ilmailu vaihtoehtoiset polttoaineet lentäminen lentokone

Liikenne Uutinen 4.5.2021

Ovatko vaihtoehtoiset polttoaineet vastaus ilmailun päästöihin?

Suihkumoottorien edelleen kehittäminen, vaihtoehtoiset polttoaineet ja lentoreittien optimointi ovat keskiössä keskikokoisten ja isojen suihkulentokoneiden päästöjen vähentämisessä

Pienet sähkötoimiset matkustajalentokoneet tulevat markkinoille jo ennen vuotta 2030, mutta keskikokoisiin ja suuriin lentokoneisiin tarvitaan muita ratkaisuja päästöjen vähentämiseen. Niitä ovat esimerkiksi suihkumoottorien edelleen kehittäminen ja vaihtoehtoiset polttoaineet, kuten esimerkiksi uusiutuva kerosiini ja vety.

Akkujen energiatiheys neste- ja kaasupolttoaineisiin verrattuna on edelleen heikko. Akkutekniikan kehityksestä huolimatta akkujen paino ja tilantarve ovat edelleen monikymmenkertaiset suihkulentokoneiden polttoaineena käytettävään nestemäiseen polttoaineeseen, kerosiiniin verrattuna. Siksi akuista energiansa ottavat sähkömoottorit tulevat ensin vain pieniin lentokoneisiin lyhyille reiteille.

Ensimmäiset sähkölentokoneet matkustajakäytössä ovat enintään 19-paikkaisia. Isoissa ja keskikokoisissa lentokoneissa akut ja sähkömoottorit eivät ole vielä lähivuosina lainkaan vaihtoehtoja suihkuturbiinimoottoreille.

Finnair sähkölentokone Heart Aerospace ES-19

Kulutus pienentynyt merkittävästi

Suihkukoneissa on tapahtunut ja tapahtuu edelleen merkittävää kehitystä hiilidioksidipäästöjen ja muiden päästöjen pienentämiseksi. Vuosikymmenten saatossa lentokoneiden energiatehokkuus on parantunut: lentokoneiden polttoaineen kulutus matkustajapaikkaa kohti on pienentynyt 80 prosenttia viimeisten 50 vuoden kuluessa. Pitkällä matkalla moderni suihkukone kuluttaa polttoainetta noin 2,2–3 litraa/matkustaja/100km, kun kone on täynnä. Lyhyellä lennolla (600 km) suihkumatkustajakone kuluttaa polttoainetta noin 4–5 litraa/matkustaja/100 km.

Potkuriturbiinikone on lyhyillä lennoilla suihkukonetta energiatehokkaampi, esimerkiksi 70-paikkainen ATR 72 kuluttaa 400 km:n reitillä noin 2,5 litraa/matkustaja/km. Kun polttoaineen kulutuksesta osa lasketaan johtuvan myös rahdin kuljettamisesta, kulutukset matkustajakilometriä kohden ovat pienemmät.

Uusia pihimpiä suihkumoottoreita

Täysin uusilla konetyypeillä saavutetaan vähintään 20 prosenttia pienempi polttoaineen kulutus kuin edeltävällä lentokonemallilla. Nykyisiin lentokonemalleihin on kehitetty uuden sukupolven suihkumoottoreita, joissa on entistä suurempi ohivirtaussuhde. Moderneilla ohivirtausmoottoreilla on nykykalustolla päästy 15 prosenttia pienempään polttoainekulutukseen ja hiilidioksidipäästöihin (CO₂) kun koneeseen on samalla tehty pieniä aerodynaamisia parannuksia.

Melupäästöt ja typenoksidipäästöt (NOx) ovat vähentyneet jopa 50 prosenttia. Näin on tapahtunut esimerkiksi uusilla moottoreilla varustetuissa Airbus A320-sarjan NEO (New Engine Option) -koneissa, joissa käytetään CFM Leap-1A- tai vaihteistolla varustettuja Pratt&Whitney GTF Geared Turbofan PW 1100G -moottoreita sekä Boeing 737 MAX -koneissa, jotka on varustettu CFM Leap-1B-moottoreilla.

Mikä on ohivirtausmoottori?

Nykyaikaisen matkustajalentokoneen suihkumoottori on niin sanottu ohivirtausmoottori, jossa suurin osa puhaltimen (ahtimen) puristamasta ilmasta johdetaan moottorin turbiinien ohi. Näin saadaan ohivirtaavalle suurelle ilmamassalle suhteellisen pieni nopeuslisä, kun moottorin läpi virtaavalle pienemmälle ilmamassalle taas saadaan suuri nopeuslisä.

Työntövoiman yhtälössä massaa on helpompi lisätä kuin nopeutta, koska massan lisääntyessä tehontarve lisääntyy sen mukana lineaarisesti, mutta nopeuden lisääntyessä tehontarve nousee neliöllisesti. Tällä teknisellä kehityksellä on niin ikään saatu alennettua huomattavasti suihkumoottorien polttoaineenkulutusta, päästöjä sekä meluhaittoja.

Matkustajakoneen ohivirtausmoottorin puhallin eli ahdin onkin pääasiallinen työntövoiman lähde, sillä suurin osa polttokammiosta purkautuvan pakokaasun liike-energiasta käytetään turbiinien ja ohivirtauspuhaltimen pyörittämiseen.

Liikennelentokoneiden ohivirtausmoottoreissa tyypistä riippuen 60–90 prosenttia työntövoimasta tulee ohivirtauksesta, sillä ohivirtausilman nopeutta ei suuren määränsä vuoksi tarvitse kiihdyttää kovin paljon suuren työntövoiman aikaansaamiseksi. Joissakin tapauksissa ohivirtausilma voi myös auttaa jäähdyttämään polttokammiota ja turbiiniosaa ulkopuolelta.

Rolls-Roycen uusi UltraFan-suihkumoottori

Rolls-Royce suunnittelee täysin uutta UltraFan-suihkumoottoria. UltraFan-sarjan suurimman moottoriversion halkaisija on suuren ohivirtaussuhteen vaatiman puhaltimen vuoksi peräti 3,5 metriä eli kapearunkoisen lentokoneen (Boeing 737) rungon halkaisijan verran. UltraFan-moottori skaalautuu kooltaan ja työntövoimaltaan erikokoisiin lentokoneisiin sopivaksi. Sen polttoaineenkulutus on vähintään 10 prosenttia pienempi kuin nykyisissä energiatehokkaimmissa moottorityypeissä kuten esimerkiksi Airbus A350:n Rolls-Royce Trent XWB. Rolls-Roycen ilmoituksen mukaan UltraFan-moottorin polttoainetalous on 25 prosenttia parempi kuin ensimmäisen sukupolven Rolls-Royce Trent 700 -moottorilla, joka esiteltiin vuonna 1995 Airbus A330 -koneessa.

lentämisen sähköistyminen

Rolls-Royce Ultrafan

UltraFan-ohivirtausmoottorin tunnusomaisia piirteitä ovat suuri ohivirtaussuhde 15:1, puhaltimen (ahtimen) säätyvät lapakulmat sekä vaihteisto, jonka ansiosta puhaltimen ja turbiinien käyntinopeudet voidaan optimoida.

Moottorin puhaltimen lavoissa käytetään hiilititaania ja muissa kriittisissä osissa keraamisia rakenteita kuumuudenkestävyyden lisäämiseksi. Komposiittirakenteiset moottorinsuojukset vähentävät painoa.

Moottorin polttoaineeksi sopii tavallisen kerosiinin vaihtoehtona myös jätteistä valmistettu uusiutuva kerosiini eli SAF (Sustainable Aviation Fuel). Ensimmäiset UltraFan-moottorit tulevat markkinoille vuonna 2025. Niiden avulla voidaan uudelleen moottoroida nykyisiä lentokonetyyppejä 2020-luvun loppupuolella, esimerkiksi Airbus A350. Rolls-Royce UltraFan tuskin jää ainoaksi suihkumoottoriuutuudeksi lähivuosina. Jokseenkin varmaa on, että kilpailevilla valmistajilla, CFM International, GE General Electric ja Pratt&Whitney, on uusia suihkumoottoreita kehitteillä vastatakseen Rolls-Roycen UltraFan-moottorin haasteeseen?

Neste maailman suurin uusiutuvan lentopolttoaineen valmistaja

Monet lentoyhtiöt ovat jo kokeilleet lentoja uusiutuvan polttoaineen ja fossiilisen polttoaineen seoksilla. Lentoja on lennetty yleensä 5–30 prosentin uusiutuvien polttoaineiden osuuksilla. Nykyinen seossuhteen maksimi ns. drop-in-polttoaineella on 50 prosenttia, mikä täyttää ASTM- (American Society for Testing and Materials) ja muut suorituskykyvaatimukset.

Neste on maailman suurin uusiutuvan dieselin ja uusiutuvan lentopolttoaineen valmistaja. Neste on myös Finnairin uusiutuvan polttoaineen toimittaja Helsinki-Vantaalla.

Tavallista polttoainetta kalliimpaa

SAF-polttoaine (Sustainable Aviation Fuel) on noin 3–5 kertaa fossiilista polttoainetta kalliimpaa, mutta sekoitettuna fossiiliseen polttonesteeseen lisäkustannukset matkustajaa kohden ovat kohtuullisia.

Neste Oyj:n uusiutuvien lentopolttoaineiden liiketoiminnan kehityksestä vastaava johtaja Sami Jauhiainen laski muutaman esimerkin SAF-polttoaineen aiheuttamista lisäkustannuksista lentolipun hintoihin matkustajapaikkaa kohti kolmella eri lentoreitillä SAF-polttoaineen osuuksilla 5, 14 tai 30 prosenttia: Helsinki–Singapore 12, 33 ja 71 euroa, Helsinki–München 3, 9 ja 20 euroa ja Helsinki–Tukholma 1, 4 ja 8 euroa / matkustaja.

– Finnairille toimitettavan uusiutuvan polttoaineen raaka-aineiksi on sovittu käytetty paistinrasva ja eläinrasva. Emme käytä esimerkiksi palmuöljyä, Sami Jauhiainen kertoo.
Finnairin lisäksi Nesteen SAF-polttoaineen asiakkaita ovat muun muassa Alaska Airlines, American Airlines, JetBlue, ANA All Nippon Airways, KLM ja Lufthansa.

Jopa 1,5 miljoonaa tonnia vuodessa

Neste tuottaa uusiutuvan lentopolttoaineen Porvoossa ja nykyinen kapasiteetti on 100 000 tonnia vuodessa. Singaporen jalostamon laajennus kasvattaa määrän vuonna 2022 noin miljoonaan tonniin vuodessa. Lisäksi Nesteelle tulee jalostamo Rotterdamiin. Vuonna 2023 Nesteen tavoitteena on valmistaa 1,5 miljoonaa tonnia SAF-polttoainetta vuodessa. Tavoite on yli 20 miljoonan tonnin valmistus vuoteen 2030 mennessä.

Nesteen lisäksi myös muutama muu yhtiö, esimerkiksi Shell ja BP, aikovat merkittävästi lisätä SAF-polttoaineiden valmistusta lähivuosina. Vuodesta 2011 lähtien yli 300 000 lennolla on ollut käytössä eritasoisia SAF polttoaineiden seoksia.

Airbus, Saksan ilmailu- ja avaruustutkimuskeskus DLR ja moottorivalmistaja Rolls-Royce sekä uusiutuvaa lentopolttoainetta valmistava Neste tutkivat ECLIF3 -hankkeessa (Emission and Climate Impact of Alternative Fuels) 100-prosenttisesti uusituvan SAF-lentopolttoaineen käyttöä matkustajakoneissa. Koelentoja on suoritettu Airbus A350-900 -lentokoneella jo 100-prosenttisella SAF-polttoaineella siten, että oikeanpuoleinen moottori käyttää 100-prosenttista SAF-polttoainetta ja vasemmanpuoleinen moottori toimii fossiilisella kerosiinilla.

Gulf Air Neste My kerosiini F1 ylilento Formula 1

Gulf Air lensi Nesteen uusiutuvalla My-kerosiinilla Formula 1:n kauden avausosakilpailussa.

Päästöt ilmassa ja maassa

Päästöjen eroja mitataan sekä ilmassa että maassa. Ilmassa seurataan jättövanan epäpuhtauksien määrää ja maakokeissa paikallisia hiukkaspäästöjä. Tulokset ovat lupaavia, moottori on toiminut mainiosti. Nykyisin Airbusin valmistamat lentokoneet on tyyppihyväksytty käyttämään enintään 50-prosenttista SAF-polttoaineen ja kerosiinin sekoitusta.

Boeing on ilmoittanut, että Boeing-matkustajakoneet voivat lentää 100-prosenttisella uusiutuvalla polttoaineella vuoteen 2030 mennessä. Maailman johtava uusiutuvan lentopolttoaineen valmistaja Neste ja lentokonevalmistaja Boeing aloittivat jo vuonna 2015 yhteistyön uusiutuvien lentopolttoaineiden kaupallistamisen edistämiseksi ja nopeuttamiseksi.

Airbus pohtii vetyä

Airbus harkitsee vetyä eräänä vaihtoehtona tulevaisuuden lentokoneen käyttövoimaksi. Lionel Cousseins, Airbusin markkina-analyytikko totesi ekologisen lentämisen konferenssissa, että lähitulevaisuudessa vety on vahvasti harkinnassa etenkin raskaan liikennekaluston käyttövoimaksi laivoihin, juniin, linja-autoihin ja kuorma-autoihin. Yhdeksän yritystä tutkii vetyä kuorma-autojen käyttövoimaksi, polttokennobusseja tutkitaan ja Euroopassa 5 000 dieselveturia täytyy korvata tulevaisuudessa ympäristöystävällisemmillä ratkaisuilla niillä radoilla, joiden sähköistäminen ei tule kysymykseen. Vety on harkinnan arvoinen vaihtoehto vetureihin, joiden valmistajista esimerkiksi Alstom on jo päättänyt valmistaa vetykäyttöisen koeveturin.

Eri tavoin tuotettua vetyä

Cousseins’n mukaan vedyn tuotantokustannusten arvioidaan alenevan ratkaisevasti lähitulevaisuudessa tuotantomenetelmien kehittyessä. Vetyä voidaan tehdä useilla eri tavoilla, toiset ovat energiatehokkaita ja vähäpäästöisiä, toiset kuluttavat runsaasti energiaa ja tuottavat suuret päästöt.

  • Uusiutuva vety: uusiutuvilla energianlähteillä, kuten aurinko-, tuuli- tai vesivoiman sähköenergian avulla elektrolyysillä tuotettu vety (kutsutaan vihreäksi vedyksi).
  • Fossiilisilla polttoaineilla tuotettu vety, jonka CO₂-päästöjä vähennetään hiilen talteenotolla ja varastoinnilla (kutsutaan siniseksi vedyksi).
  • Pyrolyysin avulla tuotettu vety, jonka sivutuotteena syntyy hiilimustaa (kutsutaan turkoosiksi vedyksi).
  • Fossiilinen vety: fossiilisilla polttoaineilla kuten maakaasulla tuotettu vety, joka tuottaa CO₂-päästöjä (kutsutaan harmaaksi vedyksi).

Vedyn varastointi on haasteellista, se vaatii noin kaasumaisena 600–800 barin paineen tai nestemäisessä olomuodossa -253 asteen pakkasen. Vedyn energiasisältö massayksikköä kohden on erittäin hyvä, lähes kolminkertainen bensiiniin ja dieselöljyyn verrattuna. Pienen tiheyden takia tilavuuteen suhteutettu energiatiheys on kuitenkin erittäin huono. Siksi vedyn varastoinnissa kaasumaisena on käytettävä erittäin korkeaa painetta; 600–800 baaria. Vetysäiliössä yhdistyy tiivis, teräksestä valmistettu sisäsäiliö ja hiilikuitukomposiitista tehty ulkovaippa, joka kantaa paineen aiheuttamat voimat.

Vaihtoehtoisesti vety voidaan muuttaa nestemäiseen olomuotoon jäähdyttämällä se -253 °C pakkaseen. Nesteytetyn vedyn säilöissä on myös kaksikuorinen rakenne, jossa kuorten välissä on tehokas lämpöeristys. Lionel Cousseins esitteli ekologisen lentämisen konferenssissa Airbusin vetykäyttöisen lentokoneen suunnitelmia. Airbusin vetykäyttöisen lentokoneen vety on lentokoneen vetysäiliöissä nestemäisessä muodossa -253 °C pakkasessa. Säiliössä on tehokas lämmöneristys muun muassa tyhjiöeristekerroksen ansiosta. Vetyä voidaan käyttää lentokoneessa kahdella tavalla. Suihkumoottorit voidaan muuntaa suoraan vetykäyttöisiksi tai vaihtoehtoisesti käytetään polttokennoja, jotka kehittävät vedystä sähköä lentokoneen sähkömoottoreihin.

Teksti: Timo Turkula Lähteet: Flight International 4/2021 www.flightglobal.com, Auto, Motor und Sport Professional 7/2021, Lentoposti.fi, Wikipedia, Hallen hävittäjäsivu, Airbus, Boeing, Neste, Rolls-RoyceMAF (Mission Aviation Fellowship), ekologisen ja sähköisen lentämisen konferenssi (Helsinki 10.3.2021), MAF Suomi ja Helsingin sähkölentokoneyhdistys

Lisää aiheesta

Jaa artikkeli

Keskustelu