Sprema se revolucija u avioindustriji: Divovi intenzivno rade na zrakoplovima na vodikov pogon

Dok se zrakoplov uzdizao s piste kako bi pokazao da je sposoban za gladak i neometan let, tim mehaničara je odahnuo. Šesterosjedni zrakoplov klase Piper M bio je preinačen u Centru za istraživanje i razvoj u zračnoj luci Cranfield u Velikoj Britaniji kako bi radio na vodik, a na prvom letu u kasno ljeto 2020. godine sve je savršeno funkcioniralo. Tim letom je ZeroAvia, novoosnovana tvrtka iz Kalifornije, koja je razvila zrakoplov s partnerima iz Britanije i drugih zemalja, bila spremna prijeći u sljedeću fazu na putu prema zrakoplovstvu bez ugljika, piše BBC.

Krilatica za prijelaz na ekonomiju s niskim ili nula ugljika je 'elektrificirati sve' - ​​to jest stvoriti svijet u kojem se većina ljudskih djelatnosti, od proizvodnje i građevine do prometa i turizma, napaja električnom energijom proizvedenom iz izvora s niskom ili nula-emisijom ugljika poput vjetra, sunca i možda nuklearne energije. No, postoji problem: čini se da je neke sektore teško, ako ne i nemoguće, elektrificirati u kratkom i srednjem roku, a zrakoplovstvo je možda najvažnije među njima.

Prije nego što je pandemija prizemljila većinu letova, komercijalno zrakoplovstvo činilo je oko 2,5 posto globalnih emisija ugljičnog dioksida. Zvuči kao mali udio u cjelini, ali to je više od emisije čitave Njemačke (2,2 posto). No to i nije cijela priča. Na ugljični dioksid otpada manje od polovice zrakoplovnog doprinosa faktorima koji zapravo potiču rast globalne prosječne temperature. Contrailovi - tj. tragovi vodene pare iz zrakoplova - najveći su drugi čimbenik zrakoplovstva.

Motori sve učinkovitiji

Dobra vijest je da komercijalno zrakoplovstvo ima izvrsne rezultate u poboljšanju svoje učinkovitosti. Emisije ugljičnog dioksida po putničkom letu opale su više od 50 posto od 1990. zahvaljujući poboljšanim motorima. Loša vijest je da se ti pozitivni učinci gube zbog sve većeg broja letova. Njihov broj se povećao za najmanje petinu u posljednjih pet godina, a predviđa se da će doseći 10 milijardi putnika godišnje do 2050. godine.

Na prvi pogled vodik se čini dobrim rješenjem za letenje bez uništavanja klime. Bez obzira koristi li se vodik za napajanje ćelija za proizvodnju električne energije ili izravno izgara stvarajući pogonsku energiju, jedini otpadni proizvod je čista voda. A ono što je najvažnije u kontekstu leta, vodik proizvede puno energije po jedinici mase - tri puta više od konvencionalnog mlaznog goriva i više od sto puta više od litij-ionskih baterija.

Vlade i tvrtke ulažu u ovaj potencijal. Let kompanije ZeroAvia na pogon vodikom 2020. godine, poznat kao HyFlyer I, podržala je vlada Velike Britanije, čije Vijeće Jet Zero obećava "laserski fokus na proizvodne pogone u Velikoj Britaniji za održiva zrakoplovna goriva i ubrzanje dizajna, proizvodnje i komercijalnih letova zrakoplova s emisijom nula".

Vlada Velike Britanije, zajedno s privatnim investitorima i komercijalnim partnerima, pruža podršku tvrtki ZeroAvia u razvoju zrakoplova na vodik-električni pogon (gorive ćelije) sposobnog za prijevoz do 20 putnika na udaljenost od oko 350 nautičkih milja (648 km). Osnivač i izvršni direktor ZeroAvije, Val Miftakhov, kaže da kompanija očekuje da će ponuditi komercijalne letove koristeći takav zrakoplov već 2023. godine, te da će do 2026. godine moći realizirati letove u rasponu od 500 nautičkih milja (926 km) u zrakoplovima s više od do 80 mjesta. Za 2030. Miftakhov ima još veće planove: "Imat ćemo avione sa 100 sjedećih mjesta", kaže.

Vodik - najperspektivnije gorivo

Ambicija postoji i u kontinentalnoj Europi. Vodik je "jedan od najperspektivnijih tehnoloških vektora koji omogućava ispunjavanje osnovne ljudske potrebe za mobilnošću u boljem skladu s našim okolišem", kaže Grazia Vitaldini, glavna tehnološka direktorica u Airbusu, najvećem svjetskom proizvođaču zrakoplova. U rujnu 2020. Airbus je najavio da će pogonski sustavi na vodik biti u središtu nove generacije komercijalnih zrakoplova s ​​nula emisija. Projekt, nazvan ZeroE, vodeći je element poticajnog paketa Europske unije usmjerenog na ozelenjavanje gospodarstva Unije.

Airbus je predstavio tri koncepta zrakoplova za koja kaže da bi mogli biti spremni za let do 2035. Prvi je zrakoplov s turbopropelerskim pogonom koji može prevesti oko 100 putnika na oko 1.000 nautičkih milja (1.850 km). Drugi, s turboventilatorom (mlazni), mogao bi prevesti 200 putnika dvostruko dalje. Oba izgledaju slično već postojećim avionima, ali ZeroE-ov treći koncept je futurističkog izgleda koji prilično odstupa od današnjih komercijalnih modela.

Airbus kaže da bi ovaj, treći, dizajn mogao prevesti više putnika na veće udaljenosti od druga dva, ali u ovoj fazi nisu objavili više detalja. Sva su tri dizajna zamišljena kao vodikovi hibridi, što znači da bi ih pokretali plinsko-turbinski motori koji sagorijevaju tekući vodik kao gorivo, a također proizvode električnu energiju putem vodikovih gorivnih ćelija.

Rad tvrtki ZeroAvia i Airbus izazvao je veliko zanimanje, ali nisu svi u zrakoplovnoj industriji uvjereni da će vodik igrati glavnu ulogu u prijelazu prema letovima s niskim udjelom ili posve bez emisija ugljika.

Mane počinju s fizikom i kemijom. Vodik ima veći omjer energije i mase od mlaznog goriva, ali ima manji omjer energije i volumena. Ova manja gustoća energije je zato što je riječ o plinu tipičnog atmosferskog tlaka i temperature. Plin treba stisnuti ili pretvoriti u tekućinu hlađenjem na ekstremno niske temperature (-253C) ako ga se želi uskladištiti u dovoljnim količinama. "Spremnici za komprimirani plin ili tekućinu složeni su i teški", kaže Finlay Asher, bivši dizajner avionskih motora u Rolls-Royceu i osnivač Green Sky Thinkinga, platforme koja istražuje održivo zrakoplovstvo.

A tu su i drugi izazovi. Gustoća energije tekućeg vodika samo je oko četvrtine one mlaznog goriva. To znači da joj je za istu količinu energije potreban četiri puta veći spremnik. Kao posljedica toga, zrakoplovi će možda morati prevoziti manje putnika kako bi napravili prostor za spremnike ili će morati postati znatno veći. Prva opcija, koja se odnosi na prva dva Airbusova konceptualna zrakoplova, značila bi smanjenje prihoda od karata, dok bi druge stvari ostale jednake. Druga opcija, utjelovljena u Airbusovom trećem konceptu, zahtijeva veću ramu koja je podložna većem otporu. Nadalje, trebala bi se uspostaviti cijela nova infrastruktura za prijevoz i skladištenje vodika u zračnim lukama.

Uz to, postavlja se pitanje može li se vodik proizvoditi u dovoljnoj mjeri i po konkurentnoj cijeni, a da sama ta proizvodnja nema velik CO2 otisak. Velika većina vodika koji se danas koristi u industriji proizvodi se pomoću fosilnog goriva metana, čime se oslobađa ugljični dioksid kao otpadni proizvod. Vodik se može proizvesti iz vode postupkom nazvanim elektroliza koji je pogonjen obnovljivom energijom, ali ovaj je postupak trenutno skup i zahtijeva velike količine energije. Trenutno se na taj način proizvodi samo oko jedan posto vodika.

Rezolucija Europskog parlamenta

Nacrt rezolucije Europskog parlamenta o vodikovoj strategiji Europske komisije, podnijet u srpnju 2020., promiče upotrebu vodika s niskim udjelom emisije ugljika u kratkom i srednjem roku, kao način za razvoj tržišta, piše Euractiv.

EU treba "razviti održivo vodikovo gospodarstvo kojemu je cilj učiniti čisti vodik konkurentnim što je prije moguće", navodi se u nacrtu rezolucije, usvojenoj s 46 glasova za, 25 protiv i 5 suzdržanih.

Čekanje na obnovljivi vodik bilo bi poput šutanja limenke niz cestu deset do petnaest godina, rekao je Jens Geier, njemački europarlamentarac iz redova socijalista i demokrata (S&D), koji je autor nacrta rezolucije.

„Koliko se dugo koristi plavi vodik, zaista ne mogu reći jer nisam prorok. To ovisi o puno okolnosti na koje politički možemo utjecati samo do neke mjere”, rekao je Geier.

Takozvani "plavi" vodik dobiva se hvatanjem CO2 iz prirodnog plina i skladištenjem pod zemljom. Prema vodikovoj strategiji Europske komisije, to se smatra "nisko-ugljičnim" načinom proizvodnje vodika, zajedno s "vodikom na bazi električne energije" kada su izvori energije nisko-ugljični.

Nacrt rezolucije sada će biti proslijeđen Europskom parlamentu na plenarno glasanje u travnju.

Veći troškovi

Kako sada stvari stoje, tekući vodik više je od četiri puta skuplji od konvencionalnog mlaznog goriva. Tijekom narednih desetljeća očekuje se pad cijena kako će se infrastruktura proširivati i postati učinkovitija. No prema britanskom Kraljevskom društvu i savjetodavnoj grupi za upravljanje McKinsey, vjerojatno će u sljedećih nekoliko desetljeća još uvijek ostati najmanje dvostruko skuplji od fosilnih goriva.

Zbog ovih, ali i nekih drugih faktora, neki od glavnih igrača u zrakoplovstvu stisnuli su kočnicu. Sean Newsum, direktor strategije zaštite okoliša u tvrtki Boeing Commercial, glavnog suparnika Airbusa, nedavno je za Financial Times rekao: "Vjerujemo da će trebati neko vrijeme dok se ne razrade sve tehnologije i elementi pogona na vodik prije nego što stignemo do komercijalne upotrebe." A ključno savjetodavno tijelo vlade Velike Britanije također sumnja. "Prelazak na izravni vodik dodaje desetljeća tranziciji", kaže David Joffe iz Odbora za klimatske promjene, savjetodavnog tijela vlade Velike Britanije.

Pa, koje su alternative? U rujnu 2020., Akcijska grupa za zračni promet, tijelo sa sjedištem u Ženevi koje govori u ime globalne zrakoplovne industrije, objavilo je niz scenarija koji sugeriraju da će, čak i kad se poveća zračni promet, globalnom zrakoplovstvu biti omogućeno dosegnu nultu emisiju ugljičnog dioksida - ali tek desetak godina ili još kasnije od 2050. Prema tim scenarijima, izravna uporaba vodika igrat će samo marginalnu ulogu, ali ono što bi moglo promijeniti čitavu igru bit će ono što se naziva "održivim zrakoplovnim gorivima", ili SAF-ovima.

Ovaj pojam obuhvaća čitav niz proizvoda, poput biogoriva, koji rezultiraju niskim neto emisijama ugljičnog dioksida i drugih zagađivača povezanih s konvencionalnim mlaznim gorivom. Zagovornici SAF-a tvrde da imaju niz jasnih prednosti u odnosu na čisti vodik. Budući da su kemijski identični postojećem mlaznom gorivu, u načelu se mogu "ubaciti" u postojeće sustave s malim ili nikakvim redizajniranjem, bez odgađanja i bez značajnih dodatnih ulaganja potrebnih za zrakoplove na pogon vodikom i njihovu prateću infrastrukturu. Paul Stein, glavni tehnološki direktor u tvornici motora Rolls Royce, tvrdi da su oni ključ održivije budućnosti. "Ako se proizvodnja SAF-a može povećati - a zrakoplovstvu treba 500 milijuna tona godišnje do 2050. - možemo dati ogroman doprinos za naš planet", kaže on.

SAF-ovi se mogu podijeliti u dvije kategorije. Prva su biogoriva dobivena kemijskom ili termičkom obradom biomase kao što su poljoprivredni ostaci i drugi otpad. Druga kategorija su elektro goriva ili "E goriva". Kroz ta goriva, koja su poznata i kao "tekuća energija", vodik bi na kraju mogao igrati ključnu ulogu u zrakoplovstvu.

E goriva nastaju reakcijom vodika i ugljičnog dioksida kako bi se dobio "sintetički plin". To se zatim kroz ono što je poznato kao Fischer-Tropschev postupak pretvara u "e-sirovinu" - zamjenu za sirovu naftu koja se može rafinirati u mlazno gorivo i druga goriva. Ako se velika količina energije koja je potrebna u svakoj fazi proizvodnje dobiva iz nultog izvora ugljika, tada cijeli postupak može biti ugljično neutralan, bez više ugljičnog dioksida u atmosferi nakon leta nego čak i prije izrade goriva.

Koristeći tehnologiju izravnog hvatanja zraka koju je razvila švicarska tvrtka Climeworks za dobivanje CO2 i vodika proizvedenog iz vode pomoću obnovljive energije, tvrtka Norsk e-Fuel sa sjedištem u Oslu želi otvoriti ono što bi moglo biti prvo svjetsko industrijsko postrojenje za E gorivo, Herøya, Norveška, 2023., proizvodeći 10 milijuna litara goriva godišnje za norveško i europsko tržište. Sljedeći korak u 2026. godini bila bi biti tvornica sposobna proizvesti 100 milijuna litara godišnje. Postrojenje u punoj veličini moglo bi osigurati polovicu goriva za pet najpopularnijih ruta letova u Norveškoj, smanjivši njihove emisije za pola, kaže Karl Hauptmeier, upravitelj Norsk e-Fuel-a.

Za sada je jedno gotovo sigurno: vodikovo i E gorivo vjerojatno će i dalje biti znatno skuplje od konvencionalnog mlaznog goriva u godinama ili desetljećima koja slijede, čime će njihova uloga u ozelenjavanju zrakoplovstva biti ograničena - osim ako se ostali troškovi zrakoplovstva ne odmjere drugačije. Aktivisti kao što je Leo Murray iz grupe Possible, tvrde da zrakoplovstvo s konvencionalnim gorivom mora imati cijenu koja odražava cijenu štete koju nanosi klimi. To bi, kako tvrdi, moglo značiti veće cijene karata, ali moglo bi nam omogućiti i zrakoplovstvo koje ništa ne košta Zemlju.