Poznań Lotnictwo dla Obronności, 2016 Jerzy Merkisz Ekologia w lotnictwie Jerzy Merkisz Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Politechnika Poznańska
Statki powietrzne 2 Problemy ekologiczne w lotnictwie: emisja składników szkodliwych spalin emisja wibroakustyczna (drgania i hałas) recykling (AFRA Boeing; PAMELA Airbus) 2
Klasyfikacja statków powietrznych toksyczność 3
Rozwój: 1 zużycie paliwa, 2 emisja spalin 4 1 2 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
Silniki lotnicze Silnik tłokowy Silnik odrzutowy (turbina gazowa) 5 5
Silniki lotnicze Silnik tłokowy Continental SR22 Silnik odrzutowy RR Trend 1000 6 6
CO [%] NO, HC [ppm] Tworzenie związków szkodliwych tłokowe (ZI) 7 Stężenie składników spalin a współczynnik nadmiaru powietrza l 12 10 8 6 4 2 0 CO NO HC 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 l 3600 3000 2400 1800 1200 600 0 7
Przykładowe wyniki badań Badania emisji spalin silników turbinowych 99% czasu eksploatacji statku powietrznego to faza lotu Praca silnika na obciążeniu ~75% Zużycie powietrza ~12 150 kg/h + (l = 4,2) 200 kg/h paliwa = 12 350 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
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 70 60 50 40 30 20 CO NO x Sadza 10 HC 0 20 40 60 80 100 Ciąg silnika [%] 9
Turbiny gazowe: kluczowe dla społeczeństwa Globalny rynek > 15000 duże turbiny gazowe (> 20 MW) > 20000 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 2005 2010... 2020 Dane: Bill Schmalzer, Forecast Int l. 10
Praca przewozowa [mln tonokilometry] Wskaźnik pracy przewozowej w transporcie lotniczym 12 10 8 6 4 2 0 1,2 4,9 1970-1989 1990-2009 Lata 12,3 2010-2030 Current Market Outlook 2010-2030 2 3-krotne zwiększenie pracy przewozowej do roku 2023 11
Wzrost pasażerskiego ruchu lotniczego Azja-Pacyfik Europa Ameryka Płn. 2015 2016-2035 przyrost 2015-2035 5,7% 3,7% 2,9% Środkowy Wsch. Ameryka Łac. b. ZSRR Afryka 5,7% 4,8% 4,1% 4,8% 0 2 000 4 000 6 000 mln pasażerów Tempo wzrostu przewiezionych pasażerów 4,5% rocznie 6 miliardów pasażerów w 2035 r. 12
liczba samolotów Rozwój floty samolotów 2016-2035 40 000 35 000 30 000 25 000 20 000 20 240 zwiększenie liczby 33 070 nowe samoloty 15 000 10 000 19 580 12 830 wymiana 5 000 0 6 750 początek 2016 2035 dalsza eksploatacja Dane: Airbus GMF 2016 Dotyczy: samolotów pasażerskich > 100 miejsc i cargo > 10 t Zwiększenie floty samolotów o 103% do 2035 roku 13
Europa Ameryka Północna Ameryka Południowa Australia i Oceania Afryka Azja Liczba śmigłowców [szt.] Liczba śmigłowców na świecie w latach 1990 2015 20000 16000 12000 8000 4000 1990 2015 24 159 szt. 42 541 szt. 75% 0 75-procentowe zwiększenie liczby śmigłowców na świecie w latach 1990-2015 14
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Liczba małych, prywatnych samolotów Liczba prywatnych samolotów w Polsce 1200 1000 800 ~10% / rok 600 400 200 0 Rok 2-krotne zwiększenie liczby prywatnych samolotów w Polsce do 2015 r. 15
Eksploatacja samolotów wojskowych Udział: 43% Razem: 10 373 samolotów Udział F-16 w rynku samolotów wojskowych to 43% 16
Udział samolotów eksploatowanych [%] Eksploatacja samolotów wojskowych 120 100 80 69 100 97 100 100 100 82 100 78 95 99 100 60 40 51 36 40 20 0 Przy znaczącym udziale samolotów wojskowych, właściwości konstrukcyjne i charakter ich zadań wymagają znajomości poziomu emisji w aspekcie oddziaływania środowiskowego 17
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
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
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
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
Aparatura pomiarowa (PEMS) pomiar związków gazowych SEMTECH DS CO 2, CO, HC, NO x pomiary w rzeczywistych warunkach 22
Badania emisji spalin z samolotów cywilnych TEST EMISJI STATYCZNY Badania w trakcie lotu grupa P1 - silniki tłokowe 23
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 0 1200 1200 2400 2000 100000 10000 CO2 CO HC NOx 1000 100 10 1 Rozruch Kołowanie Start Przelot Faza lotu 95% spalin powstaje w fazie lotu 24
E CO2, E CO [g/s] Przykładowe wyniki badań Badania małych samolotów 25 Cirrus (Continental engine)!! Emisja CO porównywalna z CO 2 25 20 15 10 5 0 Rozruch, kołowanie Start, wznoszenie E CO E CO 2 0 500 t [s] 1000 Samochody osobowe: emisja CO 800 1000x mniejsza niż CO 2 25
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 2000 4000 2,2 2900 400 8,2 0,02 5 40 12 Porównanie stężenia samolot / samochód 110 x więcej 580 x więcej 10 x więcej 1,4 x mniej 26
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
Procedura certyfikacji emisji w cyklu LTO 1. Start: 0,7 min 2. Ciąg silnika: 100% Wznoszenie: 2,2 min Ciąg silnika: 85% 3. 4. Lądowanie: 4 min Ciąg silnika: 30% Kołowanie: 26 min Ciąg silnika: 7% Test LTO dotyczy operacji okołolotniskowych (99%-faza lotu) 28
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
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
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
Obciążenie [%] Obciążenie [%] Przykładowe wyniki badań Opracowanie nowych testów badawczych (1) 1. Wyznaczenie histogramów podczas próby i podczas lotu PZL W-3 Sokół 100 80 60 40 20 0 33% 22% 21% 24% 0 25 50 75 100 Udział czasu próby [%] 120 100 80 60 40 20 0 2,2% 0,5% 1,3% 10% 34% 52% 0 25 50 75 100 Udział czasu eksploatacji [%] 32
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 12000 10000 8000 6000 4000 CO HC/10 NOx/100 CO2 6 5 4 3 2 2000 1 0 0 0 100 200 300 400 500 600 t [s] W-3 Sokół Największa emisja podczas rozruchu silnika 33
Emisja jednostkowa CO 2, CO, HC, NOx [g/kwh] Obciążenie [%] Przykładowe wyniki badań Opracowanie nowych testów badawczych (3) 3. Wyznaczenie emisji jednostkowej związków szkodliwych 10000 1000 100 10 1 0,1 CO2 CO HC NOx 15 65 72 84 Obciążenie [%] 100 80 60 40 20 0 22% 33% 21% 24% 0 25 50 75 100 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
Emisja jednostkowa Przykładowe wyniki badań Opracowanie nowych testów badawczych (4-6) 4. Testy emisyjne 5. Wartości emisji 6. Propozycje limitów emisji 10000 CO 2, CO, HC, NOx [g/kwh] 1000 100 10 1317 16 2,8 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
N e /N e max [%] Przykładowe wyniki badań Badania emisji spalin silników turbinowych śmigłowców PZL-W-3 Sokół 100 75 Faza B N e /N e max = 0.7 n/n max = 0.7 u i = 0.0335 B C Faza C N e /N e max = 0.95 n/n max = 0.95 u i = 0.955 50 25 0 Faza A N e /N e max = 0.15 n/n max = 0.15 u i = 0.0115 A 0 0.25 0.5 0.75 1 n/n max [%] Dzienna emisja śmigłowca = roczna emisja z pojazdu 36
Emisja jednostkowa CO 2, CO, HC, NOx [g/kwh] Przykładowe wyniki badań POLITECHNIKA POZNAŃSKA Badania emisji spalin turbinowych silników śmigłowych 10000 1000 1109 100 10 14 1,8 2,0 1 CO2 CO HC NOx Odmienny charakter emisji niż w silnikach tłokowych 37
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
N/N max [%] Natężenie emisji [g/s] Test do oceny emisji związków szkodliwych spalin silnika samolotu F-16 w warunkach eksploatacji 95 90 67% 9% Emisja silnika samolotu F-16 10000 2098 83 24% 1000 26 52 80 nastawa dźwigni mocy [%] 100 10 1 0,1 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
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
Emisja z 1 kg paliwa [g] Wyniki badań emisji związków szkodliwych spalin warunki eksploatacji 10000 1000 3150 Dla F-16 podczas wykonywanych lotów Na podstawie oceny zużycia paliwa 100 10 22,6 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
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) 22 987 10000 1 653 100 129 18 1 CO 2 CO2 CO HC NOx NO x Samoloty F-16 są istotnym źródłem emisji środowiskowej w wyniku użytkowania wojskowych statków powietrznych 42
Przykładowe wyniki badań Badania emisji spalin i hałasu silnika turbinowego F100-PW-229 Zużycie paliwa (z użyciem dopalacza): 30 000 kg/h dla samochodu osobowego wystarczy na 400 000 km 43
CO, HC, NOx [g/kn] Przykładowe wyniki badań Porównanie emisji silników samolotów cywilnych i wojskowych 200 150 100 50 0 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)
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
Przykładowe wyniki badań Porównanie emisji pojazdu i samolotu Silnik turbinowy NO x : stężenie 13 razy mniejsze, ale emisja jednostkowa 3 razy większa 46
Zakończenie Całkowicie ekologiczne 47
See you on next flight 48
Poznań Lotnictwo dla Obronności, 2016 Jerzy Merkisz Ekologia w lotnictwie Instytut Silników Spalinowych i Transportu, Politechnika Poznańska