Letecká doprava: Trendy v pohonu a ekologická řešení

Boom levné letecké dopravy s sebou nese i řadu negativních dopadů na životní prostředí. Znečištění se od roku 2005 zvýšilo zhruba o dvě třetiny a růst má i dál. Experti největší dopad přisuzují emisím skleníkových plynů.

Postupující ohřívání naší planety a s ním související globální změna klimatu je současnou největší výzvou. Věda, technika, inženýrství a politika reagují technickými a politickými opatřeními zaměřenými na zajištění udržitelného života na planetě. Jedním z hlavních faktorů, kterými civilizační rozvoj ovlivňuje růst teploty a klimatickou změnu, je produkce skleníkových plynů, oxidu uhličitého (CO2) ze spalování fosilních paliv (uhlí, ropy a zemního plynu) v průmyslu, domácnostech a dopravě.

Emise z letectví představují 2,1 % celosvětových emisí, ale po započtení jiných vlivů, než jsou emise CO2, přispívá letectví ke globálnímu oteplování odhadem 4,9 %. Smyslem změn v leteckém průmyslu proto nejsou jen nulové emise CO2, ale obecně nulové účinky na globální změnu klimatu. Jde o cíl, který je součástí úsilí politiků dosáhnout do roku 2050 uhlíkově neutrální ekonomiky.

Alternativní pohony a technologie

Pokud jde o letadla a jejich emise, úsilí inženýrů se nyní soustředí na změny pohonné jednotky letounů. Záměrem je snížit spotřebu leteckého petroleje, pocházejícího z ropy, zejména zlepšováním tahové účinnosti dvouproudových motorů. Cestou je zvyšování jejich obtokového poměru (zvětšování průměru ventilátoru, tedy průměru turbínového motoru) a zvyšování tepelné účinnosti turbínových motorů (zvyšování tlakového poměru a teploty hnacích plynů).

Aby toho mohli konstruktéři docílit, zlepšují současně aerodynamickou účinnost letounů sloučením pohonných jednotek a draku letounu. Dalším opatřením, ovlivňujícím příznivě spotřebu paliva, je snížení hmotnosti konstrukce letounů výraznějším využitím lehkých konstrukčních materiálů, jako jsou kompozitní vláknové materiály s uhlíkovými, skleněnými a aramidovými vlákny.

Čtěte také: Životní prostředí a letecká doprava

Trend by mohla změnit novinka - třetí motor, který zajistí efektivnější a ekologičtější způsob dopravy. První letadlo s novou vychytávkou se možná dostane do vzduchu po roce 2030.

Odborníci testují nový konstrukční model ve větrném tunelu. „Návrh vypadá tak, že letadlo by mělo mít tři motory místo dvou. Jeden vzadu a dva u křídel. Ty budou poskytovat elektrickou energii, která je nutná pro pohon elektromotoru a rotoru,“ vysvětluje docent z Technické univerzity Delft Arwind Gangoli Rao.

Hlavní vylepšení spočívá v proudění podél trupu letadla. Rotor na zádi by měl vzduch akcelerovat, čímž se zvýší tah motoru. „Vzduch, který proudí podél trupu, je nasměrován vzhůru a díky dodané energii umožňuje dosáhnout požadované síly tahu i při nižší vstupní energii, čímž se zvyšuje účinnost,“ uvedl koordinátor projektu Centreline Arne Seitz.

Aerodynamické vlastnosti letadel přímo ovlivňují i spotřebu paliva. Třetí motor by tak mohl snížit emise skleníkových plynů - především oxidu uhličitého. Konstruktéři z Cambridgeské univerzity se nyní musí vypořádat s vývojem rotoru, jehož lopatky musí vydržet ohromný tlak.

„Vzduch proudí do motoru nerovnoměrně a má různou rychlost. Motor má pak sklon se zastavit. Musíme proto zlepšit konstrukci našich lopatek, abychom selhání zabránili,“ podotkl výzkumný pracovník Alejandro Castillo Pardo.

Čtěte také: Letecká doprava a kvalita bydlení

Elektromotory jako priorita

Inženýři se domnívají, že úpravy by mohly při dálkových letech ušetřit až 11 procent současné spotřeby paliva, tedy i emise skleníkových plynů, které se v letectví od devadesátých let jen v Evropě více než zdvojnásobily.

„Je to trend, který je téměř všude ve světě, to znamená v Evropě, ve Spojených státech. NASA na tom pracuje, ale i jiné velké firmy, které by do budoucna měly nahradit, nebo alespoň zčásti nahradit pohon letadel turbínovými motory ventilátorovým pohonem s elektrickými motory,“ podotkl vedoucí Ústavu letecké dopravy při ČVUT Daniel Hanus.

Jiné varianty podle Hanuse prakticky neexistují. „Pohon letadla je založen na tom, že vzduch z atmosféry se urychlí ve ventilátoru na trochu větší rychlost, než je rychlost letu. Ventilátor buď pohání turbínový motor, anebo do budoucna by to mohl být elektromotor, který má mnohem větší účinnost, zhruba dvojnásobnou,“ poznamenal Hanus.

Pokud jde o aerodynamiku, ta se stále zlepšuje, říká expert. „Existuje nová koncepce letadla, které se česky říká létající křídlo, což je letadlo, které má jedno velké křídlo, což vede k mnohem lepší aerodynamice. Další možností je použití lehkých materiálů, to jsou kompozitní materiály na bázi uhlíkových vláken, které sníží hmotnost letadla třeba na polovinu i méně.

Evropská unie se proto vydává jinou cestou než o automobilové dopravy. „EU konstatuje, že letecká doprava tvoří 3,8 % celkových emisí CO2 v Unií ročně, a tak je v běhu několik iniciativ. Mluví se o zdanění leteckého paliva, zapojuje se do schémat emisních povolenek nebo se letecké společnosti obracejí k využití SAF (sustainable aviation fuel) jako alespoň příměsi.

Čtěte také: Článek o zázracích přírody a letecké akrobacii

Udržitelné letecké palivo (SAF)

Aby letadla snížila množství vypouštěného oxidu uhličitého, vznikajícího při spalování fosilních paliv, přimíchávají se do leteckého petroleje (ale i automobilových paliv) alternativní paliva vyráběná z obnovitelných biologických zdrojů. Biosložka v leteckém petroleji obvykle tvoří méně než 10 % objemu. Z hlediska zachování udržitelného života je ale využívání biopaliv pro dopravu kontraproduktivní, proto se používají v pozemní, námořní a letecké dopravě velmi omezeně.

Navíc množství sluneční energie, akumulované na celé planetě v ústrojných látkách rostlin, zdaleka není schopno pokrýt potřeby leteckého průmyslu. Problémem je tu mimo jiné i fakt, že zdrojem takové energie jsou převážně plodiny, jejichž využití jako zdroje leteckého paliva by bylo v konfliktu s potřebou zajištění výživy obyvatelstva. Diskutabilní je navíc i účinnost výrobních technologických procesů výroby takového paliva.

Proto ambice leteckého průmyslu směřují k produkci udržitelných paliv SAF (Sustainable Aviation Fuels).

Palivo z odpadních vod

Jak udělat ze suroviny, které je dostatek a má prakticky zanedbatelnou hodnotu, ekologické letecké palivo? Z takové úvahy vyšla britská společnost Firefly Green Fuels, jež se rozhodla přeměnit odpadní vodu z kanalizace, jež samozřejmě obsahuje i lidské výkaly, na pohonné hmoty pro letecký průmysl. Z kalů dokázali britští chemici skutečně vyrobit letecký kerosin.

Firefly na vývoji leteckého petroleje spolupracovala s laboratoří univerzity v západoanglickém Cranfieldu. Šéf společnosti Firefly James Hygate především zdůraznil, že palivo vyrobené z lidských výkalů má výrazně nižší uhlíkovou stopu než klasický letecký kerosin z ropy.

Nezávislé testy tohoto druhu biopetroleje potvrzují, že se palivo podobá tradiční surovině vyrobené z fosilního zdroje a může být používáno pro pohon leteckých motorů. V případě produkce biopaliva z tekutých odpadů se používá technologie zvaná hydrotermální zkapalňování. Kombinace vysokého tlaku a tepla přemění odpadní kaly na uhlíkový prášek a bioropu.

Vědci z univerzity v Cranfieldu tvrdí, že se během celého životního cyklu alternativní ropy vyprodukuje o devadesát procent méně skleníkových plynů než při spalování tradičních leteckých pohonných hmot.

Firefly plánuje, že letos získá příslušnou certifikaci pro výrobu „zeleného“ (či spíš hnědého) leteckého paliva a od příštího roku začne s budováním komerčního závodu pro produkci paliv z odpadních vod.

Hygate dodal, že okolo roku 2030 má závod vyrábět sto tisíc tun speciální bioropy a získat tím čtyřicet milionů litrů udržitelného kerosinu. Takové množství by vystačilo na osm stovek letů mezi Londýnem a New Yorkem. Ředitel Firefly přiznal, že takto vyrobené palivo bude dražší než kerosin vyrobený ze surové ropy, ale levnější než jiné druhy biopaliv.

Společnost Firefly odhaduje, že veškerý použitelný kal z odpadních vod, který vzniká ve Spojeném království, by pokryl pět procent poptávky po leteckém palivu v ostrovní zemi. Pokud by se Británie měla přiblížit uhlíkové neutralitě, musel by být zbytek vyroben z dalších čistých zdrojů, jako je třeba řepkový olej.

Kerosin z kuchyňského oleje

Po celém světě se desítky firem snaží vyvíjet zelené alternativy k fosilním palivům. V případě aviatického sektoru se už v praxi úspěšně použil kerosin vyrobený z kuchyňského oleje a odpadních tuků. V roce 2022 takový experimentální let provedla společnost Airbus, pro kterou palivo vyvinula firma TotalEnergies. Evropský výrobce letadel Airbus při této příležitosti uvedl, že by do roku 2050 mohl být celý letecký průmysl bezemisní.

Vodík jako palivo budoucnosti

Využít vodík k pohonu letadla lze dvěma způsoby. Prvním je pohon v turbínovém motoru plynem, uloženým v nádržích buď v plynném, nebo kapalném stavu. Komplikací je velmi nízká hustota vodíku, a to i v kapalném skupenství, která vyžaduje zcela odlišnou konstrukci letounu.

Hlavní výzvou je objem palivových nádrží, které pro zajištění daného doletu musí být v porovnání se stávajícími několikanásobně větší. Další komplikaci představuje vypařování kapalného vodíku v nádržích. Přebytek výparu nad spotřebou motorů je nutné opět zkapalnit a do nádrží vrátit, což představuje značnou konstrukční komplikaci.

Ministr financí Bruno Le Maire už začátkem měsíce oznámil, že země hodlá do vodíkových technologií v dlouhodobém horizontu investovat sedm miliard eur.

Faury zmínil tři koncepty. Zvažuje se buď proudové letadlo pro cestující až s 200 sedadly a s doletem přibližně 3 500 kilometrů, nebo menší vrtulové letadlo s přibližně 100 sedadly, či futuristicky vyhlížející stroj s přibližně 200 sedadly.

Při užití vodíku nevznikají žádné skleníkové plyny. Aby se ale mohl vyrobit, musí být voda za pomoci velkého množství energie nejprve rozdělena na vodík a kyslík. To je klimaticky šetrné, jen pokud se využije elektrická energie bez emisí skleníkových plynů nebo jen s jejich minimem.

Druhou možností využití vodíku pro pohon dopravních prostředků je transformace chemické energie vodíku na energii elektrickou. Zařízení známé jako palivový článek slučuje atmosférický kyslík s ionty vodíku produkovanými průchodem tohoto plynu polymerní membránou, ve které se oddělují jádra atomů vodíku od elektronů. Podmínkou této metody je dodání elektronů z elektrického okruhu zásobovaného elektrickou energií palivového článku.

Šéf budoucích programů společnosti Airbus Bruno Fichefeux říká: „Vodík je jádrem našeho závazku dekarbonizovat letectví. I když jsme upravili náš plán, naše odhodlání létat na vodíkový pohon je neochvějné. Tyto technologie byly předvedeny zejména jako součást nové koncepce vodíkového letadla poháněného čtyřmi elektrickými pohonnými motory o výkonu 2 megawatty, z nichž každý je poháněn palivovým článkem, který přeměňuje vodík a kyslík na elektrickou energii. Čtyři systémy palivových článků by byly napájeny ze dvou nádrží na kapalný vodík.

Glenn Llewellyn, vedoucí projektu ZEROe společnosti Airbus, dodává: „Během posledních pěti let jsme zkoumali několik koncepcí vodíkového pohonu, než jsme se rozhodli pro tuto plně elektrickou koncepci. Jsme přesvědčeni, že by mohl poskytnout potřebnou hustotu výkonu pro komerční letadlo poháněné vodíkem a že by se mohl vyvíjet, jak budeme tuto technologii zdokonalovat. V roce 2023 Airbus úspěšně předvedl 1,2MW vodíkový pohonný systém a v roce 2024 bylo dokončeno komplexní testování integrovaného palivového článku, elektromotorů, převodovek, měničů a výměníků tepla. Pro řešení problémů s manipulací a distribucí kapalného vodíku za letu vyvinul Airbus ve spolupráci s Air Liquide Advanced Technologies ve francouzském Grenoblu desku na kapalný vodík (LH2BB).

Tabulka: Srovnání paliv

Elektrická letadla pro krátké trasy

Skotské souostroví Orkneje se skládá z více než 70 ostrovů, z nichž 20 je obydlených. Dopravu mezi nimi zajišťuje kromě lodí také několik malých letadel, přičemž nejdelší trasa z města Kirkwall na ostrov North Ronaldsay je dlouhá 53 kilometrů a cesta trvá 15 minut.

Nejkratší let trvá v průměru 80 sekund - jde o 2,7 kilometrů dlouhou trasu mezi ostrovy Westray a Papa Westray. Tato linka figuruje v Guinessově knize rekordů jako nejkratší komerční letecká trasa na světě.

Letadla poháněná elektrickou energií jsou v současnosti omezena délkou letu, takže nejsou vhodná na dlouhé trasy. Podmínky na orknejských linkách jsou jim však doslova šité na míru. Skotská letecká společnost Loganair proto spolupracuje s firmou Cranfield Aerospace, zabývající se úpravami letadel, na přechodu celé sítě, čítající deset linek, na elektrickou energii.

Elektrický pohon je zatím v letadlech neuskutečněným snem. Důvod je prostý: letecké palivo je z hlediska hmotnosti a objemu vzhledem k doletu výhodnější než použití akumulátorů. I proto se řada startupů v tomto segmentu orientuje spíše na hybridní než na výhradně elektrický pohon. Dokud nedojde k nějakému zásadnímu průlomu v segmentu baterií, není reálné, že by se v tomto směru něco změnilo.

Krátké lety v rámci Orknejských ostrovů však nevyžadují takovou míru energetické účinnosti jako dálkové spoje. Dopravu by tak mohla zajišťoval malá osmimístná letadla Britten Norman Islander, která místní dopravce již používá, s tím, že by se jejich pohon přestavěl na elektrický.

Paul Hutton, generální ředitel společnosti Cranfield, uvedl, že k vytvoření a provedení všech bezpečnostních testů těchto bateriových letadel bude stačit deset milionů britských liber (asi 292 milionů korun). Firma nyní usiluje o získání vládního grantu na podporu projektu.

Pokud podaří získat grant, je reálné, že už v roce 2021 by všechny komerční lety v rámci ostrovů mohly být plně elektrické. Energii pro letadla mohou dodávat větrné elektrárny, kterých je na Orknejích díky příznivým podmínkám dostatek. Výsledkem by bylo citelné snížení nákladů, ale i ekologické zátěže.

Ačkoli se nahrazení malých letadel, spalujících kerosin, bateriovými stroji ve vzdálené části světa může zdát jako kapka v moři v úsilí o snížení emisí, jde o začátek dlouhé cesty.

V současné době se vývoj letadel se sníženými exhalacemi oxidu uhličitého soustřeďuje na malá vrtulová dopravní letadla s krátkým a středním doletem. Pro jejich pohon se využívají dva principy. Prvním je hybridní systém pístového spalovacího motoru a elektromotoru v různých konfiguracích, zajišťující vzlet letounu s využitím výkonu obou motorů a v cestovním režimu čerpající energii pouze z elektrického akumulátoru.

Pro dlouhodobou perspektivu vývoje hledají konstruktéři pro dobu po roce 2050 nové koncepce letounů středního a dlouhého doletu pro 150 až 300 cestujících. Nové řešení má sloučit trup letounu s křídlem a vytvořit aerodynamicky výhodnější tvar (angl. blended wing body). Letadla by měla mít nový systém pohonu s větším počtem elektricky poháněných ventilátorů rozložených v odtokové části hřbetní strany trupu (angl. distributed propulsion), kde budou odsávat mezní vrstvu vzduchu, a tak zlepšovat aerodynamickou účinnost letounu. Zdrojem elektrické energie pro pohon by podle autorů konceptu měly být dva velké turbínové motory, umístěné spolu se supravodivými elektrickými generátory na koncích křídel. Vodík pro pohon turbínového motoru by si letoun nesl ve zkapalněné podobě (k uchování vodíku v tomto stavu je zapotřebí udržet teplotu pod -253 °C), což by rovněž dovolilo ochlazovat jím elektrické vodiče na teplotu, při níž je materiál vodičů elektricky supravodivý.

tags: #letecká #doprava #trendy #pohon #ekologie

Oblíbené příspěvky:

• Ekotoxicita a nanomateriály
• Energie z obnovitelných zdrojů
• Třídění odpadu ve Středočeském kraji
• Hospodaření s odpadem v Klokočné
• Více o chroustu obecném