие названия, как биодизель и биоэтанол. Первое – это замена дизельному топливу, а второе – бензину.

Сырье для первого – это биомасса масличных растений, для второго – в основе своей сахарный тростник (или другие сахаропроизводящие растения, то есть, грубо говоря самогонка :-)), а также, как это не печально, древесина. Это было так называемое биотопливо первого поколения.

Главный его недостаток 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.

В связи с этим в настоящее время пришел черед производства так называемого биотоплива второго поколения. Для этого используются биомасса растений, которые практически не влияют на пищевую цепочку человека. Они могут расти без влияния на необходимые нам культурные растения, в том числе и на тех же посевных площадях, где продовольственные культуры временно не высеваются, или же на тех землях, где они вовсе не растут.

К такого рода растениям относится, например, Ятрофа куркас (Jatropha curcas) – растение, содержащее от 27 до 40% масла и растущее на засушливых землях. Или Рыжик (Camelina) – по сути дела сорняк для традиционных зерновых культур. Кроме того здесь могут быть использованы микроскопические водоросли, растущие в загрязненной воде и содержащие масла до двухсот раз больше, чем традиционные масличные культуры.

С использованием биотоплива, произведенного из вышеупомянутых растений (в основном в смеси с традиционным керосином) уже состоялось немало полетов, достаточно серьезных, в том числе и с пассажирами на борту.

Есть и еще один источник для производства биотоплива второго поколения. Это бытовые и коммунальные отходы, отходы сельского хозяйства, не говоря уже об отходах пищевой, лесной и деревообрабатывающей промышленности.

Ну, и наконец, биотопливо третьего поколения. Для его производства используются исключительно водоросли с высоким содержанием масла. В этой области дела обстоят пока в основном на уровне исследований. Перспективы очень хорошие, но и технологических проблем, связанных с выращиванием водорослей хватает.

Однако уже биотоплива второго поколения имеют возможность заменить частично или полностью ныне используемые реактивные топлива в авиации без снижения качества и характеристик работы двигателей. Это означает, что они должны быть по своим параметрам ничуть не хуже использующихся в эксплуатации нефтяных топлив.

Основные параметры это: минимальная температура воспламенения, температура замерзания, минимальная энергоемкость, вязкость, содержание серы в топливе, а также плотность.

Эти условия сводятся к тому, чтобы не нужно было выполнять какие-либо коренные изменения в техническом устройстве летательных аппаратов и инфраструктуре аэропортов. Топлива первого поколения (типа биодизеля и биоэтанола) в этом плане поставленным условиям не отвечают. Однако биотоплива второго поколения вполне соответствуют указанным параметрам и иной раз даже их превосходят.

То есть перспектива прорисовывается вполне реальная. Уже на данном этапе биотопливо второго поколения для воздушно-реактивных двигателей достаточно успешно может быть использовано на практике. Об этом говорят достаточно многочисленные тестовые полеты, проведенные различными авиакомпаниями мира.

Такого рода испытания проводятся со всесторонними проверками работы двигателя на всех фазах полета. В некоторых случаях проводились проверки с выключением и последующим запуском двигателя в полете.

Многие из этих компаний теперь ставят перед собой долгосрочные задачи по внедрению биотоплива в практику полетов. Особенно это касается США. К примеру, американская (международная) ассоциация ASTM, занимающаяся вопросами стандартизации еще в июле 2011 года установила в стандарте D7566 (стандарт и спецификации авиационных углеводородных топлив), новые поправки, позволяющие формально использовать в эксплуатации (для коммерческих рейсов) авиационное топливо HRJ.

Это топливо на 50% может состоять из биодобавок, произведенных из биомассы ятрофы, рыжика или водорослей. В этом составе оно ничем не отличается от находящегося в каждодневном использовании керосина ( типы J-A и J-A-1).

Как раз в начале лета 2011 года трансатлантический рейс выполнил самолет Boeing 747-8F, чьи двигатели работали на горючем, 15% которого составляло биотопливо, произведенное из рыжика.

Интересно, что в США большой движущей силой в вопросе ускорения перехода авиации на новый вид топлива стала инициатива ВВС, как наземного, так и морского базирования. Уже существуют планы перехода всей транспортной авиации флота США на смесь керосина с биотопливом к 2020 году. Скорей всего это будет авиационное топливо HRJ.

Однако полномасштабное использование биотоплива в общей авиационной массе на данный момент времени пока еще экономически невыгодно. Это связано с недостаточной развитостью самого производства такого топлива.

Тем не менее подсчитано, что для того, чтобы такое производство, так сказать, утвердилось и получило возможность к полномасштабному развитию, необходимо, чтобы хотя бы 1% всего расходуемого авиационного керосина в мире был заменен на биотопливо. В общем-то, совсем немного.

В заключение хочу показать любопытную диаграмму. Она показывает какие нужны площади для выращивания сырья для биотоплива при условии полной замены им традиционного нефтяного керосина. Здесь 1 — водоросли, 2 — площадь Ирландии, 3 — площадь штата Монтана, 4 — ежегодные мировые посевы кукурузы, 5 — Рыжик, 6 — Ятрофа, Площадь Австралии… Есть о чем поразмыслить :-)…

Таковы возможности и существующие перспективы. Во что они обернутся в нашем изменчивом мире пока не ясно. Хочется верить, что к лучшему :-)…

До новых встреч.

Фотографии кликабельны.