Самый лётный день в истории: на каком топливе полетим дальше?

6 июля 2023 года состоялся самый загруженный день в истории гражданской авиации. 134 386 рейсов, 20 тысяч самолетов в воздухе одновременно. Это несомненный рекорд: авиация оправилась от короновирусных ограничений и развивается.

Однако авиационное топливо, цена которого составляет до 50% от цены билета на самолёт, дорожает вместе с нефтью. На цену влияют и экологические требования ИКАО (Международная организация гражданской авиации), которые год от года всё суровей. Потому во всём мире остро стоит вопрос поиска топлив, альтернативных нефтяным. Наша страна тоже ищет замену топливу из нефти, это отражено в Стратегии развития транспорта до 2030 года.

Как бы это провернуть так, чтобы и цены на билеты не поднялись и «зелёные» были довольны?

Когда пролетает самолёт, за ним остаётся «хвост» из аэрозоля, который состоит из водяного пара с примесью углекислого газа и не сгоревших остатков топлива. Этот аэрозоль задерживается на больших высотах, отражает солнечные лучи и способствует охлаждению атмосферы.

Самая простая альтернатива - это CTL-топлива (СTL - coal-to-liqiid), полученные переработкой природного газа или угля. Во время Великой Отечественной войны таким способом получали топливо в Германии и у нас на заводе в Тикси. Метод популярен в ЮАР и ряде стран, где есть обширные запасы угля, но нет нефти.

Основным преимуществом такого топлива является уход от нефтяного сырья и стабильный состав. Недостатки куда весомее: «угольное» топливо в 2-3 раза дороже обычного керосина. К тому же, если учесть весь цикл «добыча сырья-производство-потребление», при использовании CTL-топлива загрязняющих веществ в атмосферу выделяется в полтора раза больше, чем при использовании нефтяных.

Подобное топливо можно прямо сейчас заливать в баки самолётов - проблем не будет. Потому оно без ограничений одобрено для авиации НАТО.

Много разговоров вокруг биотоплив, или BTL-топлив (BTL - biomass-to-liquid). Эти топлива получают из различных органических веществ вроде растительных масел, спиртов, сахаров и животных жиров после их очистки и обработки водородом.

Схема круговорота углекислого газа при производстве топлива из биомассы (а) и из нефти (б)

Можно выделить три поколения биотоплива:

• первое поколение производят из сельскохозяйственных культур, что требует плодородных земель и водных ресурсов. Это самое эффективное из биотоплив, но оно же и самое дорогое.
• второе поколение производят из отходов сельского хозяйства (солома, древесина, отходы бумажного производства и животноводства);
• третьего поколение производят из водорослей.

В полёте биотопливо дает на треть меньше выбросов, чем нефтяное топливо. Но большинство биотоплив в чистом виде для заправки самолётов пока не годятся. Для применения их либо смешивают с обычным топливом, либо подвергают сложным процедурам доработки вроде гидротермолиза или крекинга с изомеризацией. Многие биотоплива требуют дополнительных испытаний, при которых оценивают их воздействие на двигатель во время работы.

В настоящее время биотоплива стоят вдвое дороже, чем обычное авиационное топливо. Однако во многих странах мира их производство активно субсидируется. Долю биотоплив собираются повышать законодательно в рамках инициатив по борьбе с изменением климата. Ожидается, что к 2025 году биотоплива будут составлять 25% от всех используемых авиационных топлив

Отдельно стоит сказать про заправку самолётов сжиженным водородом. Для этого придётся модернизировать самолёт, установить криогенное оборудование, которое утяжелит машину. Но водород содержит в 3-4 раза больше энергии, чем обычное топливо, и в полёт его нужно втрое меньше, что позволит сократить массу самолёта даже с учётом нового оборудования.

Водород сгорает с образованием чистой воды и небольшого количества окислов азота, из которых потом получается опасная азотная кислота. Также водород взрывоопасен и требует дополнительных мер безопасности.

Первый самолет на водородном двигателе - советский ТУ-155 «в живую» и в структурной схеме

Первый экспериментальный полёт ТУ-155 на жидком водороде состоялся в СССР еще в 1988 году. Не смотря на работоспособность самолета-прототипа, программа была свёрнута по экономическим причинам.

Сейчас новые модели самолётов на водородном топливе строит в Калифорнии (США) компания ZeroAvia , основанная выпускниками МФТИ. Их водородный авиадвигатель включён в список лучших изобретений 2020 года по версии журнала «Times». Первая модель такого самолёта ожидается в 2024 году, а к 2028 начнется серийное производство.

Разработку своего водородного самолёта ведут и в России, в корпорации Ростех. Учитывая большой советский задел, первые результаты можно ждать в ближайшие годы.

В таблице указаны цены 2020 года. Цена водорода указана как номинальная, так и с учетом его высокой энергоемкости - для полёта его нужно в три раза меньше.

Подводя итоги, замечу, что резкий переход на любое альтернативное топливо сильно ударит по гражданской авиации. Но резкого перехода и не будет.

В среднесрочной перспективе (10-15 лет), скорее всего, авиация перейдёт на смесь традиционного топлива и биотоплива. По мере совершенствования технологий производства и снижения стоимости доля биотоплива будет расти.

В более отдаленной перспективе (15-30 лет), когда модернизируют авиапарк и инфраструктуру аэропортов, станут использовать электрические и гибридные (водород-электричество) самолеты. За этим последует спад спроса на нефтепродукты. К такому повороту нужно быть готовыми, и Россия готовится.

Список использованных источников прилагается в закрепленном комментарии