Det kan komma som en överraskning för vissa att flygindustrin, trots att den står i fokus i kampen mot klimatförändringarna, enligt Internationella energimyndigheten (IEA) endast står för 2 % av de globala energirelaterade koldioxidutsläppen. Sektorn växer dock snabbt. Under de senaste decennierna har denna tillväxt överstigit tillväxten inom järnvägs-, väg- och sjöfartssektorerna, och IEA förutspår att de effektivitetsvinster som moderniserade flygplan medför sannolikt inte kommer att kunna hålla jämna steg med sektorns expansion. Det är alltså uppenbart att en koldioxidminskning inom flygindustrin kommer att kräva mer kreativa lösningar än bara effektivare flygplan.
Teknik för el- och hybriddrift
Som beskrevs i en tidigare artikel är energitätheten det grundläggande problemet när det gäller att utveckla miljövänligare former av flygplansdrift. De flesta områden inom markbunden transport visar en trend mot eldrift. Att skapa ett helt eldrivet kommersiellt passagerarflygplan av rimlig storlek skulle dock kräva ett batteri som väger ungefär en storleksordning mer än själva flygplanet. Batteridrift eliminerar dessutom fördelen med att flygplanet blir lättare i takt med att bränslet förbränns, vilket förbättrar effektiviteten ju längre flygningen fortskrider. Därför måste batteritekniken förbättras avsevärt innan helt elektriska kommersiella flygplan ens kan bli en möjlighet.
Under de senaste åren har det skett en kontinuerlig utveckling inom området för hybridelektriska drivsystem. Airbus har gjort stora investeringar i hybridteknik och samarbetar med Renault och STMicroelectronics för att driva utvecklingen framåt. Airbus”princip för hybridisering av flygplan” bygger på resursfördelning. Flygplanet växlar dynamiskt mellan olika energikällor, antingen i kombination eller var för sig, under flygningens gång. Airbus hävdar att företagets energihanteringssystem kommer att minska bränsleförbrukningen med upp till 5 % jämfört med konventionell teknik.
Detta är ett lovande steg framåt, men framsteg av denna omfattning kan uppenbarligen inte räcka för att lösa utsläppsproblemen inom flygsektorn.
Airbus har även deltagit i utvecklingen av”EcoPulse”, ett flygplan med distribuerad drivkraft och hybridelektrisk drift som utvecklats i samarbete med Daher och Safran. Konceptet visades upp på Paris Air Show 2023 och syftar till att lyfta fram fördelarna med distribuerad drivkraft för flygplanets prestanda. Distribuerad drivkraft innebär att dragkraftsbehovet fördelas mellan ett antal mindre motorer. Enligt Airbus möjliggör detta: ”förbättrad marsch-, start- och landningsprestanda; minskat kabinbuller tack vare bättre synkronisering mellan flera propellrar; samt ökade energibesparingar tack vare minskad stjärtyta och bättre flygplanskontroll”. Tekniken befinner sig fortfarande i ett mycket tidigt skede, och eftersom prototypen endast har ackumulerat 27 timmars flygtid har inga konkreta uppgifter om effektivitet offentliggjorts. Enligt Pascal Laguerre, teknisk chef på Daher, säger han dock: ”Utifrån detta demonstrationsprogram planerar vi att utveckla vår framtida produktplan och i princip fastställa specifikationerna för det hybridflygplan som vi avser att producera vid slutet av vår femårsplan. Vi räknar med att kunna erbjuda vårt första hybridflygplan på marknaden i slutet av 2027”.
Rolls-Royce har också utvecklat ett eget hybridelektriskt framdrivningssystem. De har tagit fram ett turbogeneratorsystem som består av en kompakt turbin med hög effekttäthet, avsedd för användning på marknaden för avancerad luftmobilitet (AAM) (till exempel kortdistansflygplan med upp till 19 sittplatser). Turbogeneratorsystemet kan producera mellan 500 kW och 1 200 kW, vilket är perfekt för de kortdistansapplikationer det är avsett för. Detta är dock fortfarande flera storleksordningar för litet för kommersiella långdistansflygningar.
Gas-till-vätska-teknik (GTL)
Som nämnts tidigare kan GTL-tekniken (Gas-to-Liquids) visa sig vara den mest genomförbara lösningen för större kommersiella flygplan. GTL-processen har utvecklats av Shell under flera decennier och består av tre steg. Först skapas en ”syntesgas”, som är en blandning av främst väte och kolmonoxid, bildad genom partiell oxidation av naturgas. Denna syntesgas genomgår sedan en katalytisk omvandlingsprocess, där den omvandlas till flytande kolväten. Slutligen kan konventionella kracknings- och isomeriseringstekniker användas för att skapa den önskade kolvätekedjan.
Marknaden för gas-till-vätska-teknik har vuxit under de senaste åren, med ett marknadsvärde på 14,8 miljarder dollar år 2022 och tillväxtprognoser som pekar på att branschen kommer att nå ett värde på 24,4 miljarder dollar år 2030. Den kommersiella flygindustrins ökande behov angavs som en avgörande faktor för dessa siffror. I takt med att regeringar och tillsynsmyndigheter ökar trycket på företagen inom flygsektorn att minska utsläppen blir GTL-tekniken en allt mer genomförbar lösning. Tekniska framsteg inom katalysatortillverkning och reaktorkonstruktion har lett till högre omvandlingsgrader och lägre investeringskostnader, vilket ökar den potentiella avkastningen för investerare. Shell har till exempel utvecklat en process för att 3D-printa den katalysator som krävs för GTL-omvandling. 3D-printade katalysatorer har potential att öka produktionshastigheten, minska råvarusvinnet och förbättra katalysatorns effektivitet genom att möjliggöra bättre kontroll över ämnets makroskopiska och mikroskopiska struktur.
Drift av GTL-processen
Trots denna utveckling är det största problemet med GTL fortfarande att hitta en hållbar energikälla för att driva processen. Även om kärnkraft är en kontroversiell fråga går det inte att förneka att dess extremt höga energitäthet vida överstiger den hos mindre kontroversiella konkurrenter som vind- eller solkraft. NIA publicerade nyligen en rapport där man konstaterar att Storbritannien har en ”gyllene möjlighet” att bli världsledande inom produktion av utsläppsfria syntetiska bränslen med hjälp av kärnenergi. Rapporten hävdar att dagens teoretiska modeller för framtida koldioxidutsläpp underskattar de potentiella fördelarna med en ökad användning av kärnenergi. I USA finansierar energidepartementet ett projekt på 20 miljoner dollar som leds av Oxeon Energy för att framställa syntetiska bränslen med hjälp av kärnenergi.
Kärnkraft har genomgående visat sig fungera och är inte väderberoende, vilket möjliggör den jämna effekt som krävs för att möta behoven inom den snabbrörliga flygindustrin. Dessutom kan både överskottsvärmen från reaktorn och den el som genereras av kärnenergin utnyttjas i GTL-processen, vilket avsevärt förbättrar effektiviteten. Utvecklingen av små modulära kärnreaktorer (SMR) av Rolls Royce lovar att ytterligare förbättra lönsamheten för kärnkraftsbaserad GTL-produktion, eftersom det kommer att göra det möjligt att installera flera anläggningar för produktion av syntetiskt bränsle över hela landet. SMR-reaktorer skulle kunna installeras vid varje större flygplats och därmed tillhandahålla både syntetiskt bränsle för flygplan samt el och värme till flygplatsen och den omgivande befolkningen.
I takt med att flygsektorn fortsätter att växa kommer trycket på branschens stora aktörer att öka att införa mer hållbara lösningar. Begränsningar i energitätheten innebär att kommersiella flygplan i sin nuvarande form sannolikt kommer att finnas kvar. SMR-reaktorernas skalbarhet och relativt låga kostnad innebär dock att de har potential att ge ett viktigt bidrag till en grönare framtid för sektorn.
Barker Brettell har en specialiserad grupp inom flyg- och rymdindustrin. Om du vill diskutera olika alternativ för att skydda din uppfinning är du välkommen att kontakta författaren eller din vanliga patentombud hos Barker Brettell.
”För att minska koldioxidutsläppen inom flygbranschen krävs det mer kreativa lösningar än bara effektivare flygplan”
