Létání na plyn
Nedostatek ropy a zvyšování cen opět zvyšují zájem o alternativní paliva pro vzdušný prostor.
Guy Norris/Los Angeles
Pro letecké odvětví je palivo nutným zlem a zvláště pro letecké dopravní společnosti. Je stále dražší, produkuje ekologicky škodlivý odpad a dokonce způsobuje nehody. A konečně zásoby ropy, které jsou v současnosti zdrojem životadárné tekutiny pro celé odvětví, budou brzy vyčerpány.
Palivová krize poskytovala tradičně motivaci ke zlepšením ve výkonnosti, snižování emisí a snižování závislosti na tenčících se zásobách paliv. Naproti tomu hledání přímých alternativ či kvazialternativ konvenčních fosilních paliv pro proudová letadla (JET-A a A1) nikdy nebylo tak důsledné. Koncem 50. let byly v USA na letounu Martin B-57 prováděny zkoušky slibného leteckého motoru poháněného vodíkem. V 80. a 90. letech probíhaly v bývalém Sovětském svazu a později v Německu pokusy vyvinout kompletní životaschopné palivové systémy na bázi vodíku.
Tupolev vyvinul zkušební derivát letounu Tu-154 na kapalný vodík, létal s ním, v r. 1988 ho synchronizoval na Tu-155 a pak naplánoval vyspělou verzi osobního letounu Tu-156. Jeden ze tří konvenčních motorů Tu-155 byl nahrazen vodíkovým motorem Kuzněcov NK88, což je modifikovaná verze standardu NK-8s. Zkoušky byly tak povzbudivé, že sovětští a němečtí vládní představitelé podepsali v květnu 1990 dohodu, že do r. 1996 vyvinou technologii pro předváděcí model Airbus A300 poháněný kapalným methanem nebo vodíkem. Projekt však, jako mnoho ostatních, padl za oběť finančním a technickým problémům, které se s rozpadem Sovětského svazu ještě zhoršily.
V současné době NASA (Národní úřad pro letectví a kosmonautiku) v rámci svého Programu revolučních koncepcí pohonu letadel zvažuje výzkum alternativních paliv údajně pro pohon dosahující při nasávání vzduchu vysoké hodnoty Machova čísla avšak s potenciálem pro budoucí podzvukové aplikace. Podle slov Chi Ming Lee, vedoucího útvaru pro spalování v Glennově výzkumném centru NASA v Ohiu, se tomu věnuje velké úsilí. Velký důraz je kladen na čistší spalování, což znamená použití nových paliv pro vyspělé koncepce spalovacích komor. Projekt je zaměřen na vývoj nového paliva nebo paliv z vodíku, methanu, ethanolu a methanolu. Podle konečného projektu by dnešní ropné společnosti měly produkovat nová paliva na objednávku. „Paliva se budou objednávat pro jejich nízké emise nebo pro jejich vysokou hnací sílu“, říká Lee. Pokud bude mít NASA přiděleny finanční prostředky, vypracuje postupně program začínající základním výzkumem termodynamických vlastností každého potenciálního paliva. „Nejdříve budeme hledat paliva s nejlepší strukturou. Pak budeme spolupracovat s ropnými společnostmi, aby pro nás vyrobily paliva k použití v laboratoři. Budeme zjišťovat, zda je palivo bezpečné a zda má dostatečně nízké emise. Jakmile to potvrdíme, budeme spolupracovat s výrobci motorů na dalším vývoji.“
Lee připouští, že tato myšlenka není nová, ale podle jeho názoru nedávný skok v cenách ropy způsobil, že se zase zvyšuje zájem o alternativní paliva. „Dlouhý čas byla cena ropy velmi nízká, avšak s cenou 35 – 40 USD za barel se na nás obrátila pozornost ropných společností. Chtějí s námi spolupracovat“, dodává. V souvislosti s probíhajícími pracemi v NASA na snížení emisí se projekt bude ještě zaměřovat na zajišťování nižších hladin oxidů dusíku (NOx), na redukci množství kysličníku uhličitého (CO2) a zejména aerosolů, říká Lee. “Máme dobrou představu o tom, čeho chceme dosáhnout, ale určitě to bude proces pokusů a omylů.“
Podle odhadů NASA bude ideální struktura paliva potvrzena až za tři roky od zahájení programu.
Použití vodíku
Po této počáteční fázi to bude trvat další rok práce v laboratořích, než budou k dispozici výsledky umožňující přechod na úroveň průmyslové zkoušky. „Pak bude vývoj paliva trvat další tři roky“, říká Lee. I když se vyhlídka trvání projektu sedm či osm let může zdát příliš dlouhá, jak dodává Lee, není to podle jeho slov nic ve srovnání s tím, že Americkému ropnému institutu (API) trvá schválení additiva 20 let.
Kromě dřívějších výzkumných prací na kryogenních palivech pro letadla je dalším projektem NASA program Nulových emisí CO2 (ZCET) pro plynové turbíny. Podobně jako u programu Revoluční koncepce leteckého pohonu je základním cílem programu ZCET především redukovat emise a zlepšovat výkon, než specificky vyvíjet alternativní paliva. Použití vodíku je proto považováno spíše jako prostředek k cíli než hlavní cíl projektu. Vodík má konec konců několik hlavních nevýhod, včetně nákladů na zpracování a skladování, velkého objemu a bezpečnostních problémů spojených s jeho použitím. Vysoké náklady by bylo možné řešit zlepšováním infrastruktury pro rozšiřování použití vodíkového paliva, ale objem a problémy bezpečnosti už tak snadno vyřešit nelze. Tekutý vodík se vaří při teplotě –253oC (-513oF) a jakýkoliv únik nebo pokles tlaku vede k téměř okamžitému odpařování. Dokonce i při extrémně nízkých koncentracích jsou výpary vysoce hořlavé a mohou se vznítit tou nejmenší jiskřičkou. To s sebou nese nutnost vypracovat protipožární opatření.
Přesto však manažer pro spalování vodíku v rámci programu ZCET v NASA Tim Smith říká, že přednosti vodíku z něj učiní atraktivní cíl. Vodík produkuje vodu jako vedlejší produkt spalování a hlavně nevytváří skleníkový plyn CO2, který má být na základě protokolu z Kyota snižován. Vodík má také vysokou reakční rychlost, vysokou výhřevnost a je dostupný v neomezením množství. Tříleté úsilí na programu ZCET je proto zaměřeno na vyvíjení vodíku jako paliva a jako základu pro palivové články. „Díváme se na Boeing typ 777 jako na měřítko použití kapalného vodíku a všech typů komplexních problémů s tím spojených“, říká Smith.
Úsilí výzkumu palivových článků v rámci programu ZCET je zaměřeno na rozvoj vyspělých palivových injektorů, které poskytují rychlé smíchání, nízké emise a vysoký výkon. „Vodík hoří skutečně snadno, to není nikdy problém“, říká Smith. „Ale protože hoří tak snadno, teploty jsou vysoké a – jelikož oxidy dusíku (NOx) jsou funkcí teploty – spalování vodíku a vzduchu může ještě produkovat významné hladiny NOx. Mohli bychom vyrobit velký vodíkový hořák, ale pokud by produkoval více emisí, neměl by smysl. Práce na programu ZCET je zaměřena na zkoušky plamence, kde se simulují spalovací komory motoru. Je to jediný hotový typ systému a my ho používáme v nových koncepcích, které máme v předběžném návrhu“, říká Smith. V zájmu zajištění využití všech prostředků pracuje NASA na těchto nových návrzích s výrobci spalovacích komor“, dodává Smith. Cílem je snížení emisí CO2 na nulu a snížení oxidů dusíku (NOx) o koeficient tři do deseti let. Patří sem rovněž celkové cíle mnohem širšího programu NASA pod názvem Ultraefektivní technologie motoru (UEET), který je zaměřen na snižování emisí oxidů dusíku (NOx) o 70 % do r. 2016 ve srovnání se standardem základní čáry z r. 1996 stanoveném Mezinárodní organizací civilní letecké dopravy.
Ačkoliv Smith věří, že cíle snížení emisí jsou dosažitelné, hlavním úkolem je vyvíjení spalovacích komor, které budou muset fungovat s daleko chudšími palivovými směsmi. Návrh bude nutno adaptovat za účelem redukování rostoucí možnosti nedokonalých spalování. „Ale oblastí nejvyššího zájmu je zpětný výšleh plamene tam, kde plamen chce jít příliš daleko nazpět do trysky a hoří v místech, kde by hořet neměl“, říká Smith. Lee dodává: „Naším cílem je dotáhnout činnost plamence až na úroveň technologické připravenosti 3 nebo 4 a od toho se bude odvíjet náš úspěch i rozpočet.“
Mezitím paralelně pokračují práce na palivovém článku. Vodík bude jednou z reagujících složek v palivových článcích pravděpodobně složených z uhlíkové anody a katody ponořených v elektrolytu. Obě elektrody obsahují platinu fungující jako katalyzátor rozkládající molekuly kyslíku na atomy při průchodu plynových bublin katodou. Zde kyslík bude absorbovat elektrony a slučováním s vodou vytvářet vodíkové ionty. Současně vodík bude na anodě uvolňovat elektrony a při slučování s vodíkovými ionty vytvářet vodu. Následný proud tekoucí mezi elektrodami bude používán k pohánění ventilátoru s ozubenými převody.
„Palivový článek nemůže poskytnout dostatečnou hnací sílu ke vzletu“, říká Lee, „mohli bychom ho tedy spojit s turboventilátorem poháněným vodíkem pro vzlet a palivový článek použít pouze pro let.“ Část zkoumání se zaměřuje na „bod zvratu“, kdy technologie palivových článků bude vhodná pro hladinu výkonu budoucích leteckých motorů. Jsou stále ještě těžké a produkují vodu, takže musíte zkoumat, jak si s tím poradit“, říká Smith. Zkoumání vyhodnocují koncepci palivových článků pro letadla, jejichž rozměry se pohybují od „Cesny až po 737“ s očekávaným výsledným závěrem ve prospěch jejího použití pro novou generaci lehkých a robotových letadel.
Krátkodobá řešení
Zatímco NASA zápasí s obtížemi zdokonalování hnací technologie na bázi vodíku, ostatní předpovídají krátkodobá řešení, tj. nové zásoby tryskového paliva z nekonvenčních zdrojů, jako je například uhlí, kapalný zemní plyn, obnovitelné zdroje, lampové saze a „nastavovací plniva“.
Během uvaleného embarga na ropu v době apartheidu byla jihoafrická ropná společnost Sasol nucena hledat alternativy a vyvinula postup výroby petroleje z uhelných ložisek. Palivo je zušlechťováno na základě složitého procesu zušlechťování, který rovněž produkuje kysličník uhelnatý (CO) a vodík. Následný petrolej se smíchá zhruba v poměru 50:50 s konvenčně zušlechtěným leteckým palivem pro proudová letadla Jet A. Byly rovněž vyvinuty vyspělé zušlechťující techniky, kdy se destiluje letecké palivo ze zkapalněného zemního plynu, ačkoliv v důsledku poměrných nákladů lze těžko tuto metodu obhájit ve srovnání s běžnými cenami. Počítáme-li cenu ropy přibližně 20 USD až 22 USD za barel, výroba jednoho galonu tryskového paliva ze zkapalněného zemního plynu by stála asi čtyřikrát tolik než z konvenční ropy“, říká odborník na paliva Stan Seto z firmy General Electric Aircraft Engines.
Jak říká Seto, obnovitelné zdroje syntetického tryskového paliva poskytují další zvláštní možnost. Jedním takovým projektem je recyklování starých pneumatik za účelem zužitkování lampových sazí obsahujících 100 % uhlíku. „ Odstraníte latex, který byl v pryži, a zůstanou vám lampové saze skýtající ideální stavební kámen pro zušlechťování paliva. A co víc, všude se povalují miliony starých pneumatik“, dodává Seto. Další skupina se sídlem na univerzitě v Loughborough ve Velké Británii provedla průzkumy proveditelnosti výroby syntetického petroleje z dřevěné drti a sojových bobů. Způsob zpracování je podobný technologii zušlechťování, používané ve společnosti Sasol, generuje CO a vodík stejně jako samo palivo. „Funguje to dobře, problémem však je, že začínáte s mnohem nižšími měrnými hladinami energie, což činí obtížným použít toto palivo pro vzdušný prostor“, říká Seto.
Dopad syntetického petroleje na životní prostředí je relativně mírný, vede však k možnosti dalšího výzkumu. Palivo samo je čistší a při spalování emituje méně síry a kysličníků dusíku NOx. Vývojoví pracovníci také věří, že když dřevo a sojové boby při růstu absorbují kysličník uhličitý CO2, palivo při spalování nebude emitovat CO2 do atmosféry. Dalším problémem jsou zásoby dřeva a výzkumníci poukazují na rozlehlé zalesněné oblasti Ruska jako na jeden z možných zdrojů materiálu pro výrobu syntetického petroleje v průmyslovém měřítku.
Dalším přístupem, který je právě ověřován, je použití „nastavovacích plnidel“ ke zvýšení objemu a snížení emisí. Tato metoda byla původně vypracována pro automobilové palivo a zahrnuje additiva, jako je například ethanol získaný z obilí nebo ETBE opět získávané z obnovitelných zdrojů. „Když byla tato paliva poprvé zavedena, lidé je považovali za svatý grál, protože jejich použití neprodukovalo emise. Avšak přinesla s sebou problém odpadů“, varuje Seto, který si je v souvislosti s leteckými palivy tohoto problému jasně vědom. Jako v případě nastavovacích plnidel a dalších experimentálních paliv Seto předpokládá vznik dalších alternativních technologií nejdříve v automobilovém průmyslu a teprve pak jejich posun do vzdušného prostoru. „Je téměř jisté, že nejdříve se objeví v osobních a nákladních automobilech a teprve pak si najdou cestu do leteckých motorů. Velké úsilí je věnováno znovuvyvinutí energetického hospodářství, které nebude založeno na ropě, což je logičtější startovní místo.
Jak dlouho ještě budou zásoby ropy opravdu stačit? „Před několika lety jsem slyšel, že pouze 20 let. Nyní předpokládáme 50 až 60 let, než nastane kritický moment“, říká Seto. API věří, že celková zbývající obnovitelná ropa v USA může překračovat 200 miliard barelů nebo hodnotu 70 let při současné míře spotřeby. Geologický průzkum USA odhaduje, že celková celosvětová ropná ložiska by mohla produkovat asi 2,1 bilionů barelů ropy.
Při stávající míře spotřeby je podle API 95% pravděpodobnost, že zbývající světové zásoby ropy budou vyčerpány za 63 let a 5% šance, že vydrží 95 let. Ačkoliv skutečná cifra je někde uprostřed, každý plánovač letecké dopravní společnosti bude pravděpodobně souhlasit, že nadešel čas hlavních výzkumů alternativních leteckých paliv.
Pramen: Flight Intenational, 3 – 9 říjen 2000, s. 42 – 46
Překlad: Lidmila Zrzavecká
Korektura: ODIS
Datum uveřejnění: 6. prosince 2025 Poslední změna: 2. srpna 2007 Počet shlédnutí: 14