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利用各种新技术,航空飞行可以变得更加环保

 2019-01-22 来源:民航资源网 作者:刘延  [投稿排行榜]
2019-01-22 16:42:26

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利用各种新技术,航空飞行可以变得更加环保

  图:Alpha Electro G2飞机完全依靠电力驱动

  民航资源网2019年1月22日消息:现在,你抬头看看天,就在这一刻,在望不到尽头的天空中,在距离地面大约11公里高的平流层底部,有超过五十万的乘客正坐在飞机中飞往目的地,这就相当于一个小城市的人口。

  这么想想是挺神奇的。

  然而,这也会产生一个令人担忧的问题。据统计,航空业将成为最大的二氧化碳的单一来源。在生活中,你可能为了环保选择了绿色能源供应商,用自行车代替汽车,甚至不再吃肉。但是如果你想去地中海度假,又想降低二氧化碳的排放量,你只能划船去那里了。

  其实,我们还是非常依赖于飞行这种交通方式的,很少有人愿意放弃飞机给自身带来的便利。那么,有没有办法在不破坏环境的前提下,合理利用飞行呢?

  这种想法很难实现的原因就是搭乘飞机的游客越来越多。按照实际价格计算,2017年往返机票的平均票价比1995年便宜60%,这推动了乘客数量以年均5%的速度增长。根据IATA的数据,目前民用航司每年售出40亿个座位。截至到2036年,这个数字预计将翻一番,达到78亿。这就意味着,大约20年后,每年的乘客数量将略高于当今世界的人口总数。

  与此同时,航空业二氧化碳与氮氧化合物等温室气体的排放量也会增加。飞行所带来的二氧化碳排放量占人为二氧化碳排放量的2%。据估计,截至到2050年,这一数字可能回会达到10%。如果道路交通等其它污染源减少排放,这一比例可能达到20%甚至更高。随着各国政府开始把目光转向电动汽车,这种增长很有可能出现。

  这些都使得航空业成为对抗全球变暖的关键挑战。不同于公路运输,国际航空业并没有受到诸如联合国《巴黎协定》等环境条约的影响。《京都议定书》涵盖了国内航班,但是就排放量而言,只占据了一小部分。国际航班是跨境的,这使得各方很难就谁应该为减排负责达成一致。

  最终,在2016年达成了一项协议,ICAO促成了首个全球减排协议,其中最关键的是全球航空运输业碳中和方案及减排计划(CORSIA)。这一举措旨在通过要求航司购买碳信用额(carbon credits)来保持航空业在2020年之后的净排放量不变。碳信用额是为了推行减少大气中二氧化碳含量的措施,例如植树。

  空客负责环境事务的高管Hubert Mantel表示,该计划的实施令他感到鼓舞,约有72个国家已经自愿签署了该项计划,这意味着该计划覆盖了当今国际航空超过75%的二氧化碳排放量。“这是一个了不起的开始,希望有更多的国家加入”

  但很多人认为这项举措还不够彻底。例如,预计乘客数量将大幅增长的中国尚未加入,欧盟在上个月正式宣布反对该计划。该协议允许航空公司只要提供了足够的经济补偿便可以肆意的排放温室气体。曼彻斯特大学研究气候政策的John Broderick表示:“这并没有推动航空体系在减排方面的创新”。那么,我们可以采取哪些切实可行的措施呢?这些措施的效果又会如何呢?

  飞机直线飞行

  减排的一种方法就是让飞机直线飞行。航空运输沿着飞行走廊穿梭,在固定的几个点进出各个国家的领空。这是几十年前的遗留问题,为了保证在雷达的检测范围内,飞机需要从一个地方飞到另一个地点。

  飞行走廊所产生的弊端正逐渐地被一种名为“自由航线空域”的新方法消除,该方法由GPS和卫星等技术对飞机进行跟踪。每次架航班都会提前公布计划的航线,只要空管监控到位,就可以避免航班间的冲突。

  Morten Grandt是一名工程师,他与德国航空交通管制部门合作开发这一系统。Morten指出,航线选择的增加降低了飞机密度,这意味着飞行走廊下的噪音更小,坠机风险更低。这就好像所有的飞机都走不同的乡间小路,而不是挤在高速公路上。

  欧洲和美国的相关部门已经开始采用这种方法。欧控表示,大部分成员国应在2019年底前开始运营该项目。FAA正在研究一个类似的装置,称为下一代航空运输系统。据称,这将是2020年以后,限制温室气体排放综合措施的一部分。

  直线飞行到底可以减少多少温室气体的排放呢?根据欧控的相关数据,自由航线空域每年可以降低15万吨二氧化碳的排放。

  英国克兰菲尔德大学的航空系统设计师Craig Lawson表示,让飞行员在更大范围内按照自己认为合适的方式驾驶飞机,也可能会减少温室气体的排放。“以最少的能耗来巡航的最佳方式就是爬升巡航”。由于燃料消耗,机身变得更轻,因此可以在稀薄空气的环境中减少升力保持在空中,更小的空气阻力使得较高的巡航高度更为有效。因此飞机在飞行时应该向上飘移,而不是逐级上升。Lawson指出,巡航爬升可以为飞机节省10%的燃料

  让机身形线条流畅

  前文提到改变飞行路径可以降低温室气体的排放,通过改变机身与空气的接触面同样可以减少排放。历史也曾证明了这一点:罗罗公司的首席技术官PaulStein表示,与2000年交付的A330相比,新型A350的引擎在相同推力下产生的二氧化碳要少15%。这一趋势总体上是站得住脚的,在过去10年左右,技术创新往往使飞机的效率每年提高约1%。

  所有迹象都表明,这种情况在短期内会持续下去。例如,给飞机装上更长的机翼能够增加它们的提升力,减少飞行时所需的燃料。波音即将推出的777X飞机的机翼太长,以至于无法与标准的登机口进行对接,但经过改进机翼可以折叠,就解决了这个问题。

  然而,这种创新的意义也不是很大。与每年1%的效率增长相比,乘客数量预计每年增长5%。此外,正如Greenspace的首席科学家DougParr所指出的那样,很多飞机已经服役几十年了,这些技术创新也没法立刻用上。需要一些更激烈,更直接的措施。

  位于华盛顿特区的非营利组织国际清洁运输委员会(International Councilon Clean Transportation)表示,回归螺旋桨飞机可能是件好事。它在节约燃料方面表现得更好。例如,庞巴迪Q400这样的飞机,在世界上很多地区都是短途飞行的主力军。“确实,如果飞行速度变慢,能耗就会降低,但延长旅行时间,尤其是在长途航班上,会让乘客觉得不舒服。”Lawson如是说道

  使用无碳燃料

  如果无法减少飞机燃料的使用量,也许我们可以对燃料进行改进,让它更为环保。大多数飞机使用的是JetA航空煤油,它基本上就是煤油—一种由碳和氢组成的石油衍生化学物质。如果用更环保的碳来制造燃料,你会便会发现其中的重大意义。

  荷兰代尔夫特理工大学Joris Melkert 10年前就开始研究这个问题。从石油中提取的煤油会含有一系列低浓度的杂质,这些杂质被认为是有助于引擎平稳运行的。2008年,Melkert开始测试含有较少杂质的合成燃料是否安全。不久之后,他试飞了一架使用95%合成煤油的飞机。

  这种燃油是用天然气混合而成,原则上来说,任何来源的合成煤油都是安全的。这使得为飞机燃油设定标准的美国材料试验协会(ASTM International)规定,最高含有50%合成煤油的燃料可以用作飞机燃料。这反过来又促使航空业开发从农作物中提取的合成煤油。

  生物燃料有减少排放的潜力,一些公司高度宣传这一信息。2018年9月,一架A320从阿拉巴马州的莫比尔起飞,计划交付给纽约的捷蓝航空,飞机使用了混有15%生物燃料的燃油。但这事的总体影响并不大。波音公司的环境战略主管Sean Newsum表示,过去十年14.3万架次的客运航班使用了含有生物燃料的混合燃料—与2018年3900万架次的定期航班量相比,这不算多。

  即使生物燃料被广泛使用,人们还是会担心原料需求量增加所带来的压力。所需原料的种植会不会对粮食作物的种植产生影响?原料在转化成燃料的过程中会产生多少温室气体的排放?Newsum表示,波音成立很多项目来调查生物燃料的最佳来源,包括加拿大的林业废物,南非不含尼古丁的烟草以及阿联酋海水灌溉的植被。这些材料中都会产生少量的所需燃料。

  还有一个更好的办法是,从空气中获取碳来制造合成燃料,这样在燃烧时就不会排放出净碳。2014年,一家名为“航空燃料合成”(Air Fuel Synthesis)的公司首次证明了这一点。2018年6月,加拿大一家名为Carbon Engineering的公司表示,该公司已经将从空气中去除一吨二氧化碳的成本降至94美元至232美元之间,比之前的预估至少便宜了三分之一。但真正的挑战在于,生产燃料所排放的碳要少于避免使用燃油所节省出来的碳。值得注意的是,2016年,Air Fuel Synthesis悄无声息地倒闭了。

  制造电动飞机

  去年6月,在奥斯陆机场,挪威交通部长Ketil Solvik-Olsen和运营挪威大部分机场的国有航空公司Avinor负责人Dag Falk-Petersen乘坐斯洛文尼亚公司Pipistrel制造的双座电动飞机Alpha Electro G2在上空盘旋了几分钟。此举是为了强调挪威之前的承诺,即截至2040年实现所有国内航班电动化。

  飞机电动化一种真正能够减少温室气体排放的方法。如果飞机使用的电池来自可再生能源,飞行这种交通方式将会实现碳平衡。

  然而,挪威试飞的那架飞机只有两个座位。目前还没有人使用电力成功地驱动起一架大型客机,尽管有人正在尝试。最有野心的计划之一是空客的E-Fan计划。空客与西门子以及罗罗公司合作,将一架四引擎喷气机改造成一架混合动力飞机,飞机的一个引擎被一个电风扇代替。一个隐藏在飞机内部的小引擎将为驱动电机的电池充电。“就像空中版的丰田普锐斯”,计划在2020年进行试飞。

  波音也在投资Zunum Aero,这是一家初创企业,目标是在2022年前研发出一架50座的混合动力飞机。该公司表示,这家飞机的能耗将是同规模飞机的一半。问题在于这种飞机的航程相当有限,至少目前的技术还达不到理想的状态。

  然而,如果电动飞机真的投入使用,它可能会改变我们的旅行方式。电动飞机不仅环保,而且物美价廉,噪音小。这将最终使得私人空中交通工具—也就是飞行汽车—成为现实。从长远看来,这甚至有可能取代通勤列车,后者通常被认为是相对环保的。

  它可能比你想象的来得快。德国Volocopter公司一直致力于研发一种电动垂直起降的飞机(以下简称:eVTOL),该飞机的机舱悬挂在一个由几个转子组成的圆环之下。Volocopter计划今年在新加坡进行二人机的试飞,这是在有建筑物的环境下的首次试飞。与此同时,欧盟已经开始就认证eVTOL所需的标准进行磋商,NASA和FAA也在制定类似的规定。

  但是除非出现重大技术突破,完全使用煤油的大型客机还有很长的路要走。Paul Peeters曾经是一名航空工程师,目前在荷兰布雷达大学研究有关于可持续交通方面的问题。他分析了一架60座电动飞机在电池上的需求。Peeters说到:“按照目前的锂电池技术,电池必须比整个飞机还要大。”

  Peeters认为,唯一的解决办法就是找到一种限制航班数量的方法,或许通过一项国际协议,但是这种协议的达成将会超过联合国迄今所谈判的范围。“我们不能指望这些措施,真正实施下来,会拖很长时间。”

  《利用各种新技术,航空飞行可以变得更加环保》原文

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