В настоящее время на авиацию приходится около 3 процентов мировых выбросов углекислого газа - это примерно 900 миллиардов тонн CO2 в год. И ожидается, что этот показатель будет только увеличиваться по мере того, как все больше людей будут подниматься в небо.
Чтобы снизить рост выбросов, связанных с полетами, авиакомпании обращаются к новым типам жидких топлив, называемых экологически чистыми авиационными топливами (SAF). Эти SAF достаточно похожи на авиационное топливо, чтобы заменить его, но производятся из возобновляемых источников энергии. И они постепенно завоевывают популярность. Федеральное авиационное управление США объявило о плане достичь производства 3 миллиардов галлонов SAF к 2030 году.
Другие технологии, направленные на декарбонизацию авиации, находятся на горизонте, но SAF могут занять уникальное положение для быстрого сокращения выбросов в значительной части полетов. Электрические самолеты, работающие от батарей, находятся в стадии разработки, но они, скорее всего, будут ограничены меньшей дальностью полета и меньшими размерами, в виде воздушных такси. Самолеты, работающие на водороде, такие как проекты Airbus, анонсированные в 2021 году, вероятно, не будут коммерциализированы и масштабированы в течение десятилетий, а также могут иметь ограниченную дальность полета.
Несмотря на их перспективность, остаются вопросы о том, насколько простым будет переход на SAF, сколько это будет стоить и насколько эти виды топлива могут реально снизить выбросы. Кроме того, существует широкий спектр SAF, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Вот что вам нужно знать об этой технологии.
Так что же такое SAF?
По химическому составу SAF идентичны обычному реактивному топливу (или керосину), которое представляет собой смесь углеводородов, но вместо ископаемого топлива они изготавливаются из ряда возобновляемых исходных материалов, или сырья. Многие из них используют биологические отходы, включая отработанное кулинарное масло, кукурузную ботву (то, что остается после уборки початков), пищевые отходы или твердые бытовые отходы. Другие САФ - это полностью синтетическое топливо, или электронное топливо, изготовленное из углекислого газа и водорода.
Сырье должно пройти ряд этапов, чтобы превратиться в пригодное для использования реактивное топливо. Одним из наиболее распространенных способов производства SAF на сегодняшний день является использование отработанных масел, жиров и смазок из ресторанов и т.п., а затем их прохождение через процесс переработки, аналогичный тому, который используется для производства традиционного реактивного топлива. Этот процесс, называемый HEFA (гидроочищенные эфиры и жирные кислоты), особенно привлекателен тем, что в нем можно использовать существующие нефтеперерабатывающие заводы, говорит Зия Абдулла, руководитель программы лаборатории биомассы в Национальной лаборатории возобновляемой энергии США.
Но из-за широкого спектра сырья и процессов количественная оценка преимуществ SAF может быть сложной. По словам Дэна Рутерфорда, директора авиационных и морских программ Международного совета по экологически чистому транспорту, это связано не столько с химией, сколько с бухгалтерским учетом.
Поскольку SAF более или менее химически идентичны реактивному топливу, при сгорании они производят те же выбросы CO2. "Неопределенность возникает на начальном этапе", - говорит Резерфорд, имея в виду способ производства топлива.
Традиционное авиационное топливо начинает свою жизнь в земле. Его добывают, перерабатывают и при сжигании выделяют парниковые газы и другие загрязняющие вещества. Углерод, который находился под землей, оказывается в воздухе. Но SAF извлекают углерод из циркуляции при производстве, подобно тому, как растения используют CO2 для производства сахаров, а затем вновь выделяют его при сжигании, поэтому выбросы могут быть практически сведены к нулю.
Такой учет означает, что детали производства топлива, такие как использование возобновляемых источников энергии и вырубка лесов, будут определять, действительно ли оно снижает выбросы.
Между тем, полностью синтетическое топливо, которое производится из возобновляемых источников энергии и CO2, может сократить выбросы на 99 процентов или более, говорит Рутерфорд. Использование кукурузного полена и отходов очистных сооружений, скорее всего, приведет к 80-процентному сокращению выбросов, а производство топлива из кулинарных масел - к 50-процентному.
А некоторые альтернативные виды топлива вовсе не обязательно снижают выбросы. Например, для некоторых видов ПАВ, основанных на сельскохозяйственных культурах, фермеры выращивают культуры специально для получения биотоплива. Это может привести к значительной вырубке лесов и фактически может привести к более высоким выбросам, чем ископаемое топливо, если принять во внимание землепользование - вы, возможно, слышали о том, что пальмовое масло особенно вредно по этой причине.
Используются ли в настоящее время SAF?
В Соединенных Штатах SAF в настоящее время одобрены в смеси с традиционным авиационным топливом, вплоть до 50-процентной смеси. Однако коммерческие поставки и инфраструктура ограничены, поэтому лишь некоторые рейсы сегодня выполняются на ограниченной доле SAF. Международный аэропорт Лос-Анджелеса - один из немногих аэропортов, выполняющих некоторые рейсы на SAF, который получает топливо от компании World Energy, использующей в качестве сырья смесь жиров, кулинарных масел и смазок. Компания United использует SAF в аэропорту Лос-Анджелеса с 2016 года, хотя это все еще лишь крошечная доля от общего объема поставок топлива.
Однако, поскольку в большинстве крупных аэропортов используются центральные резервуары, где топливо для всех самолетов смешивается вместе, если вы вылетали из LAX в последние пару лет, "ваш самолет, по крайней мере, немного работает на SAF", - говорит Джошуа Хейн, исследователь аэрокосмической техники из Университета Дейтона.
Некоторые компании настаивают на испытании полетов, полностью питающихся от возобновляемых источников. Компания Rolls Royce объявила об успешном испытательном полете с использованием SAF в октябре 2021 года, где один из четырех двигателей самолета Boeing 747 работал на 100% SAF в течение почти четырехчасовой экскурсии. Во время другого испытательного полета в декабре 2021 года, организованного компаниями United и GE, один из двух двигателей самолета Boeing 737 работал на 100% SAF во время рейса из Чикаго в Вашингтон, округ Колумбия, со 115 пассажирами на борту.
Зачем нам вообще нужно новое реактивное топливо?
Проще говоря, "нам нужно декарбонизировать, и поскорее", - говорит Джим Хилеман, главный научно-технический директор FAA по вопросам окружающей среды и энергетики.
В сентябре 2021 года FAA объявило о своей цели достичь нулевых выбросов к 2050 году, и Хилеман ожидает, что SAF станут одной из самых больших частей головоломки в достижении этой цели. Другие технологии также могут сыграть свою роль. Но проблемы авиации затрудняют внедрение некоторых решений в области чистой энергии, которые используются в других местах, например, в автомобилях или на электростанциях, говорит Хилеман.
Самолет должен быть достаточно легким, чтобы летать и нести достаточно энергии для всего путешествия. Это означает, что плотность энергии - количество энергии, запасенной в данном пространстве и при данном весе - является ключевым фактором. А по энергоемкости с авиационным топливом трудно сравниться. Для Boeing 737 потребуется 600-тонная литий-ионная батарея, чтобы сравняться по энергоемкости с реактивным топливом. Это в несколько раз тяжелее, чем общий взлетный вес самолета, который составляет около 90 тонн, говорит Абдулла из NREL.
Водород легче, но он занимает много места, поэтому установка достаточного количества топливных элементов для питания больших самолетов во время длительных перелетов также представляет собой проблему, добавляет Абдулла. В самолете 737, использующем жидкий водород для выработки электроэнергии, топливом придется заполнить от трети до половины самолета, что сильно ограничивает пространство для пассажиров и грузов. Новые конструкции самолетов на водородном топливе могут решить эту проблему, хотя до их коммерциализации еще несколько десятилетий.
В чем подвох?
Стоимость является одним из самых больших препятствий для использования SAF в настоящее время, поскольку большинство из них в два-четыре раза дороже традиционного авиационного топлива. Хотя цены могут немного снизиться, когда технология масштабируется и станет более распространенной, маловероятно, что SAF когда-нибудь станут такими же дешевыми, как ископаемое топливо, говорит Рутерфорд.
Эти расходы могут быстро увеличиться, особенно для менее экономичных самолетов. Эта проблема может стать проблемой для Boom Supersonic, компании, обещающей сверхзвуковые коммерческие полеты к 2030 году, которая пообещала полагаться исключительно на SAF для питания своих будущих самолетов.
В недавнем анализе Резерфорд и его коллеги из ICCT оценили затраты на топливо для Boom, если бы они внедрили SAF. Они обнаружили, что компания, скорее всего, понесет расходы в 25 раз больше, чем традиционная авиакомпания, поскольку альтернативное топливо примерно в три раза дороже традиционного, а сверхзвуковые самолеты требуют больше топлива на каждую милю полета в расчете на одного пассажира.
Даже если компании готовы утроить свои расходы на топливо, предложение наиболее распространенных в настоящее время SAF все еще ограничено. Общий объем отработанных пищевых масел, жиров и смазок в настоящее время составляет около 1,5 млрд. галлонов в год. Только в США в настоящее время потребляется около 20 миллиардов галлонов авиационного топлива в год, а к 2050 году этот показатель, вероятно, достигнет 35 миллиардов, поэтому нам понадобятся другие виды сырья для удовлетворения растущего спроса.
По словам Рутерфорда, масштабирование инфраструктуры, необходимой для производства всех этих видов биотоплива, будет непростой задачей. По его словам, к 2050 году потребуется около 7000 производственных мощностей, чтобы обеспечить достаточное количество САФ для всей авиации. В настоящее время их три.
По словам Абдуллы, некоторые существующие технологии нефтепереработки могут быть использованы повторно, что поможет сократить необходимое новое строительство. Но потребуется новое оборудование, чтобы довести различное сырье до состояния, при котором оно будет совместимо с нефтеперерабатывающими заводами, способными завершить производство SAF.
Что дальше?
В ЕС действует предложение, проходящее через законодательный процесс, которое обяжет авиакомпании использовать минимальную долю SAF: 2 процента к 2025 году с последующим увеличением до 63 процентов к 2050 году. Ожидается, что весь процесс, который начнется в июле 2021 года, займет от 8 до 18 месяцев. В США не планируется введение мандата, хотя администрация Байдена призвала к налоговым льготам для авиакомпаний, использующих SAF. Это может помочь им быть более конкурентоспособными по стоимости по сравнению с традиционным авиационным топливом.
Утверждение более крупных долей SAF для использования в коммерческих полетах, вплоть до 100%, и предоставление мотивации компаниям для инвестиций в эту технологию поможет определить, какое влияние окажет эта технология на сектор, который до сих пор испытывал трудности с сокращением выбросов.
"Декарбонизация будет трудной задачей", - говорит Хилеман из FAA. Но он рассчитывает на то, что SAF будут, по крайней мере, частью решения. "У нас действительно нет другого варианта".