Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии экологического менеджмента при эксплуатации воздушных судов. Учебное пособие
.pdf
сразу три фирмы создали и передали в эксплуатацию супермощные двигатели с камерами сгорания принципиально нового типа, характеризующиеся снижением выброса оксидов азота на 40 %.
Полученные результаты исследований атмосферных процессов планеты, проводимых под эгидой ООН, показывают, что экологически допустимый уровень выбросов оксидов азота составляет не более 5 г на
один килограмм
топлива в крейсерском режиме полета. Это в три раза
ниже, чем у наиболее совершенных камер сгорания. В наши дни
авиадвигатели с характеристиками выбросов в атмосферу на таком
уровне только разрабатываются промышленными и научными организациями технологически наиболее развитых стран.
Рис. 3.6. Сопоставление реальных значений контрольных
параметров выбросов ЗВ в атмосферу с нормами ИКАО
для некоторых авиадвигателей
41
Приведенные на рис. 3.6 диаграммы позволяют сопоставить реальные значения контрольных параметров выбросов ЗВ в атмосферу с нормами ИКАО для некоторых эксплуатируемых авиадвигателей. Причем
обсуждаются реальные шаги по введению ограничений на выбросы ЗВ
от двигателей ВС на этапе крейсерского полета для дозвуковых и сверхзвуковых самолетов, так как доказано влияние выбросов
оксидов углерода, азота, серы, паров воды в верхней и нижней тропосфере на процессы глобального изменения климата.
3.4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МОДЕЛИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
Очередное ужесточение требований к выбросам ЗВ авиадвигателями ВС в зоне аэропорта и режиме крейсерского полета ожидается
в ближайшие пять лет. К числу отечественных ВС, оснащенных двигателями, соответствующими действующим и перспективным
международным требованиям по выбросам ЗВ в атмосферу, относятся Ту-204,
Ил-96-300, МС-21, Superjet 100, Ил-114-300, CR-929, некоторые другие
ВС, проходящие в настоящее время сертификационные испытания. Застой в российском гражданском двигателестроении, вызванный развалом экономики в 90-х гг. XX века, закончился. Оснащаются новыми
двигателями транспортные ВС Ил-76. Отечественный МС-21 – среднемагистральный пассажирский лайнер заканчивает
процесс сертификации, будет введен в эксплуатацию в ближайшее время с отечественным
авиадвигателем ПД-14. Экологические характеристики авиадвигателя
ПД-14 полностью соответствуют нормативам ИКАО. Например, уровень выброса оксидов азота меньше нормативного более чем на 30 %.
Удалось достигнуть 25 % экономии топлива, снижения выбросов на
20 %, уменьшения технологических затрат на обслуживание на 6…7 %,
времени взлетно-посадочного цикла
на 20 % по сравнению с ближайшими конкурентами Comac C919 (Китай), Boeing 737 MAX, Airbus
A220, A320neo. Десятки ВС модели Сухой Superjet 100 эксплуатируются на отечественных и зарубежных авиалиниях уже несколько лет.
Специалисты постоянно работают в области улучшения эксплуатационных, экологических и других характеристик этого среднемагистрального пассажирского лайнера. Для справки: все самолеты Boeing 737 max
отстранены от эксплуатации во всем мире из-
за существенных недоработок электронного оборудования, которые явились причиной двух крушений в 2019 г.
42
3.4.1. ПРИМЕНЕНИЕ БИОТОПЛИВА
Биотопливо – это топливо, полученное из материала биомассы растений. Биотопливо обеспечивает значительную экономию выбросов
двуокиси углерода. Растения во время роста поглощают углекислый газ
и выделяют в атмосферный воздух кислород. Ряд авиакомпаний выполнил испытательные полеты на биотопливе, в том числе Virgin Atlantic,
на котором один двигатель работал на смеси из 20 % кокосового масла
и 80 % традиционного реактивного топлива. Другой пример: компания
Continental Airlines, самолет которой летал с одним двигателем, работающим на смесях 44 % масла ятрофы, 6 % масла водорослей и 50 % традиционного топлива для реактивных двигателей. Другие авиакомпании,
такие как Air New Zealand и Japan Airlines, также демонстрируют возможности использования биотоплива. Авиакомпания Virgin Atlantic недавно объявила о разработке первого в мире по-настоящему «зеленого»
авиатоплива. Разработчики утверждают, что использование нового топлива позволит вдвое сократить углеродный след самолетов по сравнению с традиционными энергоносителями. Разработки будут вестись
под эгидой новозеландского представительства американской корпорации Lanza Tech, которая является автором революционной технологии в сфере авиатоплива.
Другая новая технология заключается в использовании газов, получаемых при промышленном производстве стали, для создания этанола,
который может быть использован как топливо для самолетов. Преобразование промышленных газов в топливо будет производиться по технологии Swedish Biofuels.
Много усилий сосредоточено на внедрении экотоплива SAJF
(sustainable alternative jet fuel), которое получают из городского мусора
и отработанного растительного масла. Углеродный след от нового авиационного горючего значительно ниже, при этом не требуется изменений
в конструкции самолета. Авиационная промышленность Европы запустила план Destination 2050 по достижению углеродного нейтралитета
к 2050 г. В стратегии говорится, что 92 % выбросов
углекислого газа
в авиации можно сократить за счет использования чистых технологий.
Американская авиастроительная корпорация Gulfstream, использующая
SAJF в своей штаб-квартире в Джорджии с 2016 г., налетала на нем
920 тыс. миль и сэкономила 870 т диоксида углерода. Пробные полеты
на SAJF выполнили также Challenger 35, Bombardier, Legacy 500,
43
Embraer. По оценкам специалистов, на нем могут безопасно летать
20 тыс. бизнес-джетов. Проблема одна – SAJF пока еще дороже тради-
ционного аналога, получаемого из нефти. Много компаний, активно использующих биотопливо, зарегистрированы в Азии, например воздушное судно Hainan Airlines совершило трансокеанский перелет на биотопливе. Самолет Boeing 787, заправленный топливом на основе растительного масла, прилетел
из Пекина в Чикаго. Горючее содержало и стандартный авиационный керосин, но на 15 % состояло из масла вторичного использования, которое собирали в кухнях ресторанов Китая.
Авиакомпания Singapore Airlines тоже борется за сокращение выбросов,
в том числе за счет использования новых моделей самолетов, более эффективных схем полетов и организации воздушного движения. Компания EasyJet объявила о закупке большой партии экологичных аэробусов
A320 Neo. Новые самолеты производят на 15 % меньше
СО
2
и потреб-
ляют на 15 % меньше топлива. В Европе авиакомпания Finnair несколько лет назад запустила трансатлантический рейс Хельсинки –
Нью-Йорк на новых самолетах, использующих биотопливо. При покупке билета на рейсы авиакомпании можно оплатить биотопливо.
Можно также перевести любую сумму и на другую инициативу перевозчика, например на развитие проекта по
улавливанию углерода и посадку деревьев. У авиакомпании Airbus тоже далеко идущие планы: концерн поставил цель создать к 2035 г. первый самолет с нулевым выбросом вредных веществ. KLM разрабатывает самолет Flying V со сниженным общим весом и аэродинамическим сопротивлением. Он может вмещать столько же пассажиров, сколько и новейшие Airbus, но при этом
будет
на 20 % экономичнее. Организация с аббревиатурой MIB проводит опытно-конструкторские работы в Манчестерском институте биотехнологии в Великобритании. Они утверждают, что замена авиатоплива морской водой – вопрос пяти-семи лет. По словам директора института Найджела Скраттона, биотопливо, получаемое с помощью
водной бактерии Halomonas, полностью сгораемо, безопасно для окружающей среды и
экономически выгодно. Проблема традиционной
нефти в том, что после очистки в ней все равно остаются вредные вещества (включая оксиды азота и серы), которые загрязняют атмосферу. При сгорании биотоплива выделяются только двуокись углерода и пары воды. К сложностям внедрения следует отнести проблемы
формирования исходного материала для создания биотоплива. Биоэтанол
44
получают из кукурузы, которая занимает большие территории сельскохозяйственных земель, а водоросли требуют строго контролируемых условий до полного развития культуры. Эта проблема решается
в настоящее время. Водную бактерию Halomonas можно выращивать на
пищевых отходах, что сделает производство более чистым и дешевым
по сравнению с другими видами биотоплива. Требуется разработать
промышленную технологию
процесса. В испытании Continental Airlines
в 2009 г. двигатели, работающие частично на биотопливе, сожгли
меньше топлива, чем двигатели, работающие на традиционном топливе.
Генеральный директор Continental Airlines Ларри Келлнер пишет: «Это
хороший шаг вперед, возможность действительно изменить ситуацию в
окружающей среде», благодаря снижению выбросов двуокиси углерода
в атмосферу на 50…80 % по сравнению с существующими силовыми
установками. Кроме
того, было проведено несколько испытаний, в которых использовалась смесь обычного топлива на нефтяной основе
с биотопливом. Например, в рамках этого испытания Virgin Atlantic совершил полет на Boeing 747 из London Heathrow в Amsterdam Schiphol
24 февраля 2008 г., на одном двигателе использовалась комбинация кокосового масла и масла бабассу. Это топливо применимо для заправки
небольших реактивных лайнеров, поршневых
самолетов после модификаций их двигателей. В декабре 2008 г. самолет Air New Zealand совершил первый полет коммерческой авиации, частично используя топливо
на основе ятрофы. Ятрофа, используемая для производства биодизельного топлива, может произрастать на маргинальных сельскохозяйственных землях, где деревья и сельскохозяйственные культуры не растут
или дают низкий урожай. Авиакомпания Air New Zealand установила
несколько общих
критериев устойчивости для своего Jatropha, заявив,
что такое биотопливо не должно конкурировать с пищевыми ресурсами,
что оно должно быть конкурентоспособным по стоимости с существующим топливом. В январе 2009 г. компания Continental Airlines в Северной Америке применила чистое биотопливо для питания коммерческих самолетов. Это был первый полет авиаперевозчика с использованием двухмоторного
самолета Boeing 737-800, оснащенного двигателями CFM International CFM56-7B, для демонстрации экологически безопасного биотоплива. Смесь биотоплива включает компоненты, полученные из растений водорослей и ятрофы. Начиная с 2014 г. авиакомпания British Airways в сотрудничестве с муниципальными органами
45
для производства биотоплива использует полмиллиона тонн отходов
ежегодно, которые обычно отправлялись на свалку из лондонского Сити.
Биотопливо, полученное из отходов, производит до 95 % меньше загрязнения в течение своего жизненного цикла, и поэтому такая мера сократит
выбросы, эквивалентные снятию с дороги 42 000 автомобилей ежегодно.
Одной из топливных альтернатив биотопливу является топливо
avgas (Swift Fuel), которое
находится в стадии разработки. Топливо
Swift было одобрено в качестве испытательного топлива организацией
ASTM International в декабре 2009 г., что позволило компании продол-
жить свои исследования и провести сертификационные испытания.
Мэри Русек, президент и совладелец Swift Enterprises в то время, предсказывала, что «100SF будет иметь на рынке сопоставимую цену, более
экологичную и более экономичную, чем другие
виды топлива для авиации общего назначения». С июня 2011 г. пересмотрены международные
стандарты авиационного топлива, которые официально разрешают коммерческим авиакомпаниям смешивать до 50 % обычного реактивного
топлива с биотопливом. Возобновляемые виды топлива могут быть смешаны с обычным коммерческим и военным реактивным топливом в соответствии с требованиями недавно выпущенного издания ASTM D7566.
В декабре 2011 г. FAA объявило о выделении 7,7 млн долларов США
восьми компаниям для продвижения разработки биотоплива для коммерческой авиации с особым упором на топливо ATJ (спирт для реактивного топлива). В рамках программ CAAFI (Инициатива по альтернативному топливу для коммерческой авиации) и CLEEN (Непрерывное
снижение выбросов, энергии и шума) FAA планирует оказать помощь в
разработке экологически безопасного топлива (из спиртов, сахаров,
биомассы и органических веществ, таких как пиролизные масла), которыми можно заправлять самолет без изменения существующей инфраструктуры. Грант также будет использован для исследования того, как
топливо влияет на долговечность двигателей и стандарты контроля качества.
Некоторые ученые и компании, такие как GE Aviation и Virgin Fuels,
разрабатывают технологии биотоплива для использования в некоторых
авиационных двигателях, например Wilksch WAM120 (семейство двухтактных дизельных двигателей), которые могут работать на чистом растительном масле.
Наконец, сжиженный природный газ – еще одно топливо, которое
используется в некоторых самолетах. Помимо более низких выбросов
46
парниковых газов (в зависимости от того, где добывается природный
газ) еще одно важное преимущество для авиационных компаний, имеющих значительные парки воздушных судов, – это цена, которая намного
ниже, чем цена авиационного керосина.
3.4.2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ
В настоящее время ведутся интенсивные исследовательские и опытноконструкторские работы с целью разработки, внедрения альтернативных
силовых установок воздушных судов.
Перспективной экологической разработкой является водородноэлектрический самолет ZeroAvia. Самолет сможет принять на борт до
20 пассажиров при дальности перелета около 800 км, так что он может
стать опцией для местных рейсов.
Современные технологические разработки
применительно к небольшим самолетам доказывают возможность летать только на электричестве. Самолет с электроприводом не выделяет парниковых газов и может заряжаться возобновляемой энергией. По состоянию на май 2020 г.
самым крупным самолетом, совершившим успешный полет (30 мин),
был модифицированный Cessna 208B Caravan, способный перевозить
девять пассажиров и пилота. Электроэнергия для этого полета стоила бы
6 долл. США (4,80 фунтов стерлингов), тогда как обычное топливо для
30-минутного полета стоило бы 300…400 долл. США (240…320 фунтов
стерлингов). Однако текущая максимальная удельная энергия литийионных батарей составляет 250 ватт-часов (Вт ꞏ ч) на килограмм (кг),
в то время как удельная энергия керосина (реактивного топлива) составляет около 12 000 Вт ꞏ ч
на килограмм. Это означает, что электрические
самолеты должны нести относительно большие батареи, а это снижает
дальность полетов. Поэтому в настоящее время они не подходят для
авиалайнеров дальнемагистральных рейсов. По оценкам экспертов,
большие электрические самолеты не будут доступны до 2040 г., полная
электрификация всей авиации будет невозможна до 2070 г. В ближайшем будущем
самолеты для местных авиалиний, вероятно, станут хорошими кандидатами для скорейшего принятия их на вооружение. Для
Британского комитета по изменению климата (CCC) огромные технологические сдвиги сомнительны, но Roland Berger указывает на 80 новых
электрических самолетов, которые разрабатываются в рамках программы на ближайшее десятилетие. Полностью электрические силовые
47
установки для небольших воздушных судов и гибридные для более
крупных самолетов с прогнозируемыми сроками коммерческого обслуживания планируются к внедрению в начале 2030-х гг. на ближнемагистральных маршрутах, таких как Лондон – Париж, а с полностью электрическими силовыми установками на всех маршрутах ожидаются не
раньше 2045 г. Авиационные эксперты прогнозируют, что к
2050 г. доля
двуокиси углерода в авиации может составить 24 %, при условии улучшения топливной эффективности на 1 % в год и отсутствия электрических или гибридных самолетов. С другой стороны, доля двуокиси углерода может снизиться до 3…6 %, если каждый 10-летний самолет будет
заменен электрическим или гибридным воздушным судном. Достижение таких целей столкнется
с массой проблем законодательного, эконо-
мического, технологического характера.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 3
1. Изложите основные тенденции развития авиаперевозок и потреб-
ления топлива воздушными судами.
2. Дайте характеристику передвижным источникам загрязнения атмосферного воздуха на территории аэродромных комплексов в режиме
взлетно-посадочного цикла.
3. Приведите основные факторы, от которых зависит уровень химического загрязнения атмосферного воздуха в
районе размещения аэро-
порта.
4. Охарактеризуйте структуру выбросов загрязняющих веществ
в аэропорту.
5. Проведите краткий анализ служб и технических средств, обеспечивающих экологическую безопасность комплекса аэропорта.
6. Дайте характеристику ЗВ, выделяемым силовыми установками
воздушных судов во время взлетно-посадочного цикла.
7. Приведите обоснование введения условного взлетно-посадочного
цикла (ВПЦ).
8. Дайте характеристику теплофизическим
параметрам атмосферного воздуха, определяемым Международной стандартной атмосферой
(МСА).
9. Приведите основные этапы сгорания топлива в двигателях воз-
душных судов.
48
10. Дайте характеристику рабочим пространствам камеры сгорания
двигателя самолета.
11. Опишите режим работы силовой установки воздушного судна,
при котором наблюдается резкое увеличение концентрации окиси углерода и углеводородов.
12. Приведите закономерность изменения удельных показателей вы-
деления оксидов азота в разных режимах полета.
13. Опишите процесс влияния влажности воздуха на выброс оксидов
азота в
атмосферу при работе силовой установки воздушного судна
и последующее загрязнение атмосферного воздуха.
14. Приведите основные шаги измерения числа дымности («SN» –
smoke number).
15. Дайте характеристику режимам полета, при которых дымление
достигает максимума.
16. Дайте характеристику диапазону изменения размеров частицы
сажи в выхлопных газах силовой установки воздушного судна.
17. Сформулируйте основные положения методики определения
удельного показателя
выброса (EI).
18. Приведите основные параметры удельных показателях выбросов
ЗВ для отечественного авиадвигателя ПС-90А.
19. Дайте характеристику ЗВ в отработавших газах авиадвигателей,
регламентируемых действующими требованиями ИКАО.
20. Приведите методику оценки параметров выброса в атмосферу не-
кого ЗВ для конкретного двигателя.
21. Дайте характеристику химическому составу некоторых альтерна-
тивных топлив для силовых
установок летательных аппаратов.
22. Приведите примеры компонентов, входящих в состав биотоплив
для силовых установок самолетов.
23. Дайте характеристику экотопливу SAJF (sustainable alternative jet
fuel).
24. Изложите основные положения стратегии углеродного нейтрали-
тета в авиации.
25. Приведите примеры альтернативных силовых установок воздуш-
ных судов.
49
ГЛАВА 4
УГЛЕРОДНЫЙ СЛЕД АВИАЦИИ
Углеродный след (англ. carbon footprint) – совокупность всех выбросов парниковых газов, произведенных прямо и косвенно отдельным человеком, организацией, предприятием или продуктом, в нашем случае –
летательным аппаратом. След подсчитывается как эквивалент диоксида
углерода, т. е. вычисляется общее количество углеродосодержащих соединений (двуокиси углерода и метана), поставляемых в атмосферу источником выбросов загрязняющих веществ
принятым в 2006 г., определяется «стандарт Оценки жизненного
цикла». Отмечено, что авиация в целом увеличивает содержание в атмосфере углекислого газа в размере 2,5 % от общего количества мировых выбросов при сохранении тенденции к повышению этой доли.
В 2015 г. Центр биологического разнообразия подсчитал, что самолеты
могут генерировать 43 Гт углекислого газа
5 % оставшегося глобального углеродного бюджета. Без регулирования
авиационная эмиссия может быть до середины века и может быть более
3 Гт углерода в год при быстром обычном развитии. Многие страны обязались сократить выбросы в соответствии с Парижским соглашением,
но сумма этих усилий и обещаний недостаточна, и отказ от
проблемы загрязнения воздуха будет провалом, несмотря на технологические и эксплуатационные достижения. В 2017 г. средний расход топлива авиакомпаний на одного пассажира составил 3,4 л / 100 км (69 миль
на галлон ‑US ), что на 24 % меньше, чем в 2005 г., но по мере роста
трафика на 60 % до 1,643 млрд пассажиро-километров выбросы
выросли на 16 % до 163 млн тонн при 99,8 г / км
. По требованиям ISO 14040,
до 2050 г., потребляя почти
решения
СО
на пассажира.
СО
2
2
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]