Na drodze do bardziej zrównoważonego lotnictwa: wyzwania i innowacje

Po pandemii przemysł lotniczy wraca na ścieżkę wzrostu i praktycznie osiągnął poziomy wolumenu z 2019 roku. Ponadto prognozy IATA przewidują, że zyski linii lotniczych wyniosą 30,5 miliarda dolarów w 2024 roku, a około 4,96 miliarda osób będzie podróżować drogą lotniczą. IATA prognozuje również nowy wzrost na rynkach wschodzących, takich jak Indie oraz wzrost popytu na loty międzynarodowe. Przewiduje się zatem podwojenie globalnej floty samolotów do 2042 roku.

Oznacza to około 40tys nowych samolotów komercyjnych (zgodnie z prognozą Airbusa na lata 2023-2042)¹. Według danych International Energy Agency w 2023 roku lotnictwo było odpowiedzialne za około 2,5% globalnej emisji CO2. związanych z energią². Powyższe wyzwania wymagają zatem innowacyjnych rozwiązań, niezbędnych do znaczącego ograniczenia wpływu na klimat, poprawy efektywności energetycznej oraz uczynienia lotnictwa bardziej zrównoważonym.

„Znajdujemy się w punkcie, w którym musimy zrównoważyć rosnące globalne zapotrzebowanie na loty z redukcją emisji. To złożone wyzwanie wymaga nie tylko postępu technologicznego, ale również zaangażowania w efektywność operacyjną oraz prac rozwojowych nad paliwami alternatywnymi. Te działania są kluczowe dla znaczącego zmniejszenia naszego wpływu na klimat, poprawy efektywności energetycznej i rozwoju branży lotniczej” – mówi Jan Florian, Prezes Zarządu i Dyrektor Operacyjny MTU Aero Engines Polska.

W odpowiedzi na te wyzwania sektor lotniczy koncentruje się na badaniach, wdrażaniu nowych technologii oraz metod operacyjnych, obejmujących zarówno ewolucyjny rozwój istniejących technologii, jak i rewolucyjne podejście do lotnictwa. Innowacje te, w tym rozwój napędów elektrycznych, hybrydowych i wodorowych, mają na celu nie tylko redukcję wpływu na klimat, lecz także poprawę efektywności energetycznej i zmniejszenie hałasu lotniczego. Przejście na bardziej zrównoważone lotnictwo otwiera przed branżą nowe możliwości, jednocześnie odpowiadając na globalne wyzwania związane ze zmianami klimatycznymi i ochroną planety.

Porozumienie paryskie doprowadziło do zmiany paradygmatu w branży lotniczej. Wcześniejsze cele koncentrowały się wyłącznie na wpływie emisji CO2, jednak przyszłe regulacje będą uwzględniały całkowity wpływ lotnictwa na klimat, w tym emisje tlenków azotu, pary wodnej oraz tworzenie smug kondensacyjnych. Wizja Europy dla zrównoważonego lotnictwa została opisana w inicjatywie „Fly the Green Deal”, która wspiera cele Europejskiego Zielonego Ładu zakładające redukcję emisji gazów cieplarnianych o 55% do 2030 roku oraz osiągnięcie neutralności klimatycznej do 2050 roku.

MTU Aero Engines wpisuje się bezpośrednio w obecne trendy poprzez agendę technologiczną o nazwie Clean Air Engine (CLAIRE). Przedstawiamy w niej potencjalne rozwiązania i koncepcje dla nowoczesnych napędów lotniczych, które mają utorować drogę do lotów bez emisyjnych. Wszelkie działania w ramach inicjatywy CLAIRE ukierunkowane są na minimalizację wpływu na środowisko poprzez m.in. ograniczenie emisji dwutlenku węgla i tlenków azotu oraz formowania się smug kondensacyjnych, przy jednoczesnej redukcji zużycia energii.

Droga ku lotom bez emisyjnym w ramach inicjatywy CLAIRE obejmuje trzy etapy. Pierwszy etap wiąże się z silnikiem o architekturze GTF (Geared Turbofan), który jest użytkowany od 2016 roku. W połączeniu ze zrównoważonymi paliwami lotniczymi (SAF) może już teraz znacznie zmniejszyć wpływ na klimat. Drugi etap zakłada wprowadzenie nie tylko silnika GTF nowej generacji, możliwego do adaptacji do wszystkich klas ciągu, lecz także rewolucyjnego rozwiązania opartego o ogniwa paliwowe (Flying Fuel Cell™) dla krótszych, regionalnych lotów. Etap trzeci, rozpoczynający się w 2050 roku, ma na celu dalsze zwiększenie efektywności wszystkich technologii napędu, bezpośredni odzysk ciepła z gazów wylotowych oraz wdrożenie wodorowego ogniwa paliwowego na trasach krótko- i średniodystansowych.

„Osiągnięcie neutralności klimatycznej to priorytetowe zadanie, które bez wątpienia wymaga zaangażowania wszystkich sektorów przemysłu lotniczego. W tym kontekście, przyglądając się naszej własnej działalności, kluczową rolę odgrywają badania i rozwój. Innowacyjne technologie, takie jak ogniwa paliwowe, nad którymi obecnie pracujemy, mogą przyczynić się do znaczącego ograniczenia emisji gazów cieplarnianych oraz poprawy efektywności energetycznej w lotnictwie” – mówi Marcin Pietrzak, dyrektor Działu Inżynierii i Technologii w MTU Aero Engines Polska.

Oprócz działań politycznych, do których można zaliczyć Unijny System Handlu Emisjami oraz obowiązek stosowania zrównoważonych paliw lotniczych, kluczowe znaczenie mają innowacyjne rozwiązania dla lotnictwa. Obejmują one elektryfikację i hybrydyzację systemów napędowych, optymalizację aerodynamiki samolotów, wykorzystanie zaawansowanych materiałów kompozytowych oraz wykorzystanie narzędzi cyfrowych w celu poprawy efektywności operacyjnej. Współpraca między firmami, liniami lotniczymi, rządami i uczelniami, odgrywa tu kluczową rolę. Ta wieloaspektowa współpraca umożliwia zintegrowanie innowacji, badań i legislacji w jednolitą strategię zmniejszenia wpływu lotnictwa na środowisko.

„W kontekście zrównoważonego rozwoju lotnictwa na przestrzeni następnych lat również paliwa lotnicze mają kluczowe znaczenie. Mówimy tu o zrównoważonych paliwach lotniczych (SAF), które mogą i będą miały istotny wkład w redukcję emisji CO₂ oraz ograniczenie powstawania smug kondensacyjnych. Redukcja emisji CO₂ w cyklu życia może docelowo sięgać nawet 80% - w porównaniu do tych samych silników zasilanych standardowym paliwem lotniczym - przy pełnym, stuprocentowym stosowaniu SAF. Testy przeprowadzone z użyciem zrównoważonych paliw wykazują wysoką kompatybilność z paliwami konwencjonalnymi. Wraz z rozwojem technologii produkcji spodziewamy się również stopniowego spadku kosztów zakupu tego paliwa, co umożliwi jego szersze wykorzystanie przez linie lotnicze” – mówi Marcin Pietrzak, dyrektor Działu Inżynierii i Technologii MTU Aero Engines Polska.

Do kluczowych inicjatyw należy zobowiązanie IATA do osiągnięcia neutralności węglowej przez linie lotnicze do 2050 roku. Według IATA, zrównoważone paliwa lotnicze (SAF) mogą przyczynić się do około 65% redukcji emisji, co jest niezbędne do osiągnięcia tego celu. Rozwijane są również programy dotyczące syntetycznego paliwa lotniczego oraz wodorowych ogniw paliwowych, takie jak unijny program technologiczny HEROPS (Hydrogen-Electric Zero Emission Propulsion System) prowadzony przez MTU Aero Engines. HEROPS ma na celu stworzenie skalowalnego napędu elektrycznego zasilanego wodorem dla samolotów regionalnych do 2035 roku, z demonstratorem naziemnym o mocy 1,2 megawata jako element rozwoju technologii Flying Fuel Cell™.

Koncept Flying Fuel Cell™ (FFC) wykorzystuje wodór i tlen do produkcji energii elektrycznej, która wykorzystywana jest do napędzania śmigła poprzez silnik elektryczny. Ten system emituje tylko wodę, znacząco zmniejszając wpływ na klimat. Ponadto, użycie wodoru daje przewagę pod względem masy, co jest istotne dla codziennych operacji lotniczych. Początkowo zaprojektowany do lotów regionalnych, FFC ma docelowo rozszerzyć swoje zastosowanie na loty krótko - i średniodystansowe do 2050 roku.

„Jako firma lotnicza, jesteśmy otwarci na nowe technologie, szczególnie wtedy gdy technologie takie jak FFC mają ogromny potencjał, by przyczynić się do zrównoważonego rozwoju lotnictwa. Rewolucyjny koncept jakim jest Flying Fuel Cell jest rozwiązaniem projektowanym od podstaw i stricte pod przemysł lotniczy, a ja za każdym razem z dumą podkreślam, iż większość prac projektowych wykonywana jest w MTU Aero Engines Polska” – mówi Marcin Pietrzak, Dyrektor Działu Inżynierii i Technologii MTU Aero Engines Polska.

Rozwój nowoczesnych technologii i alternatywnych paliw jest kluczowy dla zrównoważonego rozwoju branży lotniczej oraz ochrony środowiska. W obliczu rosnących wyzwań związanych z emisją CO2, NOx i zmianami klimatycznymi, innowacje w tej dziedzinie stają się niezbędne.

„Programy takie jak HEROPS oraz FFC są doskonałymi przykładami działań mających na celu zmniejszenie wpływu lotnictwa na środowisko. Flying Fuel Cell to napęd zasilany wodorem, który emitując jedynie parę wodną, znacząco redukuje wpływ lotnictwa na środowisko. Inwestowanie w takie technologie nie tylko pomaga osiągnąć cele zrównoważonego rozwoju, ale również wzmacnia konkurencyjność firm lotniczych na rynku globalnym. W dłuższej perspektywie takie innowacje mogą przyczynić się do bardziej ekologicznego i zrównoważonego przemysłu lotniczego, co jest korzystne zarówno dla środowiska, jak i gospodarki” – podsumowuje Jan Florian, prezes zarządu MTU Aero Engines Polska.

1  https://www.airbus.com/sites/g/files/jlcbta136/files/2023-06/GMF%202023-2042%20Presentation_0.pdf
2  https://www.iea.org/energy-system/transport/aviation