Alternatív üzemanyagok és a karbonsemleges repülés víziója II. rész


Alternatív üzemanyagok és a karbonsemleges repülés víziója II. rész
Olvasási idő: 9 perc

Előző cikkünkben a kerozin felhasználásának beágyazottságáról írtunk.

A jövő paradigma és tabudöntögető nézetei azonban, lassanként a polgári repülés gazdasági ágazatába is elérnek. Valós alternatíva lehet-e a karbonsemleges repülés? Mennyi esély van az alternatív üzemanyagok használatára? A második részben ezeket járjuk körül!

Az üzemgazdaságosság és műszaki, technológiai érvek sokasága áll a legfőbb hajtómű-üzemanyag, a kerozin mellett. Noha a repülés feltalálása óta rendíthetetlenül folyik a kísérletezés, a sugárhajtóművek tekintetében a szénhidrogén egyeduralma szinte megkérdőjelezhetetlen. A jó hír az, hogy csak ,,szinte”. Ugyanis a félig megvalósult és tervezőasztalon maradt ötletekből eddig sem volt hiány, viszont a körülmények változása talán először ad lehetőséget a fordulatra!

A modern repülőgépek, különösen a polgári légi szállításban alkalmazottak, magas minőségű üzemanyagokat igényelnek. Az optimális működés a biztonság legfőbb garanciája! Ezért vannak minőségügyi szabványok mind a tárolásra, mind az alkalmazásra. Már a kereskedelmet is számos, nemzetközi szabvány határozza meg. Ezek közül a leggyakoribb az ASTM D 1655 és a DefStan 91-91 Issue. Ez azt jelenti, hogy az előbbi szabványok, pontos indikátorokat tartalmaznak, amik alapján a felvásárló bizonyossággal veheti át és árusíthatja az adott üzemanyagot.

A szabványosítás folyamatosan bővül, hiszen nem egy üzemanyagfajta áll össze eltérő adalékokból.

Az Egyesült Államok Szabványügyi Testületének Nemzetközi Repülőgép Tüzelőanyag Albizottságának koordinálásával, az iparban jelen lévő szervezetek alkották meg a szabványokat, illetve a tüzelőanyagok minősítés és rendszerbe állítás folyamatának szakszerű leiratát. Ami témánk szempontjából a legfontosabb, az az ASTM D4054 jelzésű szabvány. Ez a ,,szabványos eljárások új repülőgép-hajtóanyagok és adalékok minősítéséhez” alcímmel készült irat nyitja meg az alternatív üzemanyagok rendszeresítésének lehetősége előtt az utat.

Globális iránymutatást ad a hajtómű-, repülőgép és alkatrészgyártók hármasának, hogy az alternatív hajtóanyagok gyártóinak könnyebb dolguk legyen. Célzottan vizsgál olyan területeket, amellyel jelentősen felgyorsítható az engedélyezési eljárás. A D4054 az alaptulajdonságoktól, a kiterjesztett vizsgálatokon át, a megfelelő hajtóműtesztek paramétereinek megadásáig vezet végig. Ha minden ezen irányelvek szerint történik, az engedélyeztetést nem gáncsolhatja el a bürokratikus lobbi. Ha az új termék gyártója pontosan megadja az összetételt, a vegyület tulajdonságait, teljesítményértékelését és természetesen az előzetes teszteket, akkor terméke a ,,polcokra kerül”.

Ezután már csak olyan nemzetközi szervezetekkel kell kapcsolatba lépni, mint az ASTM (Amerikai Társaság a Tesztelésért és Anyagokért) International, a CRC (Koordinációs Fejlesztési Tanács) és a CAAFI (Polgári Repülés Alternatív Üzemanyagok Kezdeményezés).

A fentiekkel, valamint egyéb tematikus és regionális szervezetekkel együttműködve létesül egy bizottság, amelynek tagjai maguk a fejlesztők is. Az engedélyeztetés három fázisból áll: először a tesztprogramra kerül sor. Itt az alaptulajdonságokat, a rendszerbe illesztési lehetőségeket, az alkatrész-háttért és a hajtóművi próbákat veszik górcső alá. Ha minden stimmelt, a második szakaszban a belső, gyártói felülvizsgálat következik, ami a rendszerbeillesztés tulajdonságait vizsgálja. Végül különféle specifikációs módosítások jönnek, hogy az új szabványosított üzemanyag minden standard szerint megfelelő legyen és a jelenlegi alkatrészek mellett probléma nélkül alkalmazható legyen. Siker esetén a szervezetek tájékoztatják a többi hatóságot, akik a gyártókat és kereskedőket, alkalmazókat fogják össze, hogy mindenki tájékozódhasson az újdonságról.

sugarhajtomu
Sugárhajtómű fázistesztelése. Forrás: Wikipédia

A szabványosítást a különféle nemzetek, törvényi keretek között rögzítik és hatósági felügyelet alá rendelik.

A folyamat többi része nem különbözik egyéb feltalálói, szabványügyi műveletektől! Viszont, ha a nemzetközi klientúra rábólint az új fejlesztésekre, egy-egy nemzeti hatóság dönthet a tiltásuk mellett is. Magyarországon a jogharmonizáció során, a törvénykönyvbe beépített EU-s, illetve NATO szabványok a mérvadóak. Gázturbinás hajtóanyag tekintetében a JET-A1, magas oktánszámú, repülőbenzinek esetében az MSZ 10869:2005 a mérvadó, saját tesztelési mechanizmusokkal, eljárásokkal.

Jelenleg a légi járművek, kivétel nélkül folyékony üzemanyagot használnak. Ezen belül is kétfajtát: repülőbenzint (43 000-44 000 kJ/kg fűtőértékben), amely magas oktánszámú benzin és kerozint (42 000-44 600 kJ/kg fűtőértékben). Előbbi a ma már csak elvétve használt dugattyús, légcsavaros gépeknél áll alkalmazásban, míg utóbbi a sugárhajtóműves, szub-, szuper- és hiperszonikus gépeknél. Megjegyzendő, hogy kiegészítésként használatban vannak egyéb, földi kötöttpályás vagy közúti használatból ismerős üzemanyagok is, például a dízelolaj, a kisebb gépeknél. Az alkalmazás mértéke azonban nem számottevő, a személyszállításban pedig zéró.

Azonban mindhárom elegy, a hasonló szennyezési mutatói miatt, lecserélendő!

A fentiek során láthattuk, hogy sem a bürokratikus, sem a laboratóriumi megközelítésben nincs különösebb akadálya az alternatív üzemanyagoknak. A változáshoz ez azonban nem elég. Ahhoz, hogy véget vethessünk a kerozin felhasználásának és megvalósítsuk a karbonsemleges repülés vízióját, a kőolaj korlátait kell górcső alá vennünk.

Az első akadály a kitermelés perspektíváiban keresendő!

Bár a kőolaj esetében már régen megdőlt az a tétel, hogy a jelenlegi civilizációnk legfőbb anyaga egyszerűen elfogy. Persze a lelőhelyek apadása növeli a kitermelés költségeit, de paradox módon, a globális klímaváltozás miatt, eddig elérhetetlen telepekhez lehet hozzáférni. Hovatovább most vetődnek el egyes jövőbeni konfliktusok írmagjai a nagyhatalmak között, hogy a kietlen, de most már művelésbe vonható földek felett ki diszponálhat, példának okáért az Északi-sarkon.

Az Északi-sark a területi követelések felosztásában
Az Északi-sark a területi követelések felosztásában. Az indok a kontinentális talapzat miatti határ jelentős kitolása a nemzetközi jog szerint. Forrás: The Economist

Ráadásul miközben az energiafelhasználás exponenciálisan nő, a kőolaj felhasználás az ipari energiaszolgáltatók körében egyre csökken, köszönhetően a megújulóknak és a felhasználási kvótáknak. Továbbá a közlekedésben is egyre nő a hibrid meghajtású, illetve teljesen elektromos gépkocsik és egyéb közlekedési eszközök aránya.

Második korlát a kőolaj felhasználásban az ár.

Ha szubvencionálva is, de előbb-utóbb a megújulóból származó energiaárak, a nem-megújulók alá érkeznek. Rossz hír, hogy e sorok írása közben a kerozin átlagára 1,003 Euró/liter. Természetesen ez nettó összeg, erre még ráterhelődik az áfa és a jövedéki adó is. Ezzel együtt az ár 1,347 Euró/literre módosul. Ugyanakkor a kormányok az adóztatással drágíthatják a kerozint, azonban ezzel a saját gazdasági céljaikat áshatják alá.

Bár az üzemanyagárak növekedése kétségkívül folyamatos technológiai innovációt és korszerűsítést ösztönöz a repülésben; ami évtizedek óta létező jelenség. Mivel azonban a költségcsökkentés célja megelőzi a szennyezési célokat, a hajtóművek mellett – amelyeket külön cégek készítenek, mint a sárkányokat – a szerkezetek átalakításával, az aerodinamika jobb kihasználásával érik el céljaikat. A gépek kialakításáért felelős nagy konszernek pedig, mint például az Airbus és a Boeing, gyártják azokat a légiflottákat, amelyek hosszú évtizedekig tartó üzemidővel rendelkeznek. Persze könnyebb lenne külön csak a hajtóműgyártókat ösztönözni, azonban ennek akadályát képezi, hogy igen érzékenyek a fentebb említett konszernek felvásárlásaira. Ezzel a kör bezárult!

Eleddig tehát nem túl rózsás a helyzet a karbonsemlegesség tekintetében, azonban a számok bizakodásra adhatnak okot!

Egy-egy újabb hajtómű-generáció rendszeresítése és a digitalizáció, átlagosan 25 százalékkal csökkenti az üzemeltetési költségeket, amiben a kerozin felhasználásának csökkenése is vaskosan benne van. A fentebb elemzett két akadály, volumenében kevéssé érinti a polgári repülést. Mivel a lelőhelyek kiapadásának biztonsági kockázata, az elérhetőség és a technológiai fejlesztések következtében megvalósuló hatótávolság növekedés a katonai repülést foglalkoztatja inkább. A polgári repülésben jelen lévő vállalatok – főleg a fapados légitársaságok – jellemzően nem rendelkeznek akkora likviditással vagy cash-flow-val, amivel maguk is befektetővé válnának az új technológiás üzemanyagok meghonosításában. E cégek dinamikája inkább a payout ratio, vagyis a befektetőknek való osztalék kifizetésekre, az ő profitjuk növelésére fókuszál, nem a bolygó zöldítésére, a belélegezhető levegő tisztítására.

Az átütő, paradigmaváltó erőt tehát a koncentrált és globális szabályozás, illetve az adóztatás hozhatná el, aminek politikai kialkudására napjainkban magas az esély. Természetesen a cikk nem lenne teljes, ha nem említenénk meg egy másik faktort: a légi katasztrófákét. Ahogy a légügyi balesetek, a hatóságok által, nemrég bevonatták a Boeing 737 MAX engedélyét, majdnem padlóra küldve a Boeing polgári repülési vállalat részét, egy üzemanyaggal történő meghibásodás és katasztrófa is hasonló folyamatokat indukálna. Erre azonban kevés az esély, mivel pont az üzemanyag felhasználás és az azokat kísérő biztonsági előírások és alkatrészek számítanak a leginkább ellenőrzött területnek. Ráadásul senki sem kívánhatja, hogy esetlegesen több száz ember halála árán mentsék meg a bolygó lakosságát. Képregények oldalaira kívánkozó sötét dilemma ez!

Mégis az emberi kíváncsiság és fejlődés folyamatosan ontja az ötleteket és szövi a víziókat az átállásról!

Az alternatív energiaforrások, üzemanyagok kiválasztásának a következők a szempontjai. Magas fűtőértékűnek kell lennie, hogy biztosítsa a fokozódó távolsági és sebességi igényeket a polgári repülésben. Nem szabad, hogy környezetszennyezőbb legyen, mint a meglévők, illetve fontos szempont a üvegházhatás elkerülése is. Fontos, hogy kémiai halmazállapotát tekintve stabil legyen, hogy ne léphessen reakcióba a repülőtéren található egyéb anyagokkal. Megbízható és könnyű kitermelhetőségű, illetve feldolgozhatóságú legyen, vagyis leginkább olcsó. A repülésen kívül alkalmas legyen a repülőgép egyéb rendszereinek, például légkondicionáló és sárkány elemek hűtésére. Legfontosabb azonban, hogy gyorsan adaptálható legyen a már meglévő infrastruktúrákhoz!

A telitalálat az lenne, ha az újfajta alternatív üzemanyag, a fentieknek egyszerre felelne meg!

Sajnálatos módon, egyes megújulók, úgymint a víz, szél, árapály és geotermikus energiaforrások tökéletesen alkalmazhatatlanok a repülésben. A kiegészítő jellegű keverékek pedig csak elódáznák a problémát, nem megoldanák azt. A biomassza és egyéb bioetilének nem mennek át a szűrőn, mert a szükséges növények termesztése agrotechnikai okok miatt korlátos és a teljesítmény is alacsony, egységnyi üzemanyagra vetítve. A cseppfolyósított gázok, mint a földgáz, propán, bután, metán vagy a kisebb szénatomszámú paraffinok az égéskor keletkező szén-monoxid miatt, illetve a szerkezet tömegének növekedése miatt szintén kiesnek.

Tupoljev Tu-155 kísérleti repülőgép
Tupoljev Tu-155 kísérleti repülőgép, hidrogén üzemanyaggal működtetve. A kék henger az üzemanyagtartály. Forrás: Avia Solutions Group

Legjobb adatai és megfelelő kiválasztási potenciálja a hidrogénnek van. Égéshője 2,7-szerese a kerozinénak. Az égés karakterisztikája, vagyis a láng terjedési sebessége és hőmérsékletének megoszlása is jobb mutatókkal rendelkezik. 1 kg kerozin elégetésekor 3,16 CO2 és 1,25 kg H2O keletkezik, viszont 0,36 kg hidrogén elégetése akkora energiatartalommal rendelkezik, mint 1 kg kerozin. Ugyanakkor ennyi hidrogén 3,21 kg vizet termel. A hidrogén lenne a legtisztább, hiszen szennyező és melegházhatású gázt nem termel, kivéve nitrogén-oxidokat. Az 1980-as években több kísérlet is történt mind amerikai, mind szovjet részről az alkalmazhatóságot tekintve.

A hidrogén végül azért nem került rendszeresítésre, mert az előállítási elektrolízishez túl sok energiára lenne szükség, ami növeli a költségeket és jellemzően nem-megújuló forrásból származó erőművek biztosítanák azt. Ez a jövőben változhat. Ugyanakkor a hidrogén, alacsony sűrűsége miatt, négyszeres tartálytérfogatot igényelne, mint a kerozin, amit elég nehéz biztosítani a repülők többségén. A nagy utasszállítók esetében ez nem lenne probléma, de a hatalmas jetek a reptéri infrastruktúrájának átalakítási költségei miatt zsákutcának bizonyultak. Továbbá a víz, mint melléktermék, ekkora mennyiségben képes üvegházhatást produkálni.

Az ötlet mégis azért eleve elvetélt, mert a cseppfolyós halmazállapot fenntartásához -253 – -262 Celsius fok megléte szükséges. Az ehhez való aktív és passzív szigetelés pedig máig kidolgozatlan.

A hidrogén felhasználása sohasem került ki a kutatóintézetekből, viszont a cseppfolyós gázokat Oroszország használja, ACKT típusjelzésű üzemanyagként. Ebben az esetben sem terjedt el, hiszen a felhasználáshoz a tartályokat a gép törzsébe kellett installálni, ami nem járható út a személyszállításban. A cseppfolyósított gázok felhasználása érthető fejlődési irány a kőolaj-kitermelő országoknak, azonban égésük szennyező. A hagyományos kerozin leváltását a polgári repülésben nem garantálhatja, maximum stratégiai alkalmazása lehetséges a harcászatban, a katonai szállítás nagyobb gépein, illetve egyes helikoptertípusokon.

A fentiek keverésével és a fedélzeti rendszerek egyéb forrásból történő kiszolgálásával csökkenthető az üzemanyag-felhasználás, ezáltal a szennyezés is, miközben a teljesítmény és a gazdaságosság növekszik. Ez a megoldási stratégia azonban a farkába harapó kígyó, hiszen még több standardot és bonyolultabb infrastruktúrát jelentene, ami globális szinten eleve gátolja az elterjedést. Nem beszélve a biztonsági előírásokról! Az üzemanyag tankba juttatása után, a robbanásveszély miatt, minden csövet át kell fúvatni héliummal, hogy oxigén ne kerülhessen be. Az optimális út a fly-by-wire rendszer és a Full Authority Digital Engine Control (FADEC), ami lehetővé teszi a repülőgép és speciálisan a hajtómű digitális vezérlését. Ezáltal a vezérlés a lehető legjobban lesz optimalizálva a lehetőségekhez képest.

A teljes elektromos üzem válthatná valóra azokat az elképzeléseket, amely szerint a polgári repülésben teljesen, mindenféle kompromisszumtól mentesen, megszüntethetővé válna a kerozin egyeduralma.

Az elektromos repülés nem pár éve bontogatja a szárnyait. Valódi, sok millió dolláros és eurós programok zárultak le eredményesen és vannak máig folyamatban. Az Easyjet légitársaság a közeljövőben tervezi egy elektromos flotta felszerelését, amelyek a tervek szerint 186 személyt tudnának 800 mérföldes hatótávolságon belül szállítani. Tehát a kérdés már nem az, hogy lehetséges-e, hanem hogy mikor. Bár a mikéntet a kompromisszumok tükrében figyelembe kell venni.

MQ-1-es Predator robotrepülőgép
MQ-1-es Predator robotrepülőgép felfegyverzése valahol a közel-keleti sivatagban. Sikeressége nyitott utat a polgári drónoknak, amelyek ma főként akkumulátorral működnek. Fotó forrása: Defense blog

Az elektromos motorok esetében nem beszélhetünk konkrét üzemanyagról. Kivéve azt az esetet, amikor adott anyagot egy mechanikus erő folytán árammá alakítanak. Ez a módszer egy repülő esetében nem megoldható. Az elektromosságot közvetlenül kell megteremteni.

2009-ben szállt fel, demonstrációs célzattal, az a napelemekkel felszerelt Solar Impulse, amely 8 db egyenként 1200 W teljesítményű motorral volt felszerelve. A vezetőfülkében egy pilóta kapott helyet; a szerkezet ultra könnyű, 1600 kg volt és a repülő 70 km/h sebességre volt képes. A napelemek 12 000 fényelektronikai cellából álltak, ezek töltötték folyamatosan az 500 kg-os akkumulátorokat. Sajnos ez a megoldás a gép működtetése mellett nem képes egyéb fedélzeti elektronikát, kényelmi berendezést működtetni.

A napelemek nem voltak képesek elegendő felesleget termelni az energiából, hogy egyéb feladatokra is életképes megoldást nyújthasson a Solar Impulse. Az elektromos meghajtás ezirányú fejlődése sajnos korlátos a jelenlegi akkumulátor technológia pedig elégtelen a tárolóképessége miatt is. A kerozin űrmértékbeli töredéke biztosít annyi energiát, amit csak több kilogrammnyi akkumulátor képes tárolni. Egy utasszállító esetében ezek a számok óriásiak. Ráadásul az akksik tűzvédelme is gyerekcipőben jár. Természetesen az energia tárolásának egyéb módjai is vannak, mint például az üzemanyagcellák, ultrakapacitátorok.

Ezek lehetővé teszik, hogy kémiai megkötéssel az energia tárolása lehetségessé váljon. Ezzel az elektromotor hasonlóan ,,feltankolható” lenne, mint egy gépkocsi.

A Solar Impulse kisgépe, kicsit átalakítva. Forrás: Energiainfo

Az 1970-es évektől, de főleg az utóbbi 20 évben számos hibrid és elektromos szerkezet épült, de még egyik sem hagyta el a kutatóintézeteket vagy a ,,rekord döntögetős” köröket jelentő, földrész átszeléseket.

Az Airbus konszern 2017-ben indította az E-Fan X programot. Ez egy átalakított utasszállítót jelöl, amelynek egyik hajtóművét elektromos meghajtásúra cserélték. Bár a programot tavaly elkaszálták, 2021-ben mégis újraindították. A próbák ígéretesek és a hibridmeghajtás előretörését hozhatják el. Belátható időn belül, körülbelül 2050-re. Az igazi áttörést azonban egy kis ország hozta, 2020-ban. Egy szlovén cég, a Pipistrel Aircraft megalakulása pillanatától kezdve az elektromos repülőgép álmát kergette. 2020 júniusában az Európai Unió Légügyi Biztonsági Hatósága, az EASA, amely az itteni szabványosításért felel, működési engedélyt adott a Model Virus SW 128-as típusjelű gépnek, fantázianevén a The Velis Electro-nak.

Nem csak a gép, de a motor is saját, a már szintén uniós engedéllyel bíró E-811-268 MVLC. A fejlesztés 12 évig tartott és úgy tűnik, beérett a vetés! A motor 57,6 kW-os erőt biztosít, ez üzemidőben 1 óra és 30 perc biztonságos égi jelenlétet nyújt, csaknem 5000 méteres magasságban, 200 km hatósugárban. A motor emellett a teljesítmény mellett képes biztosítani a zéró emissziót és a rendkívül alacsony szervízelési, fenntartási költségeket a kevés mozgó alkatrész és kenés okozta hibák kiküszöbölése miatt. A folyadékhűtéses E-811, az első engedélyezett elektromos repülőmotor, amivel maga az Európai Unió is nagyot lépett előre az elektromos meghajtás technológiai világversenyében.

A Pipistrel technológiája úttörő: bár a motor robusztus, könnyű beépíteni.

Ez lehetővé teszi, hogy egyéb gépekben is helyet kapjon és kisebb módosítások után csatlakozzon a decentralizált elektromos meghajtású, akár decentralizált erőforrásokhoz. Ami platform megoldást jelent, utat nyitva a többi fejlesztő, vagyis az egyre jobb meghajtást biztosító megoldások előtt. Másfelől viszont a motor egyaránt jól kezeli a statikus és az állítható propellereket is, miközben nem okoz gondot a légcsavarok óramutató szerinti, illetve azzal ellentétes körmozgásának finomhangolása sem.

A motor és a repülőgép certifikáció hosszú karriert jelent a cég és a repülő számára egyaránt. Mindezt teljesen zölden, alacsony fenntartással, csendes és hosszú élettartamra kalibrálva. Ezzel bizonyítást nyert, hogy a karbonsemleges repülés nemcsak, hogy lehetséges, de nagy és fényes jövő áll az egész aviatikai típuscsalád előtt!

Források:

pipistrel-aircraft.com
easa.europa.eu
smart-energy.com
nasa.gov
debrecenairport.com
caafi.org
agsci.oregonstate.edu
hadmernok.hu
repulestudomany.hu



Previous A bölcsességfogak problémái
Next Az ökológiai kutatás kihívásai

No Comment

Leave a reply

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöltük