Сможет ли авиация летать без ископаемого топлива ?

В последние годы разразилась глобальная война за выбросы, и каждая компания, отрасль и правительство на Земле отчаянно пытаются сократить свой углеродный след. От введения налогов на выбросы углерода до внедрения электромобилей и растущей доли рынка возобновляемых источников энергии углерод подвергается нападкам. Но не все отрасли одинаковы, и авиационная промышленность, в частности, оказалась невероятно трудной для обезуглероживания. Сегодня мы рассмотрим, почему реактивное топливо так трудно заменить и можно ли когда-нибудь летать без вредных выбросов.

Сколько углерода выбрасывают самолеты ?

В то время как весь транспортный сектор отвечает за 16% глобальных выбросов, на авиационную промышленность приходится только 2% глобальных выбросов. Это может удивить, поскольку полёт - это самая углеродоёмкая вещь, которую может сделать человек, но это имеет смысл, если учесть размеры других отраслей промышленности в мире.

Поэтому, несмотря на важность сокращения авиационных выбросов, вполне понятно, что многие достижения, которые мы наблюдали до сих пор в борьбе с углеродом, получены в других секторах. Это не значит, что не было каких-то достижений в авиации, когда биотопливо, электрические самолеты и водородные самолеты получили свою справедливую долю внимания. Итак, давайте рассмотрим сильные и слабые стороны каждого из них.

Самолеты на биотопливе

Биотопливо - это топливо, получаемое из органических материалов, обычно сельскохозяйственных культур, древесины или отходов. Хотя они и производят углерод при сжигании, теория гласит, что углерод был поглощён органическим веществом, когда оно росло, поэтому чистый углерод, производимый биотопливом, равен нулю. Ископаемое топливо, с другой стороны, было в ловушке глубоко под землёй и теперь выкапывается и сжигается. На самом деле биотопливо - это форма сокращения выбросов, а не способ летать “без выбросов”.

Есть вероятность, что вы уже летали на самолете, работающем на биотопливе, причём первый полет на биотопливе состоялся в 2008 году. С тех пор она стала относительно общепринятой частью коммерческой авиации, и IATA стремится к 2% - ному проникновению к 2025 году. Однако в 2018 году биотопливо составляло лишь 0,1% от общего объёма авиационного топлива.

Главная сила биотоплива заключается в том, что для его использования требуются минимальные модификации самолетов и инфраструктуры. Оно может смешиваться с реактивным топливом или использоваться самостоятельно и обладает высоким содержанием энергии. Биотопливо также выделяет меньше углерода, чем ископаемое топливо при сжигании - 75,1 г CO₂ на мегаджоуль энергии по сравнению с 39 г CO₂ из биотоплива. Однако, когда вы копнете немного глубже, начинают возникать некоторые серьезные проблемы.

В 2017 году группа из 177 учёных в Нидерландах подписала открытое письмо с призывом к правительству прекратить включение биотоплива из продовольственных культур в повестку дня ЕС в области устойчивого развития. Причина заключается в том, что при учёте площади, необходимой для выращивания этих культур, а также обработки и транспортировки культур, они выделяют в среднем в 1,8 раза больше СО₂, чем ископаемое топливо. Голландские учёные также отметили, что растениеводческое биотопливо повышает спрос на растительное масло и продовольственные культуры, а также разрушает биологическое разнообразие.

Другая фундаментальная проблема в предположении, что оно является углеродно-нейтральным. Для того, чтобы биотопливо было углеродно нейтральным, оно не может поступать из области или участка земли, которые уже были углеродные поглотители. К сожалению, в мире мало пригодных земель для выращивания органического вещества, необходимого для производства биотоплива, и большая часть этих земель уже так или иначе поглощает углерод. Можно производить биотопливо из отходов и отходов растениеводства, которые уже являются частью системы, но количество таких отходов ограничивает только то, сколько биотоплива мы могли бы реально произвести. Существует также проблема, которая заключается в том, что сжигание этих биотоплив непосредственно в атмосфере вместо того, чтобы позволить им разлагаться в почве, уменьшает количество питательных веществ в пахотных землях и влияет на сельское хозяйство. В то время как, кажется, есть место для некоторых видов биотоплива в будущем авиационной промышленности, это далеко не решение без выбросов.

Электрические самолеты

От компаний, стремящихся построить летающие электрические такси до заявлений о том, что будущее коммерческих электрических самолётов близко, электрические самолеты, безусловно, захватывают заголовки. К сожалению, как и во многих подобных вещах, реальность оказывается несколько менее сексуальной, чем можно было бы предположить из таких заголовков.

Электрические самолёты могут казаться естественной эволюцией от электромобилей, но по мере увеличения размера транспортного средства растёт и размер проблемы. Основной проблемой, стоящей перед электрическими самолётами, является плотность энергии литиевых батарей (в настоящее время наиболее эффективных доступных батарей). Если вы считаете, что максимальная дальность полёта самого эффективного электромобиля Теслы составляет 379 миль, вы можете начать понимать проблему.

Это не значит, что не было прорывов. В июне 2020 года самый большой электрический самолет, когда-либо летавший, достиг высоты 2500 футов и оставался в воздухе 28 минут. В октябре 2020 года гибридно-электрический самолет Eel побил рекорд по самому длинному полету электрического самолета, пролетев без остановки 341 милю. Заглядывая вперед, запланированы даже гонки электрических самолётов в 2022 году, в котором электролёты будут мчаться по кольцу на высоте 32 фута и развивать скорость до 250 миль в час. Но все эти прорывы также демонстрируют, как много ещё предстоит пролететь электрическим самолётам. Самый большой чисто электрический самолёт, когда-либо летавший, вмещает всего 9 пассажиров, самолет Eel - это гибрид с электромотором в носу и традиционным двигателем внутреннего сгорания сзади, а широко разрекламированная воздушная гонка будет между очень маленькими самолётами с батареей, которая ещё даже не выпущена. К сожалению, за исключением крупного прорыва в технологии батарей, похоже, полностью электрические самолёты не станут мейнстримом в ближайшее время.

Согласно расчетам Дункана Уокера, преподавателя прикладной аэродинамики в Университете Лафборо, Airbus A380, который в настоящее время может пролететь 15000 километров без дозаправки, сможет пролететь всего 1000 километров на батареях. Более вероятно, что, как показали самолет Eel и проект E-Fan X, будущее электрических самолётов будет гибридным, а не совсем свободным от выбросов. Но даже в этом случае снизить затраты до приемлемого уровня - непростая задача.

Водородные самолеты

Когда дело доходит до решения проблемы плотности энергии, с которой сталкиваются электромобили, особенно большие, водород часто объявляется лучшим решением. Вообще говоря, водород бывает в трёх различных формах производства: зелёный, голубой и серый. Проще говоря, зелёный водород производится при помощи ВИЭ и воды, синий - из природного газа и воды с улавливанием СО₂, а серый производится из природного газа и воды, но выбрасывает С0₂ в атмосферу.

Источник: petrofac.com

Во многих отношениях водород является самым чистым топливом. Мало того, что водород имеет в три раза большую плотность энергии на единицу массы, чем реактивное топливо, он также не производит ничего, кроме чистой воды при сгорании. На первый взгляд, 100% чистое топливо большой энергии выглядит идеальным решением нашей проблемы выбросов. Но есть одна серьезная проблема - производство водорода по конкурентоспособной цене и без большого углеродного следа оказывается невероятно трудным. Другими словами, и зеленый, и синий водород стоят дорого по сравнению с серым водородом, который имеет значительный углеродный след. Другая меньшая проблема заключается в том, что, как только вы получите водород, его транспортировка окажется трудной и дорогостоящей.

В отличие от проблем, с которыми сталкиваются электрические самолеты и биотопливо, водородные проблемы кажутся в высшей степени разрешимыми. На самом деле Airbus настолько уверен в водородном будущем самолетов, что в сентябре 2020 года раскрыл три концепции для первого в мире коммерческого самолёта с нулевым уровнем выбросов. Эти концепции, как ожидается, поступят на вооружение к 2035 году. Самый большой из трёх концептов будет способен перевозить 200 пассажиров и иметь дальность полета более 2000 морских миль. Хорошей новостью для Airbus является то, что улавливание, хранение углерода и ВИЭ, вероятно, увидят серьёзные технические прорывы в ближайшем десятилетии. Кроме того, многие страны в настоящее время рассматривают водородную экономику как способ сокращения своих выбросов. С инвестициями и стимулами во всё, от водородных автомобилей и грузовиков до водородных танкеров, инфраструктура, которая поддерживала бы водородные самолёты, больше не является несбыточной мечтой.

Одна последняя проблема с водородными самолётами, которую нельзя упускать из виду, заключается в том, что это реально потребовало бы перепроектирования самолетов, поскольку газ должен храниться в специальном резервуаре под давлением. В то время как реактивное топливо и биотопливо обычно хранятся в крыльях самолетов, этот бак должен быть помещен в фюзеляж. Это ещё одна цена реализации изменения, которая, скорее всего, задержит его реализацию. Как вы можете видеть из различных концепций Airbus, новые конструкции могут работать с переделкой существующих конструкций или могут потребовать совершенно нового парка самолётов.

Как лучше всего сократить авиационные выбросы ?

Как ни странно, но наибольший вклад в снижение выбросов в авиационной промышленности за последние 40 лет был сделан постепенным повышением эффективности, достигнутым промышленными инженерами. Однако закон убывающей отдачи предполагает, что эти улучшения эффективности приближаются к своему пределу, и для того, чтобы авиационная отрасль и дальше значительно снижала выбросы, потребуется новый технологический прорыв.

Биотопливо, безусловно, играет определенную роль в будущем авиакомпаний с низким уровнем выбросов, но только очень специфическое биотопливо и, скорее всего, в относительно небольших объемах. Электрические самолеты, с другой стороны, вряд ли станут коммерческими в ближайшее время, хотя это может быть та область, где больше всего ожидается технологический прорыв из-за важности аккумуляторных технологий во многих отраслях будущего. Тем не менее, даже тогда вы, скорее всего, будете смотреть на гибридный самолёт, который сочетает в себе топливо и батареи. Кажется, что водородные самолеты - лучшее долгосрочное решение для авиационной промышленности, свободной от выбросов, но создание и развитие глобальной водородной инфраструктуры при сохранении низких затрат займет некоторое время.

Так что, возможно, в будущем можно будет летать без выбросов вредных веществ… Я надеюсь.

Джош Оуэнс