Декарбонизация: панацея или чуждая идеология?
21.06.2021
С лета 2020 года, когда Европейская комиссия опубликовала «Водородную стратегию ЕС до 2050 года», тема декарбонизации звучит на самом высоком уровне. В сетях и СМИ идет обсуждение, чем является эта инициатива.
Некоторые считают, что это экономический фокус развитых стран, чтобы еще раз ограбить развивающихся конкурентов (с еще большим размахом) и за их счет прокачать новейшие топливные технологии. Западные страны, как ключевые потребители, смогут жестко диктовать параметры поставки товаров и услуг из третьих стран с внушительным зеленым коэффициентом.
Другие полагают, что это единственный путь сохранить природу и избежать вселенской катастрофы. Возможно, но каким путем, какой ценой? Похоже, мир нашел очередной повод делить всех на своих и чужих.
Камни преткновения
Одним из источников финансирования Водородной стратегии, по замыслу авторов, должен стать «углеводородный» налог на импорт из-за пределов ЕС любых товаров, произведенных с использованием ископаемых энергетических ресурсов. И как недвусмысленный намек в адрес России — слова, сказанные еврокомиссаром по энергетике Кадри Симсон: «Климатическую нейтральность к 2050 году можно достичь только при полном отказе от ископаемых энергетических ресурсов. Все партнеры, поставляющие нам эти виды топлива, должны принимать это во внимание».
А как же с авиационным топливом? Будет ли его достаточно и сколько оно может стоить? В крайнем случае, предлагаются либо невероятные идеи о водородной авиации, либо электрической, либо более хитрые версии с использованием «дополнительного топлива» и т.д. Пока нет даже надежных способов производства, хранения и транспортировки. Только не совсем вразумительные трактовки названий различных видов.
Европейские политики делают ставку не на развитие новых технологий, а на нещадную эксплуатацию и попытки сохранить статус-кво. Без традиционных отраслей развивающиеся страны так и не разовьются. Это позволит и дальше европейскому рынку оставаться самым ликвидным и платежеспособным. Поставщики будут стремиться в Европу, а она менторским тоном будет указывать, кому и сколько платить за поставку не совсем «зеленых» товаров.
В России к этим идеям относятся критически, считая утопическими уже только по экономическим соображениям. К тому же, можно просто соблюсти баланс между выбросами и поглощением углерода природной средой. Или, например, производить водород из воды. Но нет. Процесс пошел по всем направлениям, хотя многие вещи еще только-только созревают технологически.
Сверхлегкие аккумуляторы
True Blue Power, первая компания, получившая сертификат FAA TSO для литиево-ионных аккумуляторов, объявила о включении батареи TB17 в стандартную комплектацию R44 Robinson. При весе всего 7,25 кг батарея емкостью 17 А·ч дает дополнительные 5,9 кг полезной нагрузки по сравнению со стандартной свинцово-кислотной.
Утверждается, что аккумулятор идеален для экстремальных условий. Благодаря автоматическому нагревателю, он превосходит свинцово-кислотные и никель-кадмиевые аналоги при температурах от −40°C до 70°C.
TB17 обеспечивает более высокое напряжение во время запуска, обеспечивая улучшенные характеристики и меньший износ стартера. Более того, проверка емкости требуется только каждые два года, а срок службы в четыре раза больше, чем у любой другой батареи.
True Blue Power также представила свою самую мощную литиево-ионную батарею. Компания, первой получившая сертификат FAA TSO для подобных аккумуляторов, объявила о добавлении модели емкостью 60 ампер-час в линейку продуктов Gen5.
TB60 экономит до 50 фунтов полезной нагрузки. Батарея подходит для более крупных вертолетов Part 135, 29 и 25, которым требуется мощные источники резервного и аварийного питания. Полезный срок службы ─ 8 лет, что до 4 раз дольше, чем у свинцово-кислотных, и на 3 года больше, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов.
TB60 сертифицирована по стандартам TSO-C179b, RTCA DO-311A, RTCA DO-160G и RTCA DO-178C. Отличается высокой надежностью, производительностью и обслуживанием по состоянию. Функция встроенного тестирования предоставляет данные SOC без необходимости внешнего оборудования. Конструкция исключает разливы токсичных металлов и кислоты, снижает выбросы углерода и может быть переработана или утилизирована.
eVTOL
Собственно, все eVTOL попадают в русло перспективных зеленых программ, как например, CityAirbus. Концерн сообщил, что его программа испытаний продолжена. Производитель рассматривает новые формы воздушного транспорта, такие как UAM (городская воздушная мобильность), как возможность получения ключевых технологий для будущих вертолетных платформ, включая электрические и автономные.
Мультикоптер CityAirbus ─ полностью электрический прототип воздушного такси массой 2,2 тонны используется для сбора информации, которая будет использоваться при разработке будущих моделей.
Примечательно, что 24 апреля Airbus и Rolls-Royce объявили о прекращении программы демонстратора гибридно-электрических технологий E-Fan X, основанного на региональном авиалайнере BAe 146.
В связи с этим, технический директор Airbus Грация Виттадини подчеркнула, что Airbus, по-прежнему привержен идеи декарбонизации авиации и использует полученные данные для разработки «более целенаправленной дорожной карты».
Водородные элементы
Компания Urban Aeronautics подписала соглашение с HyPoint, Inc. о включении водородных топливных элементов в конструкцию eVTOL CityHawk.
HyPoint считается лидером в области систем водородных топливных элементов высокой мощности (HTPEM). Компания исследуют возможность усовершенствования гибридного CityHawk с помощью собственной передовой технологии. Конструкция топливных элементов HyPoint отличается нулевыми выбросами углерода и превосходными энергетическими характеристиками за счет высокой удельной и выходной мощности.
Шестиместный eVTOL с уникальной компактной компоновкой оптимален для городского транспорта и экстренных служб. Конструкция без ротора и крыльев обеспечивает повышенную безопасность и неограниченную мобильность со способностью летать «от двери до двери».
Новые топливные элементы с воздушным охлаждением (турбонаддув) увеличивают срок службы водородных силовых агрегатов с 5000 до 20000 часов. Дозаправка занимает всего несколько минут, что является значительным преимуществом перед существующими системами.
Разработчики техники и агрегатов
Испанский производитель авиадвигателей ITP Aero включился в программу ООН «Гонка к нулю», чтобы стать углеродно-нейтральным. Компания заявила о решимости добиться нулевого уровня выбросов досрочно. Не к 2050-му, а к 2030 году.
Обязательство является частью плана ITP Aero по продвижению своих технологий и обеспечению лидирующей роли в достижении чистого нуля авиационной отрасли.
В рамках обязательства ITP Aero продолжит инвестировать в НИОКР более эффективных продуктов и устойчивых решений для декарбонизации мировой экономики. Компания планирует максимально использовать свое влияние на местную цепочку поставок и содействовать сотрудничеству с держателями акций компании, «положительно влияющих на местные сообщества».
Карлос Алзола, генеральный директор ITP Aero, прокомментировал: «ITP Aero разрабатывает чистые, безопасные и конкурентоспособные силовые установки для обеспечения устойчивости авиационной отрасли. Кризис Covid-19 в секторе показал, что декарбонизация сейчас актуальна как никогда».
В свою очередь Airbus ускоряет тестирование «холодных» технологий в рамках своей дорожной карты по декарбонизации. Продвинутый сверхпроводящий криогенный экспериментальный демонстратор силового агрегата (ASCEND) позволит изучить влияние сверхпроводящих материалов и низких температур на характеристики электрических силовых установок.
Использование сверхпроводящих материалов может снизить электрическое сопротивление, а это означает, что можно обеспечивать питание без потерь энергии. Другими словами, охлаждение жидким водородом способно повысить производительность электрической двигательной установки.
Airbus будет использовать ASCEND для изучения возможности применения многообещающих технологий, чтобы оптимизировать архитектуру силовой установки с низким и нулевым уровнем выбросов.
Ожидается, что результаты покажут возможность уменьшения веса компонентов и электрических потерь как минимум вдвое за счет уменьшения объема и сложности установки систем, а также снижения напряжения до уровня ниже 500 В. Демонстратор позволит оценить электрические архитектуры мощностью от нескольких сотен киловатт до многомегаваттных с жидким водородом и без него.
Airbus построит демонстратор в течение следующих трех лет. Решения, которые могут быть адаптированы для турбовинтовых, турбовентиляторных и гибридных двигателей, появятся к концу 2023 года.
Не только Европа
Член Конгресса США Джулия Браунли представила «Акт об устойчивом авиационном топливе». Закон направлен на стимулирование производства экологически чистого авиационного топлива (SAF) и сокращение выбросов углерода в авиационном секторе. Подобные законодательные инициативы будут обеспечивать работу «потайных дверок» для протекционистской политики в отношении национальных перевозчиков.
По словам Дж. Браунли, «авиакомпании должны поставить изменение климата в центр внимания экологически чистые виды авиационного топлива и снижение воздействия отрасли на окружающую среду».
Законопроект создаст налоговую льготу для SAF, а также инвестиционную налоговую льготу для финансирования новых объектов и инфраструктуры. Он предоставит 1 млрд. долларов федерального финансирования для проектов по производству, транспортировке, смешиванию или хранению SAF. Это позволит выделить 175 млн. долларов на финансирование исследований и установления стандарта на низкоуглеродное топливо для авиации.
SAF ─ это добавляемое топливо, которое является взаимозаменяемым заменителем ископаемого реактивного топлива до определенного процента смешивания. Оно действует так же, но отвечает критериям устойчивости. Несколько типов SAF были сертифицированы ASTM International как безопасные для использования на самолетах до определенных пределов смешивания.
С 2011 года более 200 000 авиарейсов использовали SAF. Хотя топливо начинает производиться как в США, так и за рубежом, это делается недостаточно быстро То же сырье используется для производства возобновляемого дизельного топлива (RD) для наземного транспорта. Оно дешевле, но не может использоваться в авиации.
Та же история с «добавленным топливом» для военных вертолетов. Британские Wildcat в настоящее время используют обычное топливо, но смогут использовать до 50% устойчивых источников. Кстати, керосин для американских F-35 разрешено разбавлять наполовину.
В ноябре 2020 года вступили в силу измененные стандарты на авиационное топливо министерства обороны Великобритании. Устойчивые источники топлива, известные как «добавочные», включают гидрогенизированные жиры и масла, древесные отходы, спирты, сахара, бытовые отходы, биомассу и водоросли.
Поскольку на авиацию в настоящее время приходится почти две трети топлива, используемого в оборонных отраслях, новые стандарты приведут, по мнению зеленых, к значительному сокращению выбросов и уменьшению углеродного следа обороны. Подсчитано, что замена 30% обычного топлива альтернативным на реактивном самолете при дальности полета 1000 морских миль может сократить выбросы CO2 на 18%.
Британские поставщики уже разрабатывают и импортируют «экологически чистое» топливо для военных. Компания Compania Logistica de Hidrocarburos-Pipeline System (CLH-PS), которая базируется в Мадриде, обеспечивает топливом несколько военных аэродромов, а также аэропорты Хитроу, Гатвик, Манчестер.
На долю авиационной отрасли приходится около двух процентов мировых выбросов CO2. Сегодня тестируется множество решений: от снижения выбросов обычных до полностью электрических силовых установок. Вертолеты становятся менее традиционными.
Недавно сертифицированный H160 ─ это наиболее чистый и бесшумный в своем классе вертолет, позволяющий снизить воздействие на окружающую среду за счет внедрения водородных топливных элементов. Возможно, он или ему подобный и станет первым, на котором будут опробованы новые технологии Airbus.
Они значительно продвинулась, но требования к мощности силовой установки остаются проблемой. При этом в компании ожидают, что водородные технологии смогут стать достаточно зрелыми, чтобы уже в 2029 году появился демонстратор.
Существует также «эко-режим» с электрическим приводом, который позволяет использовать в импульсном режиме газовую турбину на двухмоторных вертолетах. Технология, разработанная совместно с Safran Helicopter Engines, испытана на демонстраторе Bluecopter (испытательный стенд H135). «Эко-режим» будет протестирован на высокоскоростном демонстраторе Racer, который в настоящее время разрабатывается в рамках европейской исследовательской программы Clean Sky 2.
На противоположном конце спектра находится полностью электрический вертолет. Проблема в соотношении массы, объема и требуемой мощности аккумуляторов. Но Airbus Helicopters настроен оптимистично, и один килограмм батарей теперь обеспечивает вдвое больше энергии. Успехи CityAirbus позволяют разработать ключевые технологические блоки для автономии и электрификации традиционных вертолетов.
В настоящее время концерн модифицирует однодвигательный испытательный H130 с электродвигателем мощностью 120 кВт, подключенным к главному редуктору и обеспечивающим аварийную электрическую систему (EBS) в случае отказа двигателя. Гибридизация позволяет использовать тепловой двигатель на определенных этапах полета, оптимизируя его эффективность, снижая шум и выбросы.
Подходы в винтокрылым машинам будут аналогичны применяемым в автомобильной отрасли. Планируется оптимизировать использование тепловой и электрической энергии, для повышения общей безопасности, эффективности и снижения воздействия на окружающую среду.
И Россия
В 1970-е годы Академия наук СССР разработала программу НИОКР по внедрению водородной энергетики в народное хозяйство. В авиапроме эта программа получила название «Холод». Предусматривалось создание соответствующих авиационных двигателей, а также гиперзвуковых и авиационно-космических систем.
В России пока с этим не спешат. Во-первых, мы не можем отказаться от углеводородов по понятным причинам. И тем более, намечать какие-то нереальные сроки, в безоглядном стремлении к которым можно растратить бюджеты нескольких десятилетий и положить экономику. Во-вторых, не мы загрязняем окружающую среду больше всех. Наши леса и болота прекрасно справляются с выбросами углерода.
Как, какими темпами, на каких технологических основах будет расширяться применение новых типов источников энергии в авиации, покажет время. Но без специальных бортовых систем и наземной инфраструктуры это нереально.
Нефть и газ когда-нибудь закончатся, а первые в технологиях станут основными получателями выгод. И к этому нужно готовиться. Постепенно, предпринимая взвешенные шаги. Чтобы понять, каким может быть участие России во всех предстоящих изменениях мировой энергетики, нужно оценить уровень и возможные направления развития технологий использования водорода. Разумеется, с учетом экономической целесообразности.
Хотя, начало криогенной авиации все-таки было положено у нас. Не имевший в то время мировых аналогов двигатель НК-88 на Ту-155 работал на жидком водороде. Самолет летал на сжиженном природном газе.
Для подачи криогенного топлива вместо обычного насоса использовался высоконапорный турбонасосный агрегат. Для обеспечения безопасности, из отсека с криогенным баком убрали почти всю электропроводку. Спроектировали и смонтировали дренажную систему, отводящую пары водорода подальше от двигателей и источников электричества. Всего было сконструировано свыше 30 дополнительных бортовых систем!
Другими словами, наработки есть, а при желании технологии можно восстановить и развить.
Обзор подготовил Владимир Шошин
