Ενεργειακές απαιτήσεις και περιβαλλοντικές επιπτώσεις του συστήματος αερομεταφορών

Transcript

1 ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ Ενεργειακές απαιτήσεις και περιβαλλοντικές επιπτώσεις του συστήματος αερομεταφορών Γιάννης Σκούρας, Αλέξανδρος Βούρος, Ανδρέας Βούρος, Θράσος Πανίδης ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΙΚΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΣΤΑΤΙΣΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΚΑΙ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΜ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

2 Η ετήσια κίνηση επιβατών (επιβάτες x χιλιόμετρα x 10-9 ) (ICAO, Airbus GMF 2007)

3 Σύνδεση αερομεταφορών με την οικονομική ανάπτυξη

4 Κίνηση επιβατών το 2026 (Airbus GMF 2007)

5 Κίνηση εμπορευμάτων (Airbus GMF 2007)

6 Ζήτηση αεροσκαφών τα επόμενα 20 χρόνια (Airbus GMF 2007)

7 Χρόνος ωρίμανσης νέων τεχνολογιών στην Αεροναυπηγική (Knoerzer, EC 2007)

8 Εξέλιξη αερίων του θερμοκηπίου (Faaß,CRYOPLANE 2001)

9 Εξέλιξη του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (Faaß,CRYOPLANE 2001)

10 Παραγωγή ρύπων από αεροκινητήρες Καύσιμο C n H m (+S) Αέρας N 2 + O 2 CO 2 + H 2 O + N 2 + O 2 + NO x + UHC + CO + C soot + SO x (Wilson 2005)

11 Κατανάλωση και ρύποι σε τυπικές διαδρομές και φάσεις πτήσης Πτήσεις μικρών αποστάσεων: London Glascow (απόσταση 555 km) Boeing 757 Πτήσεις μεγάλων αποστάσεων: Los Angeles Tokyo (απόσταση 8570 km) DC Πιστοποίηση ρύπων του κινητήρα Trent 772 (Brasseur et al.1998) (G. P. Brasseur et al 1998)

12 Ανθρωπογενής παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα (Airbus GMF 2007)

13 Κύκλος προσγείωσης απογείωσης Τα CO, HC, NO x και ο καπνός ελέγχονται με βάση τον κύκλο προσγείωσης απογείωσης (LTO, έως 915m) μέσα και γύρω από αεροδρόμια (ICAO) Σημαντική μείωση έχει επιτευχθεί σε σχέση με το CO και HC χάρη στην βελτίωση των αεροκινητήρων Η αύξηση των NO x ήταν σχετικά μικρή παρά την αύξηση των θερμοκρασιών λειτουργίας, χάρη στην εξέλιξη της τεχνολογίας της καύσης

14 Επί πλέον περιβαλλοντικές επιπτώσεις των αεροκινητήρων Οι αερο-κινητήρες που λειτουργούν σε ψηλά υψόμετρα έχουν ισχυρότερη επίδραση στο περιβάλλον που συνδέονται με την δράση των οξειδίων του αζώτου που στο υψόμετρο πτήσης ενός αεροσκάφους μπορεί να οδηγούν στην παραγωγή όζοντος (αυξάνοντας την θέρμανση του πλανήτη) αλλά και στην μείωση του μεθανίου που συμπεριλαμβάνεται στα αέρια του θερμοκηπίου με αποτέλεσμα την μείωση της θέρμανσης. την δημιουργία ουρών συμπύκνωσης που ενοχοποιούνται για την δημιουργία θυσάνων Ο χρόνος ζωής των ουρών συμπύκνωσης ανάγεται σε μερικές ώρες, των θυσάνων σε μερικές μέρες του όζοντος μερικές εβδομάδες, του μεθανίου περί την δεκαετία και του διοξειδίου του άνθρακα περί τη εκατονταετία Η αβεβαιότητες που είναι συνυφασμένες με την ακριβή περιγραφή αυτών των φαινομένων δεν επιτρέπουν για την ώρα τον ασφαλή προσδιορισμό των επιπτώσεων στο περιβάλλον και στο κλίμα.

15 Τα καύσιμα αποτελούν το μεγαλύτερο κόστος για μια αεροπορική εταιρία Άλλα έξοδα Συντήρηση Αποσβέσεις Κόστος παραμονής στο έδαφος Προσωπικό Καύσιμα (Airbus GMF 2007)

16 Μέση κατανάλωση καυσίμου σε λίτρα ανά 100 χιλιόμετρα και επιβάτες (Airbus GMF 2007)

17 Πληρότητα αεροσκαφών (Airbus GMF 2007)

18 Εξέλιξη του θορύβου και της κατανάλωσης (Airbus GMF 2007)

19 Οι στόχοι του ACARE για το 2020 Κατασκευαστές αεροσκαφών 20-25% 50% μείωση των εκπομπών CO 2 Κατασκευαστές κινητήρων 15-20% Διαχείριση συστήματος αερομεταφορών 5-10% 50% μείωση των εκπομπών CO 2 ανά επιβάτη και χιλιόμετρο 50% μείωση του θορύβου 80% μείωση εκπομπών NO x οικοσυμβατός κύκλος ζωής ACARE: Advisory Council for Aeronautics Research in Europe (Airbus GMF 2007)

20 Τεχνολογία αερο-κινητήρων (Brasseur et al.1998)

21 Κινητήρας-Καύση Έλεγχος των κυρίων προϊόντων της καύσης (CO 2 και υδρατμοί) σε κινητήρες με υψηλότερες θερμοκρασίες και πιέσεις Εξελιγμένοι θερμοδυναμικοί κύκλοι κίνδυνοι αύξησης των NO x Περιορισμός των NO x με βελτιστοποίηση ανάμιξης αέρα καυσίμου Μελλοντικές μειώσεις των NO x με νέες ριζοσπαστικές τεχνολογίες καύσης (C. Wilson 2005)

22 Εναλλακτικά καύσιμα Επειδή τα αεροσκάφη κουβαλάνε τα καύσιμά τους, τα νέα καύσιμα πρέπει να έχουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα Επειδή πετάνε σε υψηλά υψόμετρα τα καύσιμα πρέπει να παραμένουν υγρά στους -50 C. Επειδή πετάνε σε μακρινές αποστάσεις τα καύσιμα πρέπει να είναι συμβατά σε ολόκληρο τον κόσμο. Και επειδή τα αεροσκάφη έχουν μεγάλους χρόνους ζωής τα καύσιμα πρέπει να είναι συμβατά με τον υπάρχοντα στόλο αεροσκαφών. Ιδανική επιλογή ένα καύσιμο ταυτόσημο με την κηροζίνη (drop-in) και με μικρότερη παραγωγή CO 2

23 Εναλλακτικά καύσιμα Παραγωγή με διαδικασία Fischer-Tropsch CTL (Coal-to-liquids) 2x εκπομπές CO 2 κύκλου ζωής GTL (Gas-to-liquids) 1.5x εκπομπές CO 2 κύκλου ζωής BTL (Biomass-to-liquids) Προβλήματα με την πρώτη ύλη

24 Η χρήση του υδρογόνου και οι μεταβολές που απαιτεί Αεροσκάφος Στήριξη δεξαμενών καυσίμου, τοπικές ενισχύσεις ατράκτου, διεύρυνση ατράκτου, ενίσχυση πτερύγων Κινητήρας Αντλία υψηλής πίεσης, Εναλλάκτης θερμότητας, Βαλβίδα ελέγχου ροής καυσίμου, θάλαμος καύσης, Ψυγείο λαδιού Συστήματα Σύστημα καυσίμου: Δεξαμενές, Σωληνώσεις, Βαλβίδες, Αντλίες, Αεραγωγοί Σύστημα ελέγχου καυσίμου: Αισθητήρες, Πίνακας ελέγχου Πυροπροστασία: Αισθητήρες, Εξαερισμός, Πίνακας ελέγχου (Faaß,CRYOPLANE 2001)

25 Μετρήσεις σε αεροδρόμια και υπολογιστικά μοντέλα Athens International Airport (Helmis 2008) (Schäfer et al. 2007)

26 Υπολογισμοί ρυθμών ανάμιξης NO x με διαφορετικούς κώδικες (Brasseur et al. 1998)

27 Ουρές συμπύκνωσης (Schumann et al., 2000) (Matthes et al. 2005)

28 Ενεργειακή μεταβολή (radiative forcing) λόγω των αερομεταφορών (Matthes et al. 2005)

29 Εναλλακτικά σενάρια Αλλαγές διαδρομών Αποφυγή υπερκορεσμένων περιοχών Αλλαγές στο υψόμετρο πτήσης Εναλλακτικά καύσιμα Τα βιοκαύσιμα έχουν εκπομπές CO 2, μπορεί να αυξήσουν την παραγωγή μικροσωματιδίων Το υδρογόνο μάλλον δημιουργεί περισσότερες ουρές συμπύκνωσης αλλά με μικρότερες επιπτώσεις Τα συνθετικά καύσιμα μπορεί να μειώσουν την παραγωγή σωματιδίων Νέοι κινητήρες Αλλαγή ύψους πτήσης Πιθανή μείωση εκπομπών

30 Βιβλιογραφία Brasseur,G. P., Cox, R. A., Hauglustaine, D., Isaksen, I., Lelieveld, J., Lister, D. H., Sausen, R., Schumann,, U., Wahner, A. & Wiesen, P.: European Scientific Assessment of the Atmospheric Effects of Aircraft Emissions, Atmospheric Environment Vol. 32, No. 13, pp , 1998 Faaß, R., CRYOPLANE - Flugzeuge mit Wasserstoffantrieb, presentation, Airbus Deutschland GmbH, 2001 Helmis, C., The Impact of Meteorology on Airport Air Quality, ECATS Autumn School, Sinaia, 2008 Knoerzer, D., EC - Aeronautics and Air Transport Research, FP7 1 st call presentation, European Commission, DG Research-H.3 Aeronautics, 2007 Matthes, S., V. Grewe, A. Stenke, C. Fichter, J. Hendricks, M. Ponater, A. Petzold, H. Mannstein, K. Gierens, R. Sausen, U. Schumann, Global impact of aviation, ECATS RC, 2005 Schäfer, K., Jahn, C., Utzig, S., Flores-Jardines, E., Hoffmann, H., Schürmann, G., Emeis S., Sturm, P., Lechner, B., Bacher M., Groma, V., Török, S., Airport air pollution monitoring: Achievements in the past, limits of the present, challenges for the future, ECATS, Spring School & Research Colloquium, Manchester, 2007 Schumann, U., Busen, R., Plohr, M., Experimental test of the influence of propulsion efficiency on contrail formation, Journal of Aircraft 37 (6), pp , 2000 ACARE, Advisory Council for Aeronautics Research in Europe, Strategic Research Agendas 1 & 2 (2002, 2004) Airbus, GMF - Global Market Forecast , Flying by nature, 2007 CRYOPLANE - Liquid Hydrogen Fuelled Aircraft Final Technical Report, Project GRD , Project Coordinator: Airbus Deutschland GmbH European Aeronautics: A Vision For 2020, Report of the Group of Personalities, European Commission,2001