Ekologia w lotnictwie

Transkrypt

1 Poznań Lotnictwo dla Obronności, 2016 Jerzy Merkisz Ekologia w lotnictwie Jerzy Merkisz Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Politechnika Poznańska

2 Statki powietrzne 2 Problemy ekologiczne w lotnictwie: emisja składników szkodliwych spalin emisja wibroakustyczna (drgania i hałas) recykling (AFRA Boeing; PAMELA Airbus) 2

3 Klasyfikacja statków powietrznych toksyczność 3

4 Rozwój: 1 zużycie paliwa, 2 emisja spalin Powietrze Spalanie zupełne i całkowite N 2 H 2 O Paliwo Zużycie paliwa ~ CO 2 : 1 dm 3 /100 km = emisja CO 2 : benzyna = 23,3 g/km olej nap. = 26,3 g/km 99,9% 0,1% Spaliny Spalanie niezupełne i niecałkowite 1 g/kwh paliwa = 3,15 g/kwh CO 2 1 g/kn paliwa = 3,15 g/kn CO 2 FC -!! CO 2 O 2 PM!!, PN!!! CO HC NO NO 2 NO x!! 4

5 Silniki lotnicze Silnik tłokowy Silnik odrzutowy (turbina gazowa) 5 5

6 Silniki lotnicze Silnik tłokowy Continental SR22 Silnik odrzutowy RR Trend

7 CO [%] NO, HC [ppm] Tworzenie związków szkodliwych tłokowe (ZI) 7 Stężenie składników spalin a współczynnik nadmiaru powietrza l CO NO HC 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 l

8 Przykładowe wyniki badań Badania emisji spalin silników turbinowych 99% czasu eksploatacji statku powietrznego to faza lotu Praca silnika na obciążeniu ~75% Zużycie powietrza ~ kg/h + (l = 4,2) 200 kg/h paliwa = kg/h spalin Stężenia: NO x około 30 ppm CO około 250 ppm HC około 15 ppm CO 2 około 3 % Średnia emisja: NO x około 3,70 g/h CO około 30 g/h HC około 1,85 g/h CO 2 około 370 kg/h 8

9 Emisja składników toksycznych spalin [g/kg paliwa] Emisja sadzy [SN] Tworzenie związków szkodliwych turbinowe Masa składników toksycznych spalin odniesiona do masy zużytego paliwa w zależności od obciążenia silnika turbinowego CO NO x Sadza 10 HC Ciąg silnika [%] 9

10 Turbiny gazowe: kluczowe dla społeczeństwa Globalny rynek > duże turbiny gazowe (> 20 MW) > małe turbiny gazowe (< 20 MW) Turbiny sektory gospodarki $30 mld (2010) Dodatkowo komercjalne lotnictwo, statki Roczny wzrost: 3 5% $20 mld lotnictwo cywilne generatory Wyzwania: Ciągły wzrost zapotrzebowania Ecologiczna kompatybilność Wydajność $10 mld samoloty wojskowe napędy mechaniczne napędy statków Dane: Bill Schmalzer, Forecast Int l. 10

11 Praca przewozowa [mln tonokilometry] Wskaźnik pracy przewozowej w transporcie lotniczym ,2 4, Lata 12, Current Market Outlook krotne zwiększenie pracy przewozowej do roku

12 Wzrost pasażerskiego ruchu lotniczego Azja-Pacyfik Europa Ameryka Płn przyrost ,7% 3,7% 2,9% Środkowy Wsch. Ameryka Łac. b. ZSRR Afryka 5,7% 4,8% 4,1% 4,8% mln pasażerów Tempo wzrostu przewiezionych pasażerów 4,5% rocznie 6 miliardów pasażerów w 2035 r. 12

13 liczba samolotów Rozwój floty samolotów zwiększenie liczby nowe samoloty wymiana początek dalsza eksploatacja Dane: Airbus GMF 2016 Dotyczy: samolotów pasażerskich > 100 miejsc i cargo > 10 t Zwiększenie floty samolotów o 103% do 2035 roku 13

14 Europa Ameryka Północna Ameryka Południowa Australia i Oceania Afryka Azja Liczba śmigłowców [szt.] Liczba śmigłowców na świecie w latach szt szt. 75% 0 75-procentowe zwiększenie liczby śmigłowców na świecie w latach

15 Liczba małych, prywatnych samolotów Liczba prywatnych samolotów w Polsce ~10% / rok Rok 2-krotne zwiększenie liczby prywatnych samolotów w Polsce do 2015 r. 15

16 Eksploatacja samolotów wojskowych Udział: 43% Razem: samolotów Udział F-16 w rynku samolotów wojskowych to 43% 16

17 Udział samolotów eksploatowanych [%] Eksploatacja samolotów wojskowych Przy znaczącym udziale samolotów wojskowych, właściwości konstrukcyjne i charakter ich zadań wymagają znajomości poziomu emisji w aspekcie oddziaływania środowiskowego 17

18 Eksploatacja samolotów cywilnych 1970 rok prace EPA (USA) w kierunku ograniczenia emisji spalin z silników samolotów (1976 rok pierwsze normy) Działalność ustawodawcza: wprowadzanie nowych procedur diagnostycznych w celu wykrywania zwiększonej emisji związków toksycznych spalin obniżanie limitów emisji. Udział lotnictwa w UE w emisji gazów cieplarnianych: 3% (wzrost o 4,3% rocznie). Istnieją uregulowania prawne i są stosowane procedury oceny emisji w cywilnych statkach powietrznych 18

19 Normy emisji spalin silników lotniczych Siedem grup silników lotniczych grupa T1 silniki turbinowo-odrzutowe oraz turbinowo-wentylatorowe o ciągu startowym do 36 kn, grupa T2 silniki turbinowo-odrzutowe oraz turbinowo- -wentylatorowe o ciągu startowym równym lub większym 36 kn, grupa T3 silniki rodziny JT3D (samoloty B707, DC-8), grupa T4 silniki rodziny JT8D (samoloty B727, DC-9), grupa T5 silniki dla samolotów naddźwiękowych, grupa P1 silniki tłokowe, grupa P2 silniki turbinowo śmigłowe. 19

20 Normy emisji spalin silników lotniczych Normy emisji Jednostki napędowe samolotów o małych mocach: grupa P1 - silniki tłokowe grupa T1 - silniki turbinowe o ciągu startowym do 27 kn grupa P2 - silniki turbinowo-śmigłowe o mocy maksymalnej do 2 MW Nie są objęte normami emisji spalin!!! 20

21 Badania emisji w rzeczywistej eksploatacji Lokomotywa spalinowe Samochód ciężarowy Samochód osobowy Łodzie motorowe Badania emisji związków szkodliwych spalin w warunkach rzeczywistej eksploatacji dla wielu obszarów zastosowania silników spalinowych Samoloty, s. tłokowe Maszyny pozadrogowe Ciągniki rolnicze Samoloty, s. turbinowe 21

22 Aparatura pomiarowa (PEMS) pomiar związków gazowych SEMTECH DS CO 2, CO, HC, NO x pomiary w rzeczywistych warunkach 22

23 Badania emisji spalin z samolotów cywilnych TEST EMISJI STATYCZNY Badania w trakcie lotu grupa P1 - silniki tłokowe 23

24 Natężenie emisji CO2, CO, HC, NOx [g/h] Przykładowe wyniki badań Emisja związków szkodliwych spalin w fazie kołowania, startu i lotu Parametr Prędkość obrotowa [obr/min] Faza lotu Rozruch Kołowanie Start Przelot CO2 CO HC NOx Rozruch Kołowanie Start Przelot Faza lotu 95% spalin powstaje w fazie lotu 24

25 E CO2, E CO [g/s] Przykładowe wyniki badań Badania małych samolotów 25 Cirrus (Continental engine)!! Emisja CO porównywalna z CO Rozruch, kołowanie Start, wznoszenie E CO E CO t [s] 1000 Samochody osobowe: emisja CO x mniejsza niż CO 2 25

26 Przykładowe wyniki badań Porównanie stężenia związków spalin z samolotu i z samochodu Prędkość obrotowa [obr/min] Średnie stężenie CO [%] HC [ppm] NO x [ppm] CO 2 [%] Prędkość lotu 130 km/h Prędkość jazdy 130 km/h , ,2 0, Porównanie stężenia samolot / samochód 110 x więcej 580 x więcej 10 x więcej 1,4 x mniej 26

27 Ekologia w lotnictwie Pomiary stężenia związków szkodliwych spalin zmierzone w warunkach stacjonarnych odnosi się do poszczególnych udziałów czasowych testu LTO LTO landing and take-off 27

28 Procedura certyfikacji emisji w cyklu LTO 1. Start: 0,7 min 2. Ciąg silnika: 100% Wznoszenie: 2,2 min Ciąg silnika: 85% Lądowanie: 4 min Ciąg silnika: 30% Kołowanie: 26 min Ciąg silnika: 7% Test LTO dotyczy operacji okołolotniskowych (99%-faza lotu) 28

29 Przykładowe wyniki badań Emisja silnika turbowentylatorowego wg danych producenta Siła ciągu [%] Zużycie paliwa [kg/s] Indeks emisji [g/kg]* HC CO NOx 100 2,070 0,02 0,49 40,54 3,8 85 1,710 0,02 0,43 31,54 4,8 30 0,583 0,02 0,87 12,62 3,3 7 0,226 0,07 9,8 5,21 0,5 29 SN Rolls-Royce Trend 1000-H * Emisja w gramach z 1 kg zużytego paliwa Zużycie paliwa < 3 dm 3 /(pas 100 km) Współczynnik dwuprzepływowości: 9,62 Spręż: 38,33 Siła ciągu: 287,1 kn 29

30 Badania emisji spalin silników lotniczych grupa T1 - silniki turbinowe o ciągu startowym do 27 kn GTM 120; ciąg 120 N badania podstawowe (wstępne) grupa T5 - silniki turbinowe dla samolotów naddźwiękowych F100-PW-229; 80 kn (130 kn) 30

31 Badania emisji spalin śmigłowców i samolotów wojskowych Mi-17 PZL SW-4 Puszczyk An-28 PZL W-3 Sokół M-28 Wyposażone w pokładowe rejestratory parametrów lotu umożliwiają odniesienie próby stacjonarnej do warunków rzeczywistych grupa P2 - silniki turbośmigłowe o mocy maksymalnej do 2 MW 31

32 Obciążenie [%] Obciążenie [%] Przykładowe wyniki badań Opracowanie nowych testów badawczych (1) 1. Wyznaczenie histogramów podczas próby i podczas lotu PZL W-3 Sokół % 22% 21% 24% Udział czasu próby [%] ,2% 0,5% 1,3% 10% 34% 52% Udział czasu eksploatacji [%] 32

33 Rozruch Rozgrzewanie Weryfikacja poprawności działania bloków Próba w zawisie Chłodzenie CO, HC, NOx [ppm] CO 2 [%] Przykładowe wyniki badań Opracowanie nowych testów badawczych (2) 2. Zestawienie stężenia związków szkodliwych spalin z przebiegiem lotu CO HC/10 NOx/100 CO t [s] W-3 Sokół Największa emisja podczas rozruchu silnika 33

34 Emisja jednostkowa CO 2, CO, HC, NOx [g/kwh] Obciążenie [%] Przykładowe wyniki badań Opracowanie nowych testów badawczych (3) 3. Wyznaczenie emisji jednostkowej związków szkodliwych ,1 CO2 CO HC NOx Obciążenie [%] % 33% 21% 24% Udział czasu próby [%] E j n i 1 E ji u i g kwh E wartość emisji jednostkowej dla danego obciążenia [g/kwh] u udział czasu obciążenia podczas próby [ ] 34

35 Emisja jednostkowa Przykładowe wyniki badań Opracowanie nowych testów badawczych (4-6) 4. Testy emisyjne 5. Wartości emisji 6. Propozycje limitów emisji CO 2, CO, HC, NOx [g/kwh] ,8 2,7 EI CO = 15 g/kwh EI HC = 2 g/kwh EI NOx = 2 g/kwh 1 CO2 CO HC NOx Propozycja oceny emisyjnej statków powietrznych 35

36 N e /N e max [%] Przykładowe wyniki badań Badania emisji spalin silników turbinowych śmigłowców PZL-W-3 Sokół Faza B N e /N e max = 0.7 n/n max = 0.7 u i = B C Faza C N e /N e max = 0.95 n/n max = 0.95 u i = Faza A N e /N e max = 0.15 n/n max = 0.15 u i = A n/n max [%] Dzienna emisja śmigłowca = roczna emisja z pojazdu 36

37 Emisja jednostkowa CO 2, CO, HC, NOx [g/kwh] Przykładowe wyniki badań POLITECHNIKA POZNAŃSKA Badania emisji spalin turbinowych silników śmigłowych ,8 2,0 1 CO2 CO HC NOx Odmienny charakter emisji niż w silnikach tłokowych 37

38 Warunki badań samolotów Badania stanowiskowe silnika i samolotu (hamownia lotnicza) Samolot F-16 na stanowisku badawczym Punkty poboru spalin Odległości między punktami ok. 250 mm Miejsce zamocowania sondy poboru spalin 38

39 N/N max [%] Natężenie emisji [g/s] Test do oceny emisji związków szkodliwych spalin silnika samolotu F-16 w warunkach eksploatacji % 9% Emisja silnika samolotu F % nastawa dźwigni mocy [%] ,1 15,1 1,2 0,16 CO2 2 CO HC Nox NO x Zaproponowany test silników samolotów F-16 efektywne narzędzie do oceny oddziaływania środowiskowego w warunkach ich rzeczywistej pracy 39

40 Przykładowe wyniki badań Badania emisji spalin samolotu F-16 Emisja spalin proporcjonalna do zużycia paliwa 1. Zwykły lot 2. Lot zadaniowy 3. Użycie dopalacza Zużycie 0,7 t/h Zużycie 6 t/h Zużycie 30 t/h 40

41 Emisja z 1 kg paliwa [g] Wyniki badań emisji związków szkodliwych spalin warunki eksploatacji Dla F-16 podczas wykonywanych lotów Na podstawie oceny zużycia paliwa ,6 1 1,7 0,25 0,1 CO2 2 CO HC NOx x Samoloty F-16: emisja CO 1850x mniejsza niż CO 2 Zasadniczym problemem jest emisja NO X 41

42 Masa zanieczyszczeń w spalinach [t] Wyniki badań emisji związków szkodliwych spalin warunki eksploatacji Samoloty F-16 w 2015 roku na lotnisku Poznań-Krzesiny (na rok) CO 2 CO2 CO HC NOx NO x Samoloty F-16 są istotnym źródłem emisji środowiskowej w wyniku użytkowania wojskowych statków powietrznych 42

43 Przykładowe wyniki badań Badania emisji spalin i hałasu silnika turbinowego F100-PW-229 Zużycie paliwa (z użyciem dopalacza): kg/h dla samochodu osobowego wystarczy na km 43

44 CO, HC, NOx [g/kn] Przykładowe wyniki badań Porównanie emisji silników samolotów cywilnych i wojskowych Test LTO 1:1 1:4 1:3,5 CO HC 10 NOx General Electric GEnx-2B67 Prat&Whittney F100-PW-229 Siła ciągu: 300 kn Siła ciągu: 80 kn (130 kn)

45 Przykładowe wyniki badań Emisja jednostkowa spalin silników tłokowych i turbinowych śmigłowców Emisja jednostkowa: CO 2 i NO x najmniejsza z sil. tłokowych Emisja jednostkowa: CO najmniejsza z sil. turbinowych 45

46 Przykładowe wyniki badań Porównanie emisji pojazdu i samolotu Silnik turbinowy NO x : stężenie 13 razy mniejsze, ale emisja jednostkowa 3 razy większa 46

47 Zakończenie Całkowicie ekologiczne 47

48 See you on next flight 48

49 Poznań Lotnictwo dla Obronności, 2016 Jerzy Merkisz Ekologia w lotnictwie Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Politechnika Poznańska