Wodór, prąd, biopaliwa – kto przejmie stery w lotnictwie? Potencjał i ograniczenia dekarbonizacji lotnictwa 

• Samoloty wodorowe to bardzo obiecująca, ale słabo poznana i mało powszechna technologia, której szanse ciężko oszacować. 
• Elektryfikacja lotnictwa nie sprawdza się w przypadku długich tras, ale może być idealnym rozwiązaniem dla lotów regionalnych.
• Biopaliwa dominują w strategiach redukcji emisji sektora lotniczego – są przyszłością czy jedynie etapem pośrednim?

Różnorodny sektor pełen indywidualnych potrzeb

Sektor transportu jest nie tylko ogromny, ale także zróżnicowany. Dzieli się on w końcu na lądowy, wodny i powietrzny, a wewnątrz tych grup następują kolejne podziały. Z tego powodu nie możemy mówić o jednolitej transformacji energetycznej w aspekcie transportu, ponieważ do każdego sektora trzeba podchodzić indywidualnie. W przypadku technologii lądowych najczęściej mówi się obecnie o elektryfikacji. Jest ona możliwa do realizacji ze względu na rozbudowaną sieć elektroenergetyczną w wielu rozwiniętych krajach. Choć samochody elektryczne posiadają zmniejszony zasięg względem swoich spalinowych odpowiedników, to odpowiednie nakłady finansowe i planowanie mogą rozwiązać ten problem poprzez tworzenie gęstej sieci stacji ładowania. W przypadku kolei sprawa jest nawet prostsza, ponieważ już teraz nad wieloma kilometrami torów kolejowych rozpięte są linie wysokiego napięcia, do których pociąg posiada stały dostęp. 

Sytuacja staje się bardziej skomplikowana w przypadku transportu wodnego i powietrznego, gdzie jest już znacznie ciężej o stacje ładowania. W tych sektorach większym zainteresowaniem cieszą się obecnie różnego typu paliwa, które nie należą jednak do grupy konwencjonalnych. Specjaliści stawiają przeważnie na to, że transport morski może oprzeć się w przyszłości na wodorze, a dokładniej na różnych jego formach. Już teraz niektóre firmy prowadzą pilotażowe projekty, których celem jest zwodowanie dużych statków transportowych napędzanych czystym amoniakiem, czyli związkiem składającym się z azotu i wodoru. Wielu stawia wodór, jako czyste paliwo przyszłości, nie tylko przeznaczone dla rzek, mórz i oceanów, ale czy ma on szansę zaistnieć również w lotnictwie?

Wodór w przestworzach nie kończy się na sterowcach

Technologie wodorowe rozbudzają obecnie wyobraźnię inżynierów na całym świecie, jednak dopiero zaczynamy je rozwijać i lepiej poznawać. Choć ogniwa paliwowe znamy już od roku 1838, to do dziś nie są one używane na szeroką skalę, mimo licznych zastosowań. Ciekawą cechą napędu wodorowego jest to, że można go stosować w środowisku odciętym od dopływu powietrza. Z tego powodu ogniwa paliwowe można stosować i stosuje się w niektórych łodziach podwodnych i pojazdach kosmicznych. Rzecz jasna ogniwa radzą sobie równie dobrze także w mniej ekstremalnym środowisku i sprawdzają się w przypadku samochodów czy też autobusów. Modele takich pojazdów są póki co nieliczne, ale powoli znajdują swoje miejsce na drogach Japonii, Niemiec czy Kalifornii. Co dzieje się natomiast na lotniskach?

Samoloty wodorowe to na chwilę obecną dopiero faza prototypów, przez co eksperci ze świata lotnictwa podchodzą do nich z pewną rezerwą. Strategiczne planowanie redukcji emisji dwutlenku węgla w przyszłych latach wymaga stawiania na możliwie jak najpewniejsze rozwiązania. Nie ma więc możliwości, aby za fundament zmian przyjmować raczkujące technologie. Nie oznacza to jednak, że inżynierowie lotniczy ignorują lub skreślają wodór – jest zupełnie odwrotnie!

Istnieje wiele firm pracujących nad rozwijaniem samolotów wodorowych, a także tworzeniem planów wprowadzania infrastruktury wodorowej na lotniska. Być może największym graczem w tej dziedzinie jest francuski Airbus, czyli obok amerykańskiego Boeinga największy dostawca samolotów pasażerskich na rynek europejski i amerykański. Francuska spółka w 2020 roku przedstawiła światu 3 koncepcyjne modele samolotów zasilanych wodorem, które mają zostać wprowadzone do użytku do 2035 roku. Wraz z nimi Airbus planuje implementować na największych lotniskach świata rozwiązania, które mają umożliwić eksploatację maszyn zasilanych wodorem. 

Koncepcyjne projekty wodorowych maszyn Airbusa oraz testowana obecnie maszyna ZeroAvia

Źródło: Airbus/ZeroAvia

Na rzeczywiste postępy wodoru w lotnictwie nie trzeba jednak będzie czekać przez następną dekadę, ponieważ latające prototypy istnieją już teraz. Firma ZeroAvia prowadzi już testy 19-miejscowego samolotu o napędzie wodorowym, którego pierwsze komercyjne loty regionalne mają się zacząć odbywać już w obecnym roku. Inne maszyny średniego zasięgu, które jeszcze do 2030 roku mogą pojawić się na lotniskach, to samoloty spółek H2FLY oraz Universal Hydrogen. Wszystkie mają obsługiwać połączenia w skali regionalnej, które wymagają dużej liczby startów i lądowań. W przypadku maszyn napędzanych standardowym paliwem lotniczym wiąże się to ze wzmożoną emisją zanieczyszczeń związaną nierównomierną pracą silników oraz koniecznością wyłączania ich na czas krótkich postojów i włączania od nowa.  Jedynie Airbus wydaje się obecnie myśleć o maszynach większego zasięgu, co nie oznacza, że w przyszłości wodór nie będzie napędzał samolotów operujących na znacznych dystansach. Wodór nie jest obecnie głównym obiektem zainteresowania ekspertów i ich przewidywań dotyczących neutralności środowiskowej lotnictwa, ale głównie ze względu na brak danych i mały zasięg technologii. Branża lotnicza jest otwarta na wodór, ale nie jest jeszcze w stanie opierać na nim swoich strategii na przyszłe lata. Być może sytuacja ulegnie jednak zmianie w przeciągu najbliższej dekady. 

Power to fly

Innym konceptem jest wspomniana już wcześniej elektryfikacja lotnictwa, która jednak napotka na swojej drodze znaczne przeszkody technologiczne. Samoloty elektryczne, tak samo jak samochody, mają problem z zasięgiem. Jest to wywołane przez ograniczenia dotyczące bateryjnego magazynowania energii, które w tej samej objętości nie jest w stanie zmagazynować równie dużych ilości energii co paliwo lotnicze. Przykładowo zastąpienie zbiorników paliwa w Airbusie A380 na akumulatory tak, aby zajmowały taką samą przestrzeń, spowodowałoby spadek zasięgu maszyny, wynoszącego 15 tyś. kilometrów, o nawet kilka tysięcy kilometrów. Żadna linia lotnicza nie mogłaby sobie na to pozwolić ponieważ zasięg jest jednym z największych atutów maszyny. 

Samoloty elektryczne, tak jak wodorowe, nie są wcale skreślane, ponieważ mogą mieć znacznie większe szanse w lotach na krótkie i średnie dystanse. W takim wypadku ograniczenia zasięgu nie grają już większej roli, ponieważ możliwe są częste doładowania w trakcie przestojów między lądowaniem a startem. W tym przypadku stworzenie odpowiedniej infrastruktury jest nawet łatwiejsze niż w przypadku wodoru, ponieważ sieć elektroenergetyczna i tak musi sięgać wszystkich lotnisk. W tym wypadku wystarczy więc dokonać jej nieznacznej modernizacji, aby możliwym było zainstalowanie na lotniskach specjalnych stacji ładowania o dużej mocy. 

Na świecie istnieje bardzo wiele miejsc, w których małe samoloty wykonują dziennie setki lotów, podczas których nieefektywnie spalają paliwo. Silniki lotnicze odnotowują najniższe spalanie przy równomiernej pracy na dużych wysokościach. Starty i lądowania to obciążenie, które maksymalizuje emisję ze spalinowych jednostek, a które nie miałoby wpływu na zerową emisję w przypadku napędu elektrycznego. Dodatkowym atutem tego typu maszyn jest także wyższa dostępność technologii niż w przypadku konkurencyjnego w aspekcie krótkich tras wodoru. Branża dysponuje szerszym wachlarzem firm pracujących nad samolotami elektrycznymi i pierwsze z nich oddały już swoje niewielkie maszyny do eksploatacji lub stoją na etapie certyfikacji Federalnej Administracji Lotnictwa (FAA). Są to maszyny posiadające od 2 do 7 miejsc, takie jak Pipistrel Velis Electro czy Lilium Jet. Większe maszyny są natomiast w fazie testów, gdzie przykładowo maszyna ES-30, posiadająca 30 miejsc, ma wejść do służby po 2028 roku. 

Pilotażowe modele samolotów elektrycznych

Źródło: Flyer/evtol

Dodatkową szansą samolotów elektrycznych jest możliwość implementacji w ich budowie paneli fotowoltaicznych. Tego typu rozwiązanie ma swoje plusy jak i minusy. Korzystnym jest oczywiście efekt ciągłego doładowywania baterii maszyny w trakcie lotu co wydłuża jej zasięg. Nie są to ilości pozwalające na rezygnację z ładowania naziemnego, ale wprowadzające pewną oszczędność. Problem w tym, że moduły fotowoltaiczne nie są łatwe w montażu w poszyciu samolotu, które musi spełniać szereg rygorystycznych warunków. Panele mogą obniżać wytrzymałość poszycia, podnosić nieco masę maszyny i ostatecznie zmniejszać jej odporność na uderzenia piorunów, które wbrew pozorom zdarzają się lotnictwie bardzo często, ale dzięki odpowiednim materiałom poszyć nie powodują szkód. Istnieją mimo tego samoloty solarne, które są nawet zdolne do przebycia drogi dookoła świata, co już 9 lat temu udowodnił Solar Impuls 2. Na chwilę obecną wydaje się jednak, że przez rygory bezpieczeństwa samoloty solarne mogą stanowić niszę nawet po wdrożeniu większej liczby samolotów elektrycznych. Same w sobie elektryki również nie są jednak tym, w czym lotnictwo upatruje największe nadzieje, ponieważ brakuje im właśnie elastyczności zasięgu. 

Biopaliwa – cichy bohater transformacji w lotnictwie 

Obecnie najbardziej popularny i realistyczny do masowego wdrożenia koncept redukcji emisji w lotnictwie, to rozwiązanie które nie rzuca się w oczy, ale już teraz jest wdrażane w wielu miejscach na świecie. Nie jest to ani nowy typ maszyn, ani nawet nowy typ silników, a nowy rodzaj paliwa – dokładniej biopaliwa. 

Biopaliwa lotnicze to produkowane z biomasy paliwa, które są neutralne środowiskowo pod kątem bilansu dwutlenku węgla. Przypominają jednak zwykłe paliwo, którego pasażerowie czy nawet sam w sobie samolot nie odróżnią od ich konwencjonalnego odpowiednika. Biopaliwa SAF (Zrównoważone Paliwa Lotnicze) funkcjonują w dokładnie ten sam sposób, co klasyczne paliwo lotnicze. Z tego powodu SAF można wykorzystywać w praktycznie każdym stosowanym obecnie silniku lotniczym, bez obaw o jego żywotność czy nawet wydajność i moc. Lot na biopaliwach nie różni się niczym od lotu na zwykłym paliwe – pomijając oczywiście aspekt środowiskowy. SAF posiadają tę przewagę nad standardowym paliwem lotniczym, że ich spalanie powoduje wydzielanie się mniejszej ilości szkodliwych substancji, a także jest neutralne pod kątem bilansu CO2. Co to znaczy?

Spalanie biopaliw prowadzi do wydzielania się dwutlenku węgla i to w nawet większych ilościach niż w przypadku klasycznego paliwa. Sprawą kluczową jest jednak to, że spalanie biopaliw, produkowanych z biomasy, a więc głównie z roślin, powoduje wydzielenie się CO2, które te rośliny kiedyś wchłonęły. Oddajemy więc do atmosfery to, co kiedyś zostało z niej zaabsorbowane w dokładnie tej samej ilości. Nie zwiększamy więc ilości węgla w naturalnym obiegu, w którym tak czy inaczej nieustannie następuje wymiana dwutlenku węgla między roślinami a atmosferą. Spalanie zwykłego paliwa prowadzi natomiast do zwiększenia ilości CO2 ponad to, co pozostaje w naturalnym obiegu. To właśnie nadmiarowy dwutlenek węgla prowadzi do pogłębiania się efektu cieplarnianego. Biopaliwa nie wprowadzając do obiegu żadnego nadmiaru CO2 mają bardzo ograniczony wpływ na globalne ocieplenie. 

Airbus A380 linii lotniczej Emirates tankujący biopaliwo SAF

Źródło: Emirates

Zanieczyszczenie innymi substancjami wciąż jednak pozostaje mimo tego, że jest zredukowane. Czyni to biopaliwa mniej ekologicznymi od przykładowo wodoru, ale znacznie lepiej sprawdzonymi i łatwiejszymi do masowego wprowadzania, ponieważ nie wymagają tworzenia nowej infrastruktury lotniskowej. SAF jako jedyne z obecnych opcji sprawdzają się także na długich dystansach, co czyni je liderem transformacji lotnictwa, mimo tego, że nie są w pełni zielonym paliwem. Są jednak znacznym krokiem w przód względem obecnego stanu zanieczyszczeń emitowanych w lotnictwie. One same też muszą jednak przejść jeszcze pewną drogę, aby zdominować świat awioniki. Ich produkcja na ogromną skalę nie jest taka prosta, ponieważ wymaga odpowiedniej ilości surowca, czyli biomasy, której pozyskanie w ilościach zdolnych do zaspokojenia zapotrzebowania lotnictwa jest obecnie jeszcze niemożliwe. Pozyskiwanie odpowiedniego rodzaju biomasy wymaga tworzenia dobrze zarządzanego łańcucha produkcji i dostaw, który nie będzie przypominał swojego odpowiednika dla paliw kopalnych. Biomasę najlepiej będzie pozyskiwać bardziej lokalnie, z większych obszarów, aby spełnić zapotrzebowania produkcji. W wielu miejscach na świecie, nawet dobrze rozwiniętych, implementacja odpowiednich rozwiązań może nie być prosta, ale mimo tego eksperci i tak w większości uważają, że to biopaliwa są najbardziej realną drogą, jaką może obecnie podjąć branża lotnicza. 

Choć obecnie biopaliwa cieszą się największym zainteresowaniem branży, to nie należy zapominać o innych rozwiązaniach. Wdrażanie wodoru czy maszyn elektrycznych do celów krótko i średniodystansowych wydaje się lepszym rozwiązaniem w dłuższej perspektywie czasu niż biopaliwa, które najpewniej przez długi czas będą się jeszcze okazywać niezastąpione przy długich trasach. Połączenie kilku technologii najpewniej może zapewnić najlepsze wyniki redukcji emisji w lotnictwie, ale aby było to możliwe, będzie trzeba jeszcze poczekać na rozwój alternatyw dla biopaliw. 

Źródła: Airbus, ZeroAvia, Flyer, evtol, Altair, Elektromobilni, Emirates