21 сентября 2019 года было подписано постановление правительства РФ (№1228) о ратификации Парижского соглашения по борьбе с глобальными изменениями климата. Д. Медведев сказал: «…для России участие в этом процессе важно,… теперь нам предстоит учесть и меры по выполнению международных обязательств, цель которых – сокращение объема выбросов парниковых газов» [5]. В 2019 годы был подготовлен проект федерального закона «О государственном регулировании выбросов парниковых газов», работа над которым продолжается и сегодня, также ведется работа по разработке проекта стратегии долгосрочного развития с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года.
Самолет – вид техники, эксплуатирующийся на больших высотах, где формируются атмосферные процессы и существуют мощные ветровые течения. Поэтому особенностью авиационных загрязнений является их распространение на большие расстояния из-за атмосферного переноса.
Рост концентраций загрязняющих веществ в воздухе влечет за собой разрушение озонового слоя, загрязнение атмосферы, гидросферы и литосферы. Кроме того, происходит образование фотохимического смога, разрушающего объекты антропогенной инфраструктуры. Рост атмосферных концентраций усиливающих парниковый эффект газов антропогенного происхождения – диоксида углерода (СО2), метана (СН4) и оксида диазота (N2O) – индуцирует последовательные изменения оптических свойств атмосферы в инфракрасной области, затем радиационного баланса и, наконец, глобальные по проявлениям трансформации климата, которые проявляются в увеличении частоты опасных метеорологических и гидрометеорологических явлений, подъеме уровня океана, деградации криосферы. Усилившаяся нагрузка на климатическую систему и изменения в химическом составе атмосферы приводят к перестройке естественных экосистем, угрожают биологическому разнообразию и здоровью населения Земли [2].
Газы СО2, СН4 и N2О, содержащиеся в авиационных выбросах, получили название газов с прямым парниковым эффектом. На сегодняшний день в атмосфере находится рекордное количество двуокиси углерода за последние восемьсот тысяч лет – это смогли выяснить климатологи из Института океанографии Скриппса (США).
Ученые подсчитали, что на 1 м3 воздуха нашей планеты приходится 410 мл CO2 – это на апрель 2018 года. Измерением данного показателя ученые США занимаются еще с 1958 года в обсерватории на Гавайях в Мауна-Лоа. По их данным 60 лет назад данный показатель составлял 315 мл, а в 18-19 веках не более 300 мл.
Процентная составляющая выбросов углекислого газа основных отраслей промышленности, сельского хозяйства, транспорта в мировой выброс диоксида углерода представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Диаграмма выброса углекислого газа основных отраслей промышленности, сельского хозяйства, транспорта в мировой выброс, в %
По некоторым оценкам, выбросы авиации составляли около 2,9% глобального выброса СО2 от всех промышленных источников, но в связи с ростом авиаперевозок, к 2050 году эта величина может превысить 7%, даже несмотря на внедрение новых технологий по сокращению величины удельного авиационного выброса.
Подобный вклад в глобальный выброс СО2 только одного вида транспорта представляется достаточно весомым, и его нельзя не учитывать при оценках влияния антропогенной деятельности на окружающую среду.
Принимая во внимание отмечающийся в начале 21 века рост интенсивности гражданских авиаперевозок в России, а также глобальный характер распространения продуктов выбросов авиадвигателей, рядом исследователей разработаны методы и алгоритмы расчета газообразных выбросов в атмосферу гражданскими воздушными судами приоритетных парниковых газов и загрязняющих веществ, оказывающих косвенное воздействие на климат.
Влияние газообразных загрязнителей и парниковых газов оценивается на основе суммирования выраженных в эквиваленте СО2 расчетных значений выбросов по каждому этапу полета для каждого типа воздушного судна в пределах календарного года его эксплуатации. При помощи разработанного алгоритма расчета можно оценить суммарные годовые авиационные выбросы в атмосферу в пределах территории России, результаты расчетов представлены на рисунках 2-4.
Рис. 2. Сравнительный анализ удельных эквивалентных выбросов парниковых газов на тонну топлива, израсходованного гражданским воздушным судном
Рис. 3. Сравнительный анализ удельных эквивалентных выбросов парниковых газов на тонну максимального взлетного веса воздушного судна
Рис. 4. Сравнительный анализ удельных эквивалентных выбросов загрязняющих веществ на тонну максимального взлетного веса воздушного судна
Наименьшие удельные выбросы в пересчете на тонну израсходованного топлива имели А-310, А-319, А- 320, А-321, В-737, В-742, В-752, В-762, В-763, В-772, Ил-62, Ил-76 и Ил-96. Наименьшие удельные выбросы в пересчете на тонну максимального взлетного веса установлены самолетов В-732, В-742, В-743, В-753, В-762, В-772 и Ил-18.
Международная организация гражданской авиации ИКАО (от англ. ICAO – International Civil Aviation Organization) принимает действенные меры для сокращения негативного воздействия авиации на окружающую среду. Для этого разрабатываются новые стандарты, ужесточающие требования к эксплуатируемым самолетам по авиационному шуму и выбросам, а также расширяется список авиационных требований, по которым проводится сертификация двигателей воздушных судов.
В 2004 году ICAO установила три основные цели в области окружающей среды:
- ограничение или снижение влияния авиационной эмиссии на местное качество воздуха.
- ограничение или сокращение количества людей, подвергаемых значительному воздействию авиационного шума.
- ограничение или уменьшение воздействия эмиссии парниковых газов на мировой климат в результате деятельности авиации.
В 2016 г. CAEP (Комитет ИКАО по охране окружающей среды от воздействия авиации) рекомендовал два новых стандарта: по эмиссиям диоксида углерода и нелетучих взвешенных частиц. Стандарты планируется применяться к моделям нового типа дозвуковых и турбовинтовых самолетов, которые будут вводиться в эксплуатацию с 2020 г., а к уже эксплуатируемым – с 2023 г. Если эксплуатируемые модели, не отвечающие пока требованиям по стандартам СО2, не смогут быть модернизированы должным образом до 2028 г., то после этого срока они не смогут использоваться.
Представляет интерес, в рамках рассматриваемого вопроса, разработанная авиакомпанией «Аэрофлот» программа компенсации выбросов CO2, позволяющая каждому пассажиру рассчитать именно свою долю в загрязнении окружающей среды (рис. 5). И в дальнейшем компания будет готова предложить возможность добровольно компенсировать негативное воздействие на окружающую среду посредством перечисления средств на поддержку экологических проектов [1].
Рис. 5. Сканированная копия билета компании Аэрофлот
Тема «Зеленой авиации» – это сегодня важный тренд и один из глобальных приоритетов всех заинтересованных лиц инженеров, ученых, работающих в области авиастроения [2, 3, 4, 6].
Для уменьшения эмиссии парниковых газов у авиакомпаний имеется по существу всего две возможности: увеличение роста топливной эффективности (то есть снижения удельного расхода топлива) и использование альтернативных видов топлива: синтетического горючего из каменного угля, природного газа или биомассы, водорода.
Первая возможность связана с увеличением роста топливной эффективности, что напрямую зависит от оснащения самолетов новыми инновационными двигателями и повышением качества авиационного топлива.
В 2006 году было подписано соглашение о создании двигателя, который получил название ПД-14 (перспективный двигатель тягой 14 т) (рис. 6). В двигателе задействовано около 20 новых российских материалов, прошедших сертификацию по международным нормам, что позволит снизить расход топлива, сделав ПД-14 более экологичным и экономичным.
Рис. 6. Фотография перспективного двигателя тягой 14
Модель XB-1, которую ласково называют Baby Boom («бэби-бум»), представляет собой демонстратор в масштабе одной трети для грядущей модели Boom Overture (рис. 7).
Рис. 7. Фотография опытного XB-1 у ворот цеха
Его длина 68 футов, размах крыла 17 футов, и он приводится в движение тремя двигателями по 4300 фунтов силы. Дальность полета XB-1 составит всего около 1000 миль, так как он разработан только в качестве прототипа для испытаний технологий, которые планируется отработать для Overture.
Представители Boom также заверяют, что лайнеры будут использовать меньше топлива, чем предыдущие аналоги, за счет сочетания эффективных материалов и двигателей нового поколения. Двигатели были разработаны для совместимости с экологически чистым авиационным топливом (SAF), поэтому, когда они станут широко доступными, операторы смогут выбрать использование SAF по своему усмотрению. Что касается выбросов углекислого газа, Boom заявляет, что Overture будет более экологически чистым в расчете на одно пассажирское место, чем дозвуковой полет на обычном пассажирском самолете в бизнес-классе.
Вторая возможность связана с использованием альтернативных видов топлива: синтетического горючего из каменного угля, природного газа или биомассы, водорода
Специалисты "Сасол" считают, что синтетическое топливо уже смогло продемонстрировать преимущества перед обычным. Так, оно содержит меньше вредных для окружающей среды выхлопных газов. Полное сгорание и способность поддерживать стабильный температурный режим позволяют работать над новыми видами авиационных двигателей.
Био-топливо. Большинство наиболее крупных мировых авиакомпаний, в том числе Lufthansa, Virgin Atlantic, Qantas и Alaska Airlines уже запустили программы по использованию био-топлива, и проводят тестовые полёты с его применением. Био-топливо нового поколения производится из биомассы, не употребляемой в пищу, то есть не из зерновых или бобовых (сои) культур. Группа пользователей экологически чистого авиационного топлива, включающая в себя 20 авиакомпаний и четырёх авиапроизводителей взяла на себя обязательства использовать только такое топливо. Так, компания Solazyme, сделала первое реактивное топливо из водорослей в 2008 году, при его сгорании углекислого газа выделяется на 95% меньше, чем при сгорании топлива из нефтепродуктов.
Водород. Жидкий водород практически идеальное топливо, при сгорании которого образуется только вода и некоторое количество окислов азота. Сжиженный газ значительно уступает водороду, но всё же практически весь сгорает и является намного чище керосина.
Основная проблема в том, что хранить такое топливо можно только в специальных герметичных ёмкостях с экрано-вакуумной изоляцией, чтобы поддерживать его в жидком состоянии при экстремально низких температурах. Для водорода это -253 °С для метана -161°С.
Так, Европейский аэрокосмический концерн Airbus представил три концепта ZEROe (дословно, "нулевой уровень вредных выбросов") первого в мире пассажирского самолета с нулевым уровнем вредных выбросов (рис. 8).
Рис. 8. Фотография трех концептов ZEROe
Самолеты оснащены модифицированным газотурбинным двигателем, работающим за счет сжигания водорода вместо керосина. Полеты нового лайнера могут начаться уже в 2035 году, отмечается в сообщении компании. В основе самолета лежит использование водорода в качестве основного источника энергии. Самолет с турбовентиляторным двигателем будет иметь вместимость 120-200 пассажиров и дальность полета свыше 3,7 тыс. километров, то есть он сможет выполнять трансконтинентальные полеты. Вариант с турбовинтовым двигателем на 100 пассажиров сможет летать на 1,85 тыс. км и подходит для выполнения ближнемагистральных рейсов.
Таким образом, создание глобальной системы регулирования выбросов парниковых газов в мире идет и на переговорных площадках, и путем практической разработки национальных систем на основе стандартизированных решений развитой экономической теории регулирования атмосферных выбросов.
