Способы уменьшения вредных выбросов самолета

     На  сегодняшний день неуклонный рост объёмов перевозок воздушным транспортом приводит к загрязнению окружающей среды продуктами сгорания авиационных топлив. Средняя длительность пребывания этих загрязняющих веществ в атмосфере составляет примерно 2 года. Вредные вещества, выбрасываемые авиатранспортом составляют примерно 40% всех выбросов а атмосферу. В связи с этим поиск новых решений для уменьшения воздействия авиатранспорта на окружающую среду является актуальной.

     Цель  работы: проанализировать пути решения проблемы загрязнения атмосферы воздушным транспортом.

     Ставились следующие задачи:

• проведение анализа загрязнения атмосферы авиатранспортом;
• рассмотреть возможные пути снижения уровня выбросов;
• выбор наиболее перспективных и экономически выгодных видов альтернативных топлив;
• произвести расчет эмиссии двигателей на традиционном и альтернативном виде топливе;
• рассчитать  плату за загрязнение окружающей природной среды от выбросов авиатранспорта;
• рассмотреть правовые механизмы достижения рационального природопользования в области охраны атмосферного воздуха от выбросов авиатранспорта.

     Все самолеты используют тягу газотурбинных  установок. Выхлопные газы газотурбинных  двигателей содержат такие токсичные  компоненты, как Продукты неполного сгорания топлива CO, CxHy, CO2, Вещества, получаемые окислением атмосферного азота атмосферным кислородом при высоких температурах (NOx), Вещества, выброс которых предопределен содержанием в топливе S, SN,Pb 
 

     Загрязнение воздушной среды транспортом  происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете и посадке.

     Как топливо в самолетах используют керосин, который получают из нефти. Нефть относятся к невосстанавливаемым ресурсам. поэтому актуальным вопросом на сегодняшний день является сохранение природных ресурсов – нефти. По оценкам ученых, нефтяных ресурсов в РФ осталось на 20 лет. Так как суммарное производство нефти в секунду составляет 16 тонн. 

     Идеальный и реальный процессы сжигания горючего в авиадвигателе поясняются на рисунке 1.1. Причины отклонения процесса реального сгорания топлива от идеального, заключается, во-первых, в особенностях конструкций этих двигателей, а во-вторых, в невозможности получить стехиометрическое соотношение – углеродное топливо/окислитель – во всех необходимых режимах работы. 

     Воздушный транспорт летает на высоте 9-20 км. Истекающий из сопла реактивного двигателя поток горячих газов охлаждается вследствие смешения с атмосферным воздухом и расширения струи. Вследствие полетов самолетов концентрация оксидов азота в стратосфере увеличивается, а озона — уменьшается, что приводит к усилению интенсивности опасного ультрафиолетового излучения у поверхности Земли. При проникновении УФ-излучения глубже в тропосферу повышается содержание озона на низких высотах и, значит, изменяет ее температуру и радиационный баланс. На радиационный баланс атмосферы влияют также пары воды — они поглощают инфракрасное излучение и в верхней тропосфере образуют перистые облака, усиливающие парниковый эффект. Выброс паров серной, азотной, азотистой кислот и воды может играть существенную роль в изменении состава атмосферы и образовании полярных стратосферных облаков. 

     Проанализировав данные воздушных судов были составлены графики суммарных значений выбросов углеоводородов, оксидов азота и оксида углерода. Из графиков видно, что основным веществом, выбрасываем в атмосферы воздушными судами является диоксид углерода.  

     В связи с поставленной задачи предложены варианты уменьшения вредных выбросов авиатранспорта такие как: Усовершенствование двигателей, Модификация камеры сгорания, Совершенствование методов эксплуатации самолетов, Применение новых альтернативных видов топлив. Самым практичным и экономически выгодным способом является замена традиционного топлива на альтернативное, такие как водород, биотопливо, сжиженный природный газ и другие. на сегодняшний день были проделаны ряд испытаний и созданы самолеты, которые летают на новом топливе. 

     Сравнив теплотворные способности различных видов топлив, выяснено, Самым идеальным топливом на сегодняшний день является водород. Создан самолет Ту-156, летающий на сжиженном водороде.

     Был проведен сравнительный анализ эмиссии  двигателей самолета ту-154, использующий керосин и ту-156, использующий жидкий водород.

     Расчёт  эмиссии авиационного двигателя  производится по программе Gas Nurb [39]. Таким образом, двигатель самолета Ту-156, работающий на сжиженном газе, выбрасывает в окружающую среду на 42% меньше оксидов углерода, на 15% меньше углеводородов, на 83% оксидов азота, чем двигатель самолета Ту-154. выбросы оксидов серы отсутствуют. Выбросы двигателя Ту-156 составляют пары воды, безвредные для окружающей среды.  

Также был проведен расчет  платы за загрязнение  окружающей среды самолета Ту-154 в течение квартала (октябрь, ноябрь, декабрь) в черте города уфы. Общая сумма платы за негативное воздействие на окружающую среду в целом по организации составила 5899,5888 руб. (680,904 руб. + 111,4848 руб. + 5040 руб. + 67,2 руб.)  

выводы.

• Проведен анализ загрязнения атмосферы авиатранспортом.
• Выявлено влияние выбросов самолетов на состояние окружающей среды. В связи с этим, были рассмотрены возможные пути снижения уровня выбросов, такие как замена двигателя, модификация камеры сгорания, а также использование новых альтернативных видов топлива, которые позволят снизить уровень выбросов вредных веществ.
• Произведен выбор наиболее перспективных и экономически выгодных видов топлива, среди которых оказалось биотоилво и жидкий водород.
• В расчетной части произведен сравнительный расчет эмиссии двигателей самолета ТУ-154, использующий керосин и самолета ТУ-156, использующий жидкий водород и сделаны выводы о экологически выгодном топливе.
• Проведен расчет платы за загрязнение окружающей среды самолета ТУ-154 за один квартал, который составил 5900 рублей.
• В правовой части были определены правовые механизмы и методы обеспечения природоохранного законодательства в области охраны атмосферного воздуха от загрязнения авиатранспортом и были выявлены основные законы, федеральные законы и локальные акты охраны атмосферного воздуха.

     Водород

     Производство  водорода обходится довольно дорого, однако в одном из недавних исследований было установлено, что применительно к 400-местному дозвуковому пассажирскому самолету, рассчитанному на дальность полета около 10000 км, водород может оказаться в экономическом отношении более выгодным, чем синтетический авиационный керосин.

     Для него характерны высокая скорость распространения пламени, широкие пределы устойчивого горения, хорошая воспламеняемость, отсутствие сажи при сжигании. Более того, жидкий водород обладает огромным хладоресурсом, большим, чем любое другое жидкое топливо.

     К основным недостаткам водорода как  авиационного топлива относятся  его малая плотность и низкая температура кипения, вследствие чего он потребует на самолете очень больших топливных баков с тяжелой системой теплоизоляции.

     Как видно из рисунка при сгорании водорода образуется экологически чистый продукт-вода, и применение водорода не нарушает круговорота вещества в природе, так как цикл его производства и использования является замкнутым и имеются неограниченные ресурсы сырья для его производства.

     Как наиболее реальными и экономически подтвержденными можно представить  следующие основные этапы перехода к водородной экономике.

     1 этап – 2010 г. Замена нефтяных  топлив на природный газ в  том числе – на сжиженный (СПГ), инфраструктура которого близка жидководородной.

     2 этап – 2012 г. Наряду с применением  в качестве топлива СПГ, использование  водорода в качестве добавки  (5 – 8% ) к основному топливу  в авиационных двигателей.

     3 этап – 2050 г. Перевод всех видов энергетики и транспорта на водород, производимый преимущественно от ВИЭ (к этому периоду их доля в выработке электроэнергии в мире составит примерно 40%), термоядерной энергии и угля.

     Биотопливо

     Биодизельным  топливом принято называть высококалорийный продукт переработки биологического сырья - фактически, особым образом модифицированное растительное масло, производимое из сои, кукурузы, канолы и иных масличных культур, а также из пищевых отходов. Это топливо может быть использовано в авиационных двигателях.

     Даже  небольшое количество растительного  масла в керосинном топливе существенно  уменьшает объемы вредных выбросов и повышает срок жизни двигателя.

     Водоросли могут выращиваться на землях плохого качества с использованием не питьевой или соленой воды. Измерения качества выхлопных газов показывают, что биотопливо из водорослей содержит в восемь раз меньше углеводородов, чем керосин, полученный из сырой нефти. Кроме того, выбросы оксида азота и серы также будут сокращены (до 40 проц. меньше оксида азота и около 10 мг оксида серы против 600 мг у обычного топлива "Джет-A1") в связи с очень низким содержанием азота и серы в биотопливе по сравнению с ископаемым топливом. 

     Правовая

     Для защиты окружающей среды Международной  организацией гражданской авиации (ИКАО) введены ограничения на шум самолетов и эмиссию (выбросы) вредных веществ от авиационных двигателей. Международные стандарты по экологии гражданских самолетов существуют в виде тома I "Авиационный шум" и тома II "Эмиссия авиационных двигателей" Приложения 16 к Конвенции о международной гражданской авиации. В рамках нашей страны уровни шума самолетов нормируются Авиационными правилами АП-36, а уровни эмиссии авиадвигателей (до разработки Авиационных правил АП-34 в соответствии с Директивным письмом Авиарегистра МАК от 15.03.95 №5-93) нормируются в соответствии с томом II Приложения 16.

     Более 80 % отечественных пассажирских самолетов  соответствуют требованиям Главы 2 стандарта ИКАО.  

     Другие  виды снижения выбросов

     Для снижения удельного содержания токсичных веществ в отработанных газах наряду с совершенствованием эксплуатируемых типов газотурбинных двигателей создаются новые двигатели с новыми конструкциями камеры сгорания, системы впрыска топливно-воздушной смеси, компрессорами, обеспечивающими наивыгоднейшее соотношение в смеси топливо-воздух, лучшее распыление и перемешивание смеси, подаваемой в камеру, и более полное ее сгорание. Создаются новые двухзонные камеры, где топливо сгорает в два этапа в разных местах камеры, причем одна из этих зон обеспечивает наилучшее сгорание топлива на режиме малой тяги, допустим, руления (в этом случае топливо во вторую зону не подается), а вторая зона совместно с первой позволяет оптимизировать процесс горения на режимах взлета, набора высоты и крейсерского полета. В последнем случае процесс горения во второй зоне идет при меньшей температуре, что позволяет снизить выделение окислов азота.

     Уменьшение  общего расхода топлива, а, следовательно, и выброса токсичных веществ  достигается также совершенствованием методов эксплуатации самолетов, а именно: повышением степени заполнения самолетов полезной нагрузкой, уменьшением пробега самолетов на аэродромах под собственной тягой, в частности, путем буксировки их тягачами на исполнительный старт, доставки пассажиров от самолетов в вокзал и на посадку автобусами или движущимися конвейерами с тем, чтобы самолет мог находиться на стоянке, максимально приближенной к взлетно-посадочной полосе. Самым практичным и экономически выгодным является замена традиционного топлива – керосина на альтернативные виды топлива, такие как жидкий водород, биотопливо, сжиженный природный газ и другие.

     Альтернативные  виды топлива

     Альтернативные  виды топлива позволят уменьшить  загрязнение окружающей среды, особенно в зоне аэропортов: в продуктах сгорания значительно сократится содержание углерода, исчезнут сернистые соединения и тяжелые углеводороды, склонные к образованию канцерогенных и мутагенных продуктов, и т.д. [36].

     Принимая  во внимание существующее соотношение  цен на жидкое и газовое топливо, а также достигнутый уровень развития криогенной техники, включая и подготовку кадров, разрабатывающих и эксплуатирующих авиационную и ракетную технику, представляется целесообразным проведение поэтапных исследований и внедрения углеводородных газов и водорода в аэрокосмическую технику, с постепенным понижением уровня осваиваемых температур.

     Это даст возможность быстрее, с меньшими затратами выявлять и решать возникающие  технологические, конструкционные, эксплуатационные и другие проблемы использования  газовых топлив в авиатехнике, оценить эффективность различных технических решений, определить область рационального применения таких топлив и, главное, создать научный и экспериментальный задел и приобрести необходимый опыт для решения аналогичных задач для газа с более низкой температурой кипения 
 
 
 
 
 
 
 

     Расчет  эмиссии

     Расчёт  эмиссии авиационного двигателя  производится по программе Gas Nurb [30].

     "Степень  вредности" каждого авиадвигателя  характеризуется его контрольными  параметрами эмиссии различных  ингредиентов -

     Задача расчёта эмиссии двигателя сводится к расчёту:

     М_i – массы каждого вредного вещества, выброшенного за время его работы.

     R₀ – тяга двигателя на взлётном режиме – величина, известная из документации, или из формуляра двигателя.

     Рассчитаем величины М_i для зоны аэропорта, на тех режимах и за тот период времени работы, когда воздушное судно находится в зоне аэропорта с работающими двигателями.

     Воздушное судно в зоне аэропорта производит взлётно-посадочный цикл полёта, который  состоит из следующих этапов:

     – запуск и прогрев двигателей;

     – руление до ВПП;

     – взлёт;

     – набор высоты 1000 м;

     – снижение с высоты 1000 м;

     – пробег;

     – руление до остановки двигателей.

     Двигатели воздушного судна на этих этапах работают на различных режимах. Поэтому для удобства расчёта разделим взлётно-посадочный цикл воздушного судна на два вида операций: наземные операции и операции взлёт-посадка, тогда:

      .                                                                                 (3.1)

     Наземные операции – это запуск двигателей, их прогрев, руление воздушного судна перед взлётом и после посадки. Главной характеристикой этих операций (с точки зрения расчёта эмиссии двигателей) является то, что двигатели воздушного судна работают на одном режиме – режиме малого газа, и по времени это самые продолжительные операции в зоне аэропорта. Это обстоятельство упрощает расчёт.

     Определим М_iH по формуле:

                                                                                            _(3.2)

     где К_iH – коэффициент выброса i-го ингредиента во время наземных операций .

     Очевидно, что  (по определению), т.е. это тот же индекс эмиссии. К_i так как EI_i, определяется во время сертификационных испытаний двигателей.

     G_ПН – масса топлива (кг), использованного двигателем за время взлётно-посадочного цикла:

                                                                              _(3.3)

     где – удельный расход топлива за время работы двигателя на режиме малого газа;

     R_МГ [H]– тяга двигателя на режиме малого газа;

     t_МГ [ч] - наработка двигателя на режиме малого газа за время взлетно-посадочного цикла .

     Операции  взлёт-посадка – это взлёт, набор высоты 1000 м, снижение с высоты 1000 м и посадка.

     В этом случае для расчёта эмиссии  двигателей воздушного судна, которое  находится в воздухе, эмиссионной  характеристикой является массовая скорость эмиссии - .

     Массовая  скорость эмиссии W_i также определяется во время сертификационных испытаний двигателей.

     Тогда определим М_{i В-П} по формуле:

      ,                                         (3.4)

     где – массовая скорость эмиссии ингредиента i при соответствующих режимах работы двигателя соответственно на взлёте, во время набора высоты 1000 м и во время снижения с высоты 1000 м;

       – режимная наработка двигателя соответственно на взлёте,во время набора высоты 1000 м и во время снижения с высоты 1000 м.

     Определив, таким образом , вычисляем контрольный параметр эмиссии двигателя , (где R₀ – взлётная тяга двигателя в кН) и сравниваем его с нормами ИКАО, делая вывод про соответствие данного двигателя современным требованиям по эмиссии в отношении данного ингредиента.

Данные  для самолета Ту-154 [22]

1. Тяга двигателя Д-30-КУ-154: R₀ =103 кН , R_МГ = 7,2 кН ;
2. Удельный расход топлива двигателя Д-30КП: =0,065 .

     Используя данные двигателя, заносим результаты в таблицу 3.1: 

      Таблица 3.1 -  Параметры выбросов  двигателя Ту-154

     По  данным режимов работы двигателя  в зоне аэропорта города Уфы имеем:

     Тогда:

Данные  для самолета Ту-156 [22]

1. Тяга двигателя НК-89: R₀ =102900 Н , R_МГ = 7195,8 Н ;
2. Удельный расход топлива двигателя НК-89: =0,49 .

     Используя данные двигателя, заносим результаты в таблицу:

      Таблица 3.2 - Параметры выбросов двигателя Ту-156

     По  данным режимов работы двигателя  в зоне аэропорта города Уфы имеем:

     Тогда:

Таблица 3.3 – Сравнительная таблица эмиссии  двигателей Ту-154 и Ту-156

     Таким образом, двигатель самолета Ту-156, работающий на сжиженном газе, выбрасывает в окружающую среду на 42% меньше оксидов углерода, на 15% меньше углеводородов, чем двигатель самолета Ту-154. Выбросы двигателя Ту-156 составляют пары воды, безвредные для окружающей среды.  

     На  сегодняшний день разработана система  контроля за выбросами воздушных  судов в атмосферу. Суть системы  состоит в торговли квотами на выброс  парниковых газов. 

     С 2010 года все авиакомпании обязаны  сообщать о коммерческой загрузке по всем своим рейсам на европейских маршрутах, а начиная с 2012 года информировать об уровнях выбросов углекислого газа на этих линиях. Также, со следующего года для каждого перевозчика будет установлено допустимое количество выбросов CO2 на последующее десятилетие (2012–2020 гг.) на основании отчетов о выполненных перевозках (в тонно-километрах).

     Для авиакомпаний это означает новые  обязательства и расходы, поскольку  речь идет о соблюдении большего количества стандартов и нормативов, а также  об увеличении объема предоставляемой отчетности. В этой связи компанией SITA разрабатывается программа, нацеленная на упрощение бизнеса в условиях возрастающей экологической ответственности авиации.

     Разработанная SITA система контроля за выбросами  воздушных судов в атмосферу Aircraft Emission Manager (AEM) обеспечит сбор релевантной информации по коммерческой загрузке и расходуемому топливу с последующим составлением отчетов. Система AEM может использовать данные одного из бортовых компьютеров – блока сбора цифровых полетных данных, который считывает показания всех бортовых измерительных приборов и передает эти данные всем остальным компьютерам. К таким данным относится и информация о количестве топлива в баках.  Конечная цель – добиться того, чтобы решение проблем предоставления отчетности европейским регуляторам стало в большей мере рутинным, незаметным для авиакомпании процессом.

     Загрязнение окружающей природной среды выбросами  вредных (загрязняющих) веществ в  атмосферный воздух является платным (ст. 1, п. п. 1, 2 ст. 16 Федерального закона от 10.01.2002 N 7-ФЗ "Об охране окружающей среды", ст. 28 Федерального закона от 04.05.1999 N 96-ФЗ "Об охране атмосферного воздуха", п. 1 Порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия, утвержденного Постановлением Правительства РФ от 28.08.1992 N 632, п. 9 Методических рекомендаций по администрированию платы за негативное воздействие на окружающую среду в части выбросов в атмосферный воздух РД-19-02-2007, утвержденных Приказом Ростехнадзора от 12.09.2007 № 626).

     Плата за негативное воздействие на окружающую среду - это индивидуально возмездный платеж, взимаемый с юридических  лиц и индивидуальных предпринимателей, а также иностранных юридических и физических лиц во исполнение их обязательства (обязанности) по компенсации негативного воздействия на окружающую среду, производимого в результате хозяйственной или иной деятельности, осуществляемой на территории РФ.