Alternatywne paliwa lotnicze

Druga połowa XX wieku to okres dynamicznego rozwoju lotnictwa. Świat w 2003 konsumował ok. 720 milionów litrów nafty lotniczej w ciągu jednego dnia. Czyli co 5 minut w komorach spalania silników lotniczych znika paliwo, którym możny by wypełnić 5 basenów olimpijskich! Nic dziwnego, że rosnące ceny ropy skłaniają koncerny lotnicze do poszukiwania alternatywnego paliwa samolotowego.

O ile w przemyśle motoryzacyjnym naukowcy mają dosyć szerokie pole do popisu w postaci biopaliw (biodiesel na bazie oleju roślinnego lub etanol), LPG, wodoru czy też napędu elektrycznego, dla lotnictwa nie udało się wdrożyć do tej pory żadnej sensownej alternatywny. Ale wkrótce może to się zmienić.

Kerozyna – lotnicze paliwo idealne

Paliwo lotnicze, ze względu na specyficzne warunki pracy musi spełnić wiele wymagań. Ponieważ w grę wchodzi bezpieczeństwo pasażerów nie można sobie pozwolić na żadne kompromisy. Istotne są następujące parametry:

1. Duża ilość energii ze spalania w stosunku do masy i objętości paliwa. W samolotach istotna jest waga i objętość – paliwo nie może być zbyt ciężkie i zajmować zbyt dużą objętość.
2. Wytrzymałość na niskie temperatury. Na każde 100 m wysokości temperatura spada o 0,65 stopni C, a więc na wysokości rejsowych maszyn pasażerskich (10 000 m) wynosi nawet –50 stopni C.
3. Stabilność cieplna. Właściwości paliwa nie powinny się zmieniać w wyniku zmiany temperatury.

Masa i objętość paliwa w stosunku do uzyskiwanej energii. Najbardziej zbliżone parametry w stosunku do nafty lotniczej posiada biodiesel. Interesujące właściwości ma wodór – z jednego kilograma można uzyskać prawie 3 razy więcej energii niż z nafty – jest to cenna właściwość w lotnictwie, gdzie liczy się niski ciężar. Niestety, kilogram ciekłego wodoru zajmuje objętość ok 4 razy większą niż nafta o tej samej masie.

Powyższe wymagania doskonale spełnia obecnie używane paliwo – kerozyna (nafta lotnicza), otrzymywana z ropy naftowej. Ze względu na niską liczbę oktanową i prostą technologię wytwarzania jest stosunkowo tania – tańsza niż benzyna czy diesel. Niestety, wszystko wskazuje, że era taniej i dostępnej ropy odchodzi w przeszłość, więc najwyższy czas zastanowić się, na czym będą latać samoloty za kilkadziesiąt lat. Nafta lotnicza ma niestety także swój wkład w emisję dwutlenku węgla, któremu przypisuje się odpowiedzialność za globalne ocieplenie. Szacuje sie, że samolot pasażerski na trasie z Los Angeles do Nowego Jorku (5000 mil) emituje do atmosfery 1,5 ton CO2. Na jednego pasażera.

Samolot odrzutowy nie poleci na przysłowiowej kropelce – startujący F-16 zużywa nawet 2 litry paliwa lotniczego na sekundę.

Biodiesel

Biodiesel (paliwo na bazie oleju roślinnego) może być spalany w silniku odrzutowym. Największą przeszkodą jest wysoka temperatura zamarzania – ok. 0 stopnia C (tradycyjne nafta lotnicze zamarza w temperaturach -40 stopni C). Paliwo w czasie lotu musi pozostawać w stanie płynnym aby mogło być pompowane do silnika. Rozwiązaniem mogą być domieszki substancji które obniżą punkt zamarzania. W 2007 roku udało się Amerykanom uzyskać biodiesel utrzymujący stan płynny nawet do -15 ºC, co umożliwiło przeprowadznie pierwszego lotu samolotem odrzutowym napędzanym w 100% biopaliwem (źródło: greenflightinternational). Mimo to, bardziej realne wydaje się upowszechnienia na szerszą skalę mieszaniny biodiesla z naftą lotniczą.

Pierwszy samolot odrzutowy, który w 2007 r. odbył lot na 100 % biodieselu. Samolot to Czechosłowacki L-29, maszyna szkoleniowa, która w latach 60-tych konkurowała i wygrała z naszą Iskrą (TS-11 Iskra) w konkursie na wojskowy samolot szkoleniowy dla Układu Warszawskiego. Zatem do powiedzenia, że „polski pilot poleci nawet na wrotach od stodoły” możemy dodać nowe, że czeski samolot poleci nawet na oleju spożywczym:)

Richard Branson, brytyjski multimiliarder, właściciel linii Virgin Atlantic zapowiedział na ten rok pierwszy lot Boeinga 747 na paliwie z 20% domieszką biokomponentów. Producent silników Boeinga – GE Aviation twierdzi, że niepotrzebne są w związku z tym zmiany kontrukcyjne, nie przewiduje również negatywnego wpływu na osiągi samolotu – prędkość i zasięg pozostaną bez zmian.

Mimo wzrostu cen, ropa jest jednak wciąż tańsza niż biopaliwa. Poza tym niemożliwe jest całkowite zastąpienie nafty lotniczej przez biopaliwa – po prostu nie ma na świecie wystarczającej ilości ziemi rolniczej pod uprawy energetyczne. Istnieje też niebezpieczeństwo rabunkowego wycinaniu lasów w celu poszerzenia tego potencjału.

Ciekły wodór

Innym alternatywnym paliwem dla silników odrzutowych może być wodór. Tradycyjne silniki odrzutowe można przystosować do spalania wodoru. Nie można tego niestety powiedzieć o instalacji paliwowej samolotu oraz całej infrastrukturze naziemnej. Powstanie potrzeba opracowania zupełnie nowego systemu transportu i gromadzenia paliwa, co jest ogromnym wyzwaniem technicznym i finansowym. Wodór w stanie lotnym ma bardzo małą gęstość energetyczną w stosunku do objętości. Żeby mógł spełniać rolę paliwa należy go skroplić, schładzając do temperatury -252,8 ºC i utrzymywać w tym stanie w specjalnie izolowanych zbiornikach. Na pewno podniesie to masę samolotu i będzie wymagało zupełnego przekonstruowania jego budowy – ze względu na konieczność dobrej izolacji zbiorniki powędrują zapewne do kadłuba (obecnie w skrzydłach).

Wodór jest paliwem bardzo wybuchowym. W przeszłości próbowano go stosować w lotnictwie wypełniając nim poszycie sterowców. Zaniechano tego ostatecznie w 1937 roku po spektakularnej katastrofie sterowca Hindenburg. Jedną z zalet wodoru jest czyste spalanie – silniki wydzielałyby tylko parę wodną. Jednak w przypadku lotnictwa może to okazać się kłopotliwe – samoloty zmieniłyby się w latające fabryki chmur. Trzeba zauważyć, że wodór jest ekologicznie przyjaznym paliwem tylko w przypadku, gdy jest produkowane w procesie hydrolizy a prąd pochodzi z czystego źródła. Na dzień dzisiejszy 90% wodoru otrzymuje się z gazu ziemnego, gdyż jest to tańsze, ale powoduje emisje CO2.

Bibliografia

• Pierwszy odrzutowy lot na biodieselu
• Biopaliwa w Liniach lotniczych Virgin Atlantic
• Alternatywne paliwo lotnicze – materiał koncernu Chevron
• Researchers working on alternative jet fuel – artykuł z serwisu MSNBC
• Richard Branson zapowiada stosowanie biopaliw w liniach lotniczych Virgin Atlantic