Wild Green Yonder: Flying av miljøvennlige skyer på alternative drivstoff


I desember fløyte US Air Force et C-17 transportfly over hele landet, drevet delvis av en ny drivmiddel: naturgass omdannet til et syntetisk flytende brensel. Varme og katalysatorer omdannet metan til syngas (karbonmonoksid og hydrogen) som deretter ble omdannet til flytende hydrokarboner (ellers kjent som olje og dets derivater): petroleum, bensin og, når det gjelder luftfart, petroleum.

I desember fløyte US Air Force et C-17 transportfly over hele landet, drevet delvis av en ny drivmiddel: naturgass omdannet til et syntetisk flytende brensel. Varme og katalysatorer omdannet metan til syngas (karbonmonoksid og hydrogen) som deretter ble omdannet til flytende hydrokarboner (ellers kjent som olje og dets derivater): petroleum, bensin og, når det gjelder luftfart, petroleum.

"Hitler fløy Messerschmitts på det, " sier William Anderson, assisterende sekretær for US Air Force for installasjoner, miljø og logistikk, om et slikt Fischer-Tropsch syntetisk drivstoff, som kan fremstilles av metan, kull, planteoljer - til og med treavfall. "Vi tror at å ha en sikker innenriks drivstoffbrensel gjør det lettere for oss å gjøre det oppdraget [å fly og kjempe]. Det er mindre sannsynlig at det vil være noen forstyrrelser i drivstoffkilden vi trenger for å fly fly."

Se lysbildeserie her

Enten for supersoniske jagerfly eller kommersielle flyruter, har luftfartsverdenen begynt å søke fremtidens drivstoff, overgang fra petroleumsavledede JP-8 og Jet A-varianter til Fischer-Tropsch-syntetikk eller biodrivstoff. Drevet av sikkerhets- og miljøhensyn samt skyhøyende oljepriser, United Airlines mer enn doblet sin drivstoffavgift per billett til $ 50 den 12. januar, fortsetter luftfartsindustrien å redusere drivstoffforbrenningen ettersom den søker etter renere og billigere alternativer.

"Vi er definitivt interessert i å ha en alternativ energikilde tilgjengelig for oss av økonomiske og miljømessige grunner, for ikke å nevne ren forsyning, " sier John Heimlich, sjeføkonom ved Air Transport Association of America (ATA) i Washington, DC, som representerer flyselskaper som står for mer enn 90 prosent av passasjer- og godstrafikken i USA. "Det er en rekke brennstoffer der ute, noen kan være bedre, noen kan bli verre. Vi må finne noe minst så godt, om ikke bedre."

Rock til væske
Jet-fly brenner i dag typisk petroleum, et energi-tett hydrokarbonbrensel som leverer så mye som 48 megajoules per kilo (20 700 britiske termiske enheter per pund), noe som gir mulighet for langdistanse-reise. Amerikanere har benyttet seg av denne kapasiteten, ifølge US Bureau of Transportation Statistics: Flyselskaper rapporterte ferge over 72 millioner passasjerer i juli, en rekordhøy for en enkelt måned.

Samtidig har luftfartsnæringen blitt langt mer drivstoffeffektiv i lys av høye priser. (Flyselskaper brukte 37 milliarder dollar for drivstoff alene i 2007 til november og kan følge United i å innføre bratte drivstoffsatser på kunder i 2008.) Ifølge ATA har industrien redusert mengden drivstoff som er brent med 23 prosent siden 2000 ved å ta slike skritt som gjør fly lettere og introdusere mer effektive motorer. "I dag er Northwest Airlines i gjennomsnitt omtrent 50 passasjer miles per gallon [21 kilometer per liter] drivstoff, " sier Tim McGraw, Nordvests direktør for sikkerhet, helse og miljø, i stor grad ved å erstatte sin aldrende flåte med fly med nyere og mer effektive jetfly .

Den primære årsaken til slike forbedringer har vært den jevne stigningen i drivstoffkostnadene. For eksempel har luftvåpenet sett sin energiforbruk dobbelt siden 2003, selv om den reduserte drivstofforbruket med mer enn 10 000 fat per dag i samme periode. "Over 80 prosent av hele Air Force-energikjøpet er i flytende flybrensel, " sier Anderson. "Det representerer litt mindre enn 6 milliarder dollar i året av skattebetalers penger som går inn i å fôre vår flåte med drivstoff."

Som et resultat, har Air Force- og andre militære grener samt Forsvarsforskningsprosjektet (DARPA) - begynt å eksperimentere med alternativer. "Alternative drivstoff gir potensialet, om ikke å senke prisen [av petroleumbasert brensel], i det minste for å gi en sikring i fremtiden mot deres fremtidige vekst eller, på annen måte, si deres volatilitet, sier tekniker Douglas Kirkpatrick, DARPAs program leder for alternativ drivstoffinnsats. "Nøkkelen her er å gå fra en kilde til mange."

Han legger til: "Enhver som driver en bedrift vet at du ikke vil ha en leverandør. I hovedsak er det stillingen vi er i."

På kort sikt håper luftvåpenet å benytte seg av Fischer-Tropsch-kjemi som holdt Nazi-æra Tyskland og apartheid-æra Union of South Africas fly som flyr i fravær av olje (og leverer fortsatt 40 prosent av Sør-Afrikas transport drivstoffbehov) for å sikre mangfold av tilbud. I tillegg til å fly C-17 over hele landet - et fly drevet av samme Pratt- og Whitney F117-100-motor som ble brukt på kommersielle Boeing 757-sertifiserte luftvåpenet i august sine flygende 1950-årige B-52-bombefly for å brenne synfuel .

"Hvorfor starte med et gammelt våpen system?" Anderson sier. "Det er en veldig enkel motor i forhold til nyere, mindre ting kan gå galt."

Den naturgass-avledede synfuel utført perfekt i begge fly under jordingstester, fly og selv under kaldstart i vinterdød i Minot, N. Dak. 50-50-blandingen av synfuel og JP-8 oppfylte alle 40 av luftvåpenets drivkraftsprestasjonskriterier, inkludert å komme seg gjennom ekstremt høye og lave temperaturer. "Piloter forteller oss at de ikke føler noen forskjell på kontrollene mellom drivstoffene, " sier Anderson.

Fischer-Tropsch synfuels lover å gi en potensielt renere drivstofftilførsel også. Ved å brenne renere drivstoff klarere enn petroleum-avledet parafin elimineres svovelutslipp som fører til surt regn og reduserer (med 50 til 90 prosent) mengden småpartikler som vanligvis forblir etter forbrenning, ifølge Richard Altman, administrerende direktør for Commercial Aviation Alternative Fuels Initiative (CAAFI), en industri innsats for å utvikle nye energi alternativer.

Men synfuel vil ikke føre til færre utslipp av karbondioksid, drivhusgassen som primært er ansvarlig for globale klimaendringer. Miljøgruppe Forsvarets råd for naturressurser anslår at kull til flytende brensel gir to ganger så mye karbondioksid som å produsere petroleumsbrensel. "Vi vil bare kjøpe drivstoff som er grønnere enn våre nåværende alternativer, " sier Anderson. "Vårt nåværende alternativ er petroleumsbasert jetbrensel."

EU planlegger å begrense karbonutslipp fra fly som begynner i 2012; I USA er lovgivningen ventet som vil legge til tilsvarende grenser, og fem stater (California, Connecticut, Pennsylvania, New Jersey, New Mexico og New York) har bedt Environmental Protection Agency (EPA) for å regulere slike utslipp i mellomtiden. "Vi vet nå at løsningen som vil være mest miljømessig akseptabel, " sier CAAFIs Altman, "vil ha betydelige biodrivstoff."

Utover Kerosene
Mengden utslipp fra fly sammenlignet med andre kjøretøy er forholdsvis lite tilnærmet 3 prosent av verdensomspennende klimagassutslipp fra fossilt brensel, ifølge FNs klimapanel (IPCC) - det har imidlertid stor innvirkning på klimaet . Ved å frigjøre karbondioksid høyere i atmosfæren tillater flyet molekylet mer tid til å fange varme, som også bidrar via kontroler og andre kjemisk aktive gasser, noterer IPCC.

Noen flyselskaper har vært effektive for å redusere klimagassutslipp. "I nordvest har utslippene av drivhusgasser gått ned 25 prosent siden 2000 og ca 5 prosent mindre enn 1990, sier Ken Hylander, nordvests senior vice president for sikkerhet og engineering. "Hvis Nordvest var et land, ville vi være Kyoto [protokoll om å redusere klimagassutslipp] kompatibel."

Men utslippene fra luftfartsindustrien som helhet fortsetter å klatre. I henhold til EPA, fra 1990 til 2005 gikk utslippene av drivhusgasser fra militære fly med 50 prosent, men de fra kommersielle transportører økte med 16 prosent, hovedsakelig på grunn av veksten i antall transportører.

Effektivitet alene - selv i form av fly med forbedrede motorer og konstruksjoner som Boeing 787, forventes å levere en 20 prosent forbedring i drivstoffeffektiviteten over eksisterende store fly - er ikke svaret. "Et lav-CO 2 -brensel vil hjelpe oss med å ta opp den gjenværende delen av kaken, " sier David Daggett, teknologileder for energi og utslipp ved Boeing. "Derfor er vi spesielt interessert i biodrivstoff."

En slik biobrensel-etanol-er allerede brukt til å drive en tungt ansatt kommersiell flåte: Stempelmotorer med propellavfall. Max Shauck, leder av Baylor-instituttet for luftvitenskap (som fløy et etanol-drevet stengeplan i flyturer på 1980-tallet), har konvertert minst 1.000 slike fly i Brasil, et land som har spilt seg fra utenlandsk olje ved å omfatte etanol hjemmelaget produsert av sukkerrør.

I tillegg til å være lettere på motoren, koster etanol et kvart til en halv så mye som luftfarten som vanligvis brukes i slike propellplaner. Etanol reduserer antall timer eller avstand slik et fly kan fly, men på grunn av sin lavere energitetthet, men "det utvikler mer kraft og det er et drivhusgass nøytralt brensel, " sier Shauck. "Det er nok etanol produsert i verden for å drive alle stempelmotorflyene."

Federal Aviation Administration (FAA) gjennomfører tester, men har ennå ikke sertifisert etanol som drivstoff for stempelmotorfly i USA, sier Lourdes Maurice, sjefforsker og teknisk rådgiver for FAAs kontor for miljø og energi. Uansett gjør etanols lave energitetthet det uegnet for jet-turbinmotorer. "Det er klart at vi ikke kan bruke etanol, " sier CAAFIs Altman. "Det er en velsignelse. Vi ønsker ikke å konkurrere med matavlinger."

Diesellike drivstoff avledet fra planteoljer kan unngå dette problemet, så vel som levere lignende drivhusgassreduksjon (avhengig av hvordan plantene dyrkes). Allerede en tsjekkoslovakisk L-29-jet-konstruert spesielt på 1960-tallet av det tsjekkiske militæret for å kjøre på alternative drivstoff-fløy i 37 minutter og nådde en høyde på 17.000 fot (5.180 meter) drevet fullstendig av reformert canolaolje. "Ønsker du å kjøpe oljen din fra Midtøsten, " spør BioJet 1, politimann Doug Rodante, president for Green Fuels International (et selskap som fremmer alternative drivstoff), "eller Midtvesten?"

Men biodiesel størkner til en gel ved de kalde temperaturene som finnes i høy høyde, en dødelig feil for flybrensel. Den tsjekkiske jetstrålen har drivstoffvarmere for å komme seg rundt dette problemet, og lignende løsninger kan bli konstruert i andre jetmotorer, sier fysiker Rudi Wiedemann, president og administrerende direktør i Biodiesel Solutions, Inc. i Sparks, Nev., Flyets leverandør av bensin.

Eller selve biodiesel kan forbedres for å sikre at den ikke størkner til minst 40 grader Celsius, den nåværende standarden for petroleumsavledet jetbrensel. UOP, et Honeywell Company, har utviklet en slik "grønn diesel" ved å oppvarme vegetabilske og animalske oljer for å legge til hydrogenatomer i de lange hydrokarbonkjedene, under DARPA-regimet. I tillegg tilfører sin "økofinering" -prosess kinks i kjedene for å forhindre at de enkelt stables eller geler-ved kalde temperaturer, og produserer dieselbrensel med så mye som to ganger forbrenningskvaliteten av petroleumsavledet sort.

Boeing har testet to slike "vegetabilske biodrivstoff" med denne antifreezingegenskapen i General Electric-jetmotorer som brukes på mange av sine 747 fly, sier Daggett. Virgin Atlantic flyselskap kunngjorde at tidlig i år vil det gjennomføre den første flyetest av en biodiesel-petroleum dieselblanding i en av de fire motorene til et 747 fly; Air New Zealand planlegger et lignende testfly på en Rolls Royce-motor i en av sine 747-er senere på året.

Den første UOP-avledede ecofining-anlegget, som er i stand til å produsere 100 millioner gallons dieselolje til kjøretøyer, bygges nå i Livorno, Italia; et annet anlegg er satt til å bli bygget i Sines, Portugal. "Å gå på biodrivstoff betyr ikke at vi må gjøre kompromisser. Vi lager allerede drivstoff som ser ut akkurat som det virkelige, eller bedre, " sier Jennifer Holmgren, UOPs direktør for fornybar energi. "Den virkelige begrensningen kommer til å være råvare."

Det er ikke nok olje fra planter som soya og canola for å levere til og med en brøkdel av de 60 millioner pluss liter brennstoff brennt hver dag av amerikanske fly, nesten en fjerdedel av global bruk, selv om alle slike kilder ble omgjort til drivstoff (som vil påvirke matforsyningen vesentlig.) Og Boeing har hatt det vanskelig å finne biodrivstoffleverandører som kan produsere testbare mengder av deres produkt. "Umiddelbart utmerker det mange selskaper når du ber om 1000 liter, " sier Daggett.

Som et resultat, har både private selskaper som UOP, myndigheter som DARPA og kommersielle organisasjoner som CAAFI begynt å vurdere et bredere utvalg av kilder, inkludert oljen fra frøene til Brasiliens babassu palme eller omdannelsen av de trepartiske eller cellulose-delene av planter. Kjemisk ingeniør Charles Wyman fra University of California, Riverside, argumenterer for bioraffinaderier som setter frøolje, stenglene og andre avgrensninger av avlinger, og til og med trepulpavfall til et utvalg av alternative brensel.

"Du vokser tre eller gress på en fornybar måte i en slags energiplantasje for å produsere biomasse, " sier han. "Konverter noe av det til etanol, og brøkdelen du ikke kan konvertere, bruk Fischer-Tropsch til å lage dieselbrensel som kan skreddersys mot jetbrensel."

Eller alger kan bli dyrket. Den lille planten kan produsere "60 prosent av vekten som olje under stress", ifølge Wyman. Lukkede beholdere kan produsere rene stammer av slike høyoljearter for fôring til store dammer for å vokse tilstrekkelige forsyninger, sier systemingeniør Ron Pate ved Sandia National Laboratories i New Mexico, som har analysert drivstoffpotensialet til mikroskopiske planter.

Slike store alger gårder kan også opprettholde såkalt "svekket" vann, enten salt hav eller forurenset vann, sier Pate. "Vann som kommer ut av renseanlegg har næringsstoffer-nitrater, noe som tilskynder alger til å vokse, " Boeings Daggett notater. "Du kan høste alger og trekke ut oljen, og slipp deretter vannet i en renere tilstand enn hva det ville ha vært å forlate kloakkverket."

Men biorefineries ville koste hundrevis av millioner dollar og krever betydelige oppgraderinger i eksisterende prosesser, mens slike algerordninger ennå ikke er blitt prøvd. US Department of Energy (DOE) har gitt penger til noen få pilotbioraffinaderier, og DARPA har gitt finansiering for den første innsatsen for å begynne å utforske algeres gjennomførbarhet, men det vil være år før noe slikt brensel er allment tilgjengelig. "Ti til 20 år er en rimelig tidsramme, " sier Daggett.

Fossilblandinger
Luftfartsstyret planlegger å introdusere hele sin flåte av fly på Fischer-Tropsch prosess syntetisk brensel avledet fra metan eller kull i 2011, og planlegger å kjøpe nok slikt drivstoff til å drive minst 50 prosent av flåten i det kontinentale USA innen 2016 . Tester begynte i november på ytelsen til det renere synfuel i jetbrenselmotorer som brukes til supersonisk flytur.

"Det er omtrent 400 millioner liter [1, 5 milliarder liter] drivstoff, " sier Anderson, sammenlignet med 281.000 liter [1, 06 millioner liter] kjøpt i år, og anslagsvis 500.000 liter [1, 9 millioner liter] neste år. "Det kan bare være marginalt [miljømessig] bedre i 2016. Carbon nøytral? Sannsynligvis ikke."

Selv om slike synfyrer faktisk kan øke klimagassutslippene, avhenger av hvordan de produseres, vil de levere litt uavhengighet fra petroleumets tyranni. "Kullet i bakken i USA ved dagens bruk vil vare 400 til 500 år. Hvis du dobler, tredobles eller firedobles bruken av kull, blir det ikke 400, selvfølgelig blir det 100 eller 50 år, "Sier Anderson. "Men det er 50 år å komme til den karbonfrie økonomien."

Før da kan innvirkning på jordens klima begrenses ved å blande relativt små mengder biodrivstoff inn i slike synfuels-et alternativ DARPA, for en avviser av logistiske grunner-eller fanger karbondioksidet fra synfuelproduksjon og bruker det for å øke veksten av plantene skal forvandles til drivstoff. "Legg så lite som 20 prosent biodrivstoff i ikke-gjenvinnbare brensel-kull-til-væske og gass-til-væske-du kan være karbonnøytral i en blanding, sier CAAFIs Altman.

En slik blanding på 20 prosent vil ikke kreve noen modifikasjoner på eksisterende flymotorer eller infrastruktur, sier Green Flight Internationals Rodante. "Jetbrensel og biodrivstoffblanding er noe som enkelt gjøres, " sier han "Jeg tror ikke 100 prosent biodrivstoff er svaret."

Oljeprisene på $ 100 per fat er allerede godt over $ 40 per fat, hvor synfuelproduksjonsanlegg bryter jevnt, og til og med $ 70 per fat nivå som kan gjøre karbonfangst økonomisk mulig. "Den største utfordringen er produksjonskapasitet - og holder kurset, sier FAAs Maurice. "Hvis prisen på råolje skulle falle, kan vi opprettholde interessen?"

Likevel er kombinasjonen av faktorer involvert: energisikkerhet, mangfold av forsyning og miljø kan opprettholde kommersiell luftfarts interesse, selv om de overordnede målene er mindre sertifiserende synfuel-blandinger neste år, full synfuels innen 2010 og biodrivstoff i 2013. "Det ligger en underliggende etterspørsel etter noe bedre enn 90 dollar per fat olje, som har bedre innenlandsforsyning og kan bidra til å takle økt miljøbelastning, sier ATAs Heimlich. "Jeg har ennå ikke sett det sølvkulett magiske drivstoffet."

I mellomtiden tilbyr mange flyselskaper måter å kompensere for klimagassutslippene i forbindelse med flytrafikk, som for eksempel USA-basert Delta Air Line-program med Bevaringsfondet for å plante trær mot $ 5, 50 at passasjerer får muligheten til å legge til Prisen på en internasjonal tur-billett eller $ 11 for internasjonale rundturer. Storbritannia-baserte Virgin Atlantic har en lignende avtale med myclimate (en sveitsisk offset-leverandør), som bruker ekstra flygebyr, som varierer avhengig av billettpris, for å finansiere fornybare energiprosjekter i utviklingsland som India. Det er imidlertid uklart hvor mye slike passasjerfinansierte partnerskap gjør for å lette klimaendringene, og de er en dårlig erstatning for et karbonnøytralt alternativt drivstoff.

"Vi burde ha oppholdt kurset på 1970-tallet, og da ville vi ikke ha denne diskusjonen, " sier Air Force's Anderson. "Enten det tar 30 eller 50 år [å utvikle et slikt drivstoff], vil det ta lengre tid hvis vi starter i morgen enn hvis vi starter i dag."

Se lysbildeserie her