Курсом турбулентности: роль водорода в декарбонизации авиатранспорта

Более реально внедрение авиационного топлива из нефти, которое будет соответствовать критериям устойчивости CORSIA, − LCAF (Lower Carbon Aviation Fuels). Это топливо должно отвечать жестким требованиям к снижению выбросов парниковых газов на протяжении всего жизненного цикла − от нефтяной скважины до заливки в баки самолета. Об этом пишут аналитики Оксфордского института энергетических исследований в докладе «Курсом турбулентности: роль водорода в декарбонизации авиатранспорта».

На сегодня самолеты и вертолеты, говорится в докладе, используют авиационное топливо из нефти марок: Jet A, Jet A1, Jet B, JP 5, JP 8 и Avgas. Основной потребляемый объем составляют Jet A и Jet A-1.

Резкое сокращение выбросов парниковых газов (ПГ) по отношению к показателю RPK (количество пассажиро-километров на определенном маршруте или за определенное время) произошло после внедрения турбореактивных двигателей типа HBR на Боинг 747-100 в 1969 и 747-200 в 1971 годах и дальнейшем переходе авиации на этот тип двигателей.

Рост эффективности по выбросам ПГ не привел к общему снижению выбросов из-за роста парка самолетов и объема перевозок, особенно пассажирских, на которые приходится более 80% выбросов.

Потенциал для сокращения ПГ для турбореактивных двигателей типа HBR теоретически ограничен 30%. Однако при приближении к нему увеличиваются выбросы окислов азота, поэтому без внедрения «революционных» технологий снижения азотных выбросов, реально достичь лишь 20-25% сокращения выбросов.

Проблему сокращения выбросов в авиации оксфордские аналитики видят в длительной эксплуатации самолетов. Значительная часть сегодняшнего парка может остаться в эксплуатации и к 2050 году. Некоторые эксплуатируемые самолеты достигли 40-летнего возраста, а около 50% самолетов, годных к полетам в 2015 году, имели срок эксплуатации 28 и более лет (для сравнения: срок службы тепловозов менее 30 лет).

Кроме снижения выбросов ПГ, переход на альтернативные источники энергии повышает эффективность ее преобразования в энергию движения самолета. В докладе приводятся такие цифры со ссылкой на неназванное исследование. Для 1 МДж на HBR-двигателе самолета потребуется примерно:

- 1,3 МДж от батарейно-электрической системы;
- 4,1 МДж от системы на водородных топливных элементах;
- 5,2 МДж от системы сжигания водорода;
- 5,7 МДж от системы на основе чистого топлива SAF.


Основная проблема батарейно-электрических систем заключается в их относительно низкой запасаемой удельной энергии. Тем не менее, сдвиг в сторону электрификации вызвал появление многочисленных исследований, посвященные изучению конфигураций полностью электрических и гибридно-электрических самолетов. Однако полностью электрические аккумуляторные системы хранения энергии для коммерческих транспортных самолетов в ближайшей и среднесрочной перспективе неосуществимы, а легкие гибридные конфигурации демонстрируют лишь скромное улучшение топливной эффективности. К тому же многие аккумуляторные батареи подвержены перегреву. Сообщалось о случаях возгорания нескольких прототипов самолетов с электроприводом и на первых коммерческих рейсах Boeing 787.

До 2020 года было только девять публичных инициатив, ориентированных на летательные аппараты, приводимые в движение водородом. В восьми использовались топливные элементы, а один был направлен на сжигание водорода. Среди этих инициатив только проект HY4 достиг заметного успеха, когда совершил полет в сентябре 2016 года. Этот четырехместный самолет работал на водородных топливных элементах и использовал газообразный водород в качестве основного источника топлива.

С 2020 года наблюдается заметный рост числа проектов, связанных с самолетами, работающими на водороде. Одним из наиболее значительных и амбициозных начинаний является инициатива Airbus ZEROe, которая поставила перед собой цель представить к 2035 году первый в мире коммерческий самолет, работающий на водороде. Кроме того, команда, стоящая за проектом HY4, добилась еще одного примечательного достижения: в сентябре 2023 года в первом полете с использованием жидкого водорода вместо газообразного удалось удвоить дальность полета самолета с 750 до 1500 километров.

В начале 2022 года свои разработки представили двое из трех ведущих производителей турбовентиляторных двигателей. В феврале 2022 года Минэнерго США объявило о выборе Pratt & Whitney для разработки инновационного турбинного водородного двигателя на жидком водороде (HySIITE).

В том же месяце CFM, совместное предприятие General Electric и Safran Aircraft Engines, объявило о своем сотрудничестве с Airbus для проведения испытаний авиационного водородного двигателя, а в ноябре 2022 года Rolls-Royce объявил о достижении важной вехи в сотрудничестве с EasyJet, успешно переоборудовав региональный авиационный двигатель Rolls-Royce AE 2100 для работы на возобновляемом водороде.


Инициатива CORSIA


Проблемы для авиатоплива из нефти создадут не водородные и электрические двигатели, а CORSIA − международная инициатива, направленная на сокращение выбросов углекислого газа в авиационном секторе.

Эта программа не только устанавливает критерии для сокращения углеродного следа и повышения устойчивости за счет использования чистого топлива SAF (Sustainable aviation fuel) и авиационного топлива с более низким содержанием углерода LCAF, но и предусматривает мониторинг выбросов и отчетность авиакомпаний.

LCAF − это авиационное топливо на основе ископаемого топлива, которое соответствует критериям устойчивости CORSIA. Для сертификации в качестве топлива по критериям CORSIA, LCAF должно обеспечить 10-процентное сокращение выбросов в течение жизненного цикла по сравнению с базовым уровнем использования обычного авиационного топлива в 89 г СО2э/МДЖ.

От LCAF требуется:

- совершенствование методов энергосбережения,

- сокращение выбросов метана (за счет модернизации оборудования и лучших технологий обращения с факельным газом),

- внедрение системы рекуперации для сокращения выбросов, мониторинга и управления вентиляционными операциями,

- использование передовых технологий, таких как оптическая визуализация газов и спутниковые снимки для обнаружения летучих выбросов.


Кроме того, требования к LCAF включают улавливание и хранение углерода (CCS) для сбора и хранения выбросов CO2, образующихся при производстве ископаемого топлива, возобновляемые источники электроэнергии для сокращения выбросов, связанных с потреблением энергии, и производство водорода с более низкой углеродоемкостью, будь то «голубой» водород с CCS или «зеленый», вырабатываемый с использованием возобновляемой электроэнергии.

CORSIA предусматривает производство SAF и LCAF на существующей инфраструктуре нефтеперерабатывающих заводов, что поможет НПЗ отчитываться о сокращении выбросов.

Хотя производство SAF может быть сопряжено с экономическими рисками, сродни первоначальному внедрению любой технологии, существуют инвестиционные возможности и потенциал снижения рисков, говорится в докладе. Например, нефтеперерабатывающие заводы в настоящее время являются крупнейшими потребителями водорода, что создает потенциальные возможности для инвестиций в возобновляемый водород и его использование для получения безуглеродного топлива.

На сокращение выбросов внедрение LCAF влияет незначительно, но способно попортить немало крови нефтяной отрасли, отслеживая выбросы СО2 и метана на всех этапах производства топлива – от скважины до бензобака самолета.


Способы получения SAF


Отслеживание соответствия LCAF стандартам CORSIA − проблемная задача. Гораздо проще обосновать бюджетные субсидии на производство экологически чистого авиационного топлива SAF, которым на сегодня признается топливо, получаемое из возобновляемых источников или отходов. В настоящее время SAF сертифицирован в соответствии со стандартом ASTM D7566.

CORSIA признает одиннадцать методов получения SAF, вот основные:

- гидрообработка сложных эфиров и жирных кислот (HEFA),

- газификация по методу Фишера-Тропша (FT),

- превращение спирта в струйное топливо (AtJ),

- гидрообработка ферментированных сахаров и превращение их в синтетические изопарафины (HFS-SIP),

- катализируемый струйный гидротермолиз (CHJ).


Методы производства SAF


Для получения SAF наиболее часто используется метод HEFA, хотя некоторые SAF на основе FT также доступны в меньших количествах. Каждый из этих способов, за исключением HFS-SIP, приводит к получению синтетического парафинового керосина (SPK), который легко смешивается с обычными реактивными топливами. Большинство из этих способов позволяют производить безопасное смешивание до 50% (при соблюдении действующих нормативных ограничений), в то время как сложные эфиры HFS-SIP и гидрообработанные углеводороды и жирные кислоты (H-FA) разрешены для смесей с содержанием до 10%.

В технологии Фишера-Тропша (FT-SPK, FT-SKA) исходное сырье термически преобразуется в синтез-газ, который подвергается ряду реакций, катализируемых железом/кобальтом, для синтеза керосина.

В процессах HEFA (HEFA, HC-HEFA) масла обрабатываются водородом для восстановления и изомеризации их в подходящие углеводороды, которые впоследствии подвергаются крекингу и фракционируются для получения подходящей смеси парафинов.

Способ CHJ использует липидные промежуточные продукты, аналогичные HEFA. Липиды вступают в реакцию с водой при экстремальных температурах и давлениях с образованием смеси углеводородов.

Как ATJ, так и HFS-SIP, включают ферментацию углеводного сырья с дополнительными вторичными реакциями и стадиями очистки, в результате чего получаются различные промежуточные продукты.

Почти во всех способах производства SAF необходимо использование внешних источников водорода.


К октябрю 2023 года крупные глобальные игроки, включая Соединенные Штаты, Европейский союз, Великобританию, Китай, Индию, ОАЭ, Бразилию, Канаду и Индонезию, либо объявили о мандатах SAF, либо активно разрабатывают их. По всему миру насчитывается 69 аэропортов, которые осуществляют постоянные поставки SAF, и еще 40 аэропортов находятся в процессе получения SAF партиями.

По состоянию на 2023 год объем SAF по заключенным соглашения поставок превышает 46 млрд литров, а сроки действия контрактов варьируются от единичных поставок до 20 лет. В 2023 году ожидается поставка 5,5 млрд литров SAF (1,5% от общего объема поставляемого авиатоплива).

По оценкам ИКАО, SAF к 2050 году может составить от 27% до 98% общего потребления энергии мировой авиацией.


***

Комментарий ИРТТЭК. Масштабное внедрение SAF маловероятно вследствие недостатка сырья и его высокой цены. Авторы доклады признают, что в настоящее время SAF стоит примерно в два раза дороже обычного авиационного топлива, поэтому без субсидий инвестиции в SAF могут оказаться экономическим бессмысленными. Скорее всего, с целью удушения авиации инициаторы истерии «глобального потепления» будут требовать соблюдения стандартов CORSIA в отношении топлива из нефти, используя международный контроль, включая спутниковый, за выбросами СО2 и метана на всех этапах получения топлива.