Samolot o napędzie wodorowym – w formie prototypu – Airbus zaprezentował dopiero w 2020 roku. Jednak od kilkunastu lat na międzynarodowych forach, poruszany jest temat narastania efektu cieplarnianego. Teorie globalnego ocieplenia mają zarówno swoich zwolenników jak i przeciwników. Podczas gdy Europa zaciekle walczy o ograniczenie emisji dwutlenku węgla i stale zmniejsza jego poziom ( w 1990 było to 5 647 955.14 ton, a w 2018 już 4 224 358.28 ton), w tym samym czasie w Nowej Zelandii i w Stanach Zjednoczonych wskaźniki od lat 90-tych utrzymują się na tym samym poziomie. Natomiast w Australii – która stara się być postrzegana jako państwo ekologiczne – nieprzerwanie rosną. Dane dotyczące Chin nie są pełne, lecz można zauważyć, że trend jest stale wzrostowy. I tak w 1994 roku poziom emisji wynosił 4 057 617.00, a w 2012 już 11 895 765.00 ton.
Popularność podróży lotniczych
Coraz większa dostępność podróżowania samolotami odrzutowymi to kolejny czynnik zwiększający emisję gazów cieplarnianych. Transport lotniczy stanowi obecnie najszybciej rosnące źródło emisji dwutlenku węgla. Ale problemem jest także wpływ na lokalne zanieczyszczenie powietrza oraz hałas. Z badań ICAO wynika, że poziom hałasu ustabilizuje się po 2030 roku. Natomiast zanieczyszczenie powietrza oraz wpływ na efekt cieplarniany będą stale wzrastały do 2050 roku. W raporcie zaznaczono jednak, że nie da się przewidzieć wzrostu popytu na usługi lotnicze, które już dzisiaj przewyższają techniczne możliwości kompensacji ich negatywnych skutków.
Emisja CO2 w lotnictwie
Chociaż obecnie międzynarodowe lotnictwo cywilne odpowiada za około 1,3% globalnej emisji CO2, przewiduje się, że jego udział wzrośnie w nadchodzących dziesięcioleciach. W 1960 r. 100 milionów pasażerów podróżowało drogą lotniczą. Był to w tamtym czasie stosunkowo drogi i zarazem elitarny środek transportu, dostępny tylko dla niewielkiej części społeczeństwa. W 2017 roku całkowita roczna liczba pasażerów na świecie wyniosła 4 miliardy, a w 2018 4.34 miliarda. Z biegiem czasu podróże lotnicze stały się tańsze i przy tym szerzej dostępne. To następnie spowodowało rozkwit lotnictwa oraz jego popularność wśród większej liczby ludzi na całym świecie. Analitycy nadal prognozują szybki wzrost popularności transportu lotniczego w krajach rozwijających się i trwały wzrost na dużych, ustabilizowanych rynkach lotniczych w krajach rozwiniętych. Te dane mogą być zrewidowane z powodu obecnie panującej pandemii, lecz trend nadal pozostanie wzrostowy. Podczas gdy globalne wykorzystanie samochodów, produkcja energii elektrycznej oraz sektory przemysłowy i rolniczy przewyższają wpływ lotnictwa komercyjnego na zmiany klimatyczne, pasażerskie podróże lotnicze powodują największy i najszybszy wzrost indywidualnych emisji. Dzieje się tak nawet pomimo znacznej poprawy wydajności silników samolotowych.
Samolot o napędzie wodorowym Airbus
Firmy starają się znaleźć rozwiązania nie tylko w zakresie bardziej efektywnego wykorzystania paliwa lotniczego, lecz także poprzez wdrożenie nowych technologii. Europejski koncern Airbus wytyczył sobie cel opracowania do 2035 roku pierwszego na świecie zasilanego wodorem i bezemisyjnego samolotu komercyjnego. We wrześniu 2020 roku w Tuluzie europejski koncern zaprezentował trzy prototypy.
Samolot o napędzie wodorowym Airbus Turbofan
Odrzutowy Turbofan napędzany jest przez dwa silniki hybrydowo-wodorowe z turbowentylatorami. Turbina gazowa wytwarza ciąg poprzez spalanie wodoru. System magazynowania i dystrybucji ciekłego wodoru znajduje się za tylną przegrodą ciśnieniową. Konstrukcja turbofan zabiera na pokład od 120 do 200 pasażerów i ma zasięg ponad 2000 mil morskich, co umożliwia wykonywanie lotów długodystansowych.
Samolot o napędzie wodorowym Airbus Turboprop
Z kolei turbośmigłowy Turboprop wyposażony jest w dwa hybrydowo-wodorowe silniki turbośmigłowe, które napędzają ośmiopłatowe śmigła. Jest to samolot krótkodystansowy o zasięgu około 1000 mil morskich. System magazynowania i dostarczania ciekłego wodoru – podobnie jak w poprzednim modelu – znajduje się za tylną przegrodą ciśnieniową.
Samolot o napędzie wodorowym Airbus Blended-Wing Body
Ostatni, o super futurystycznym kształcie Blended-Wing Body to koncepcja zapewniająca wygodną podróż dla 200 pasażerów, a zasięg jest podobny do modelu turbofan. Wyjątkowo szeroki kadłub otwiera wiele możliwości przechowywania i dystrybucji wodoru oraz układu kabiny. Tutaj zbiorniki do przechowywania ciekłego paliwa projektanci umieścili pod skrzydłami, a moc zapewniają dwa silniki hybrydowo-wodorowe z turbowentylatorami.
Wszystkie trzy koncepcje ZEROe to samoloty z wodorowym napędem hybrydowym. Energia napędowa pochodzi ze spalania mieszanki wodoru i tlenu przez zmodyfikowane silniki turbinowe. Ponad to, wodorowe ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną, która uzupełnia turbinę gazową, tworząc wysoce wydajny hybrydowo-elektryczny układ napędowy. Wszystkie te technologie uzupełniają się, zapewniając dodatkowe korzyści.
Każda z tych koncepcji, badając różne ścieżki technologiczne i konfiguracje aerodynamiczne, reprezentuje inne podejście do osiągnięcia celu, jakim jest lot bezemisyjny. To z kolei, w zamierzeniu ma prowadzić do dekarbonizacji całego przemysłu lotniczego.
Jak przygotować porty lotnicze
Aby sprostać tym wyzwaniom, porty lotnicze będą potrzebować nowej infrastruktury do transportu i tankowania wodoru. Wsparcie rządów będzie miało kluczowe znaczenie dla osiągnięcia tych ambitnych celów. Można to zrealizować dzięki zwiększonemu finansowaniu badań i technologii, cyfryzacji i mechanizmom zachęcającym do stosowania zrównoważonych paliw. Istotnym czynnikiem mogą okazać się także programy pomocowe w kierunku odnawiania flot samolotów. Umożliwi to liniom lotniczym wcześniejsze wycofywanie starszych, mniej przyjaznych dla środowiska maszyn.
Przechowywanie wodoru
Problem stanowią jednak koszty pozyskiwania wodoru oraz sposób przechowywania. Na początku warto zaznaczyć, że wodór łatwo dyfunduje w powietrzu, co powoduje dodatkowe straty.
Skroplenie wodoru wymaga znacznie wyższych nakładów energii, niż jego sprężenie. Dodatkowo w stanie ciekłym musi być przechowywany w temperaturze 20 K czyli -253°C, co prowadzi do wysokich kosztów materiałowych.
Z kolei w postaci gazu, niska gęstość wodoru sprawia, iż nawet po sprężeniu pod dużym ciśnieniem, zgromadzona jest mała ilość energii użytecznej. To natomiast prowadzi do dużych objętości zbiorników, jak i wysokich kosztów materiałów. Pojawiają jednak się obiecujące metody przechowywania wodoru pod postacią wodorków.
Pozyskiwanie wodoru
Obecnie co roku produkuje się ponad 70 milionów ton wodoru przy wykorzystaniu gazu ziemnego. Niestety produkcja tego pierwiastka przy użyciu paliw kopalnych jest energochłonna i odpowiada za około 830 mln ton emisji CO2 rocznie. Niskoemisyjną alternatywę stanowi elektroliza zasilana energią elektryczną, wytwarzaną ze źródeł odnawialnych. Jest to proces, w wyniku którego powstaje „zielony wodór”. W latach 2014-2019 światowa produkcja energii elektrycznej z wiatru podwoiła się, podczas gdy globalna produkcja energii słonecznej wzrosła czterokrotnie. Międzynarodowa Agencja Energii (IEA) przewiduje, że poprzez szybki wzrost rynku odnawialnych źródeł energii, w szczególności energii słonecznej i wiatrowej, w ciągu następnej dekady wykładniczo zwiększy się dostępność odnawialnej energii elektrycznej, obniżając tym samym jej koszt. Zapotrzebowanie na elektrolizery zdolne do produkcji “zielonego wodoru” już teraz szybko rośnie. Szacuje się, że zwiększona dostępność ekologicznego wodoru pomoże obniżyć jego koszty nawet o 30% do 2030 roku i o 50% do 2050 roku.
Wodór w lotnictwie
Jednak, aby wodór rzeczywiście zyskał szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym, musi być dostępny na lotniskach na całym świecie. Plusem jest to, że wodoru nie wydobywa się, tylko uzyskuje. Można by więc odpowiednią infrastrukturę budować w sąsiedztwie portów lotniczych, co także eliminowałoby – bądź w znacznej mierze ograniczało – koszty transportu.
