rfr · H10WRFR16 · 2014-04-02 00:00:00 — Utvecklingen av fordon, flygplan, fartyg och andra farkoster kommer också till slutsatsen att utvecklingen inom flygtekniken styrs av oljepris och en löpande kostnadsjakt. Åtgärder som exempelvis utsläppsrätter kan enligt rapporten i bästa fall skynda på utvecklingen, men rapporten citerar intresseorganisationen som menar att utvecklingen mot en mer effektiv flygplansflotta troligtvis ändå skulle äga rum.77 I rapporten flygtrafik? menar utredaren att flygplanstillverkarna tenderar att överdriva potentialen i framtida flygteknisk utveckling. Karyd menar att det finns ett stort antal tekniska utvecklingsspår, men att de drivkrafter som skulle kunna leda utvecklingen in på dessa spår, exempel- vis stigande bränslepriser eller märkbara utsläppsavgifter, till stor del saknas.78 menar att det bedöms vara mer kostnads- och energieffektivt att använda förnybara drivmedel inom andra transportslag än luftfart, då det ställs särskilt höga krav på jetbränsle. Även om det finns godkända förnybara flygbränslen är både kostnaden och energiåtgången fortfarande högre än för andra användningsområden för samma bränsle. Experterna lyfter dock fram att en gynnsam effekt av biobränslen kan vara att de kommer att erbjuda ett mer stabilt pris på drivmedel. Experterna menar att det finns bättre möjligheter att åstadkomma mer omfattande miljöförbättringar genom teknisk utveckling av flygplan och motorer än med hjälp av flygoperativa åtgärder. De menar däremot inte att man ska avstå från att genomföra effektiviseringar inom det flygoperativa området. Gröna inflygningar, bränsleoptimal fart och minskade flygvägsförlängningar är exempel på betydelsefulla åtgärder som om de genomförs kan ge snabba miljövinster. Dessutom kräver flygoperativa åtgärder inte att man väntar på utveckling av ny teknik på samma sätt. Flygtrafiktjänsten har dessutom stor 76Det franska parlamentet har låtit utföra en motsvarande undersökning om flyget de kommande 30 åren. I den pekar man framför allt på den utmaning som bränslekostnaderna utgör för flyget. Dessutom lyfter man fram ineffektivitet i flygtrafiken, flygplatsernas otillräckliga kapacitet samt civila drönare som framtida utmaningar. Office parlamentaire devaluation des chiox scientifiques et technologiques: Laviation civile: Présever lavance de la et de lEurope, 2013. 77Trafikverket: Vi far vidare! Utvecklingen av fordon, flygplan, fartyg och andra farkoster , 2012, s. 75–85. 78Arne Karyd: Fossilfri flygtrafik? Underlagsrapport till utredningen om fossiloberoende fordonsflotta, 2013, s. 1. betydelse för möjligheten till framtida tillväxt inom flyget, som annars kommer att möta en rad kapacitetsproblem. Det finns även inom flygtrafiktjänsten exempel på mer radikala åtgärder, som man inte bedömer kommer att tillämpas inom överskådlig tid. Lufttankning, formationsflygning och dockning till flygplan i ständig omloppsbana tillhör de mer visionära lösningarna. Utvecklingen av olika flygoperativa åtgärder leder ofta till olika avvägningar. Ett val är dock enkelt: säkerheten sätts alltid främst. Åtgärder som leder till minskad bränsleförbrukning är också okontroversiella, av såväl miljömässiga som ekonomiska skäl. Andra operativa beslut kräver däremot att man gör bedömningar och avvägningar mellan olika mål. Till exempel ställs ofta miljön mot kapaciteten och inte sällan prioriteras då den . Till exempel har man vid flygplatsen valt att maximera antalet landningar genom att lägga flygplan i vänteläge över flygplatsen, med stora utsläpp som följd. På samma sätt kan åtgärder för att minska buller över bebyggda områden leda till flygvägsförlängningar och ökade utsläpp. Det är inte heller ovanligt att olika miljömål ställs mot varandra. Det går till exempel att undvika kondensationsstrimmor genom att anpassa flyghöjden, men det kräver mer bränsle, vilket leder till ökade koldioxidutsläpp. menar att internationellt samarbete och långsiktighet är den bästa grunden för ett hållbart framtida flyg. Snabba förändringar är däremot ovälkomna i en sektor som redan karakteriseras av stor osäkerhet. Nationella regler bedöms inte ha någon mer betydande inverkan på det globala flyget. Kartläggning av kunskapsläget av teknikutvecklingen inom området flygplansmotorer : FLYGMOTORER 2013/14:RFR16 En av målsättningarna med den här rapporten är att ge läsaren en inblick i hur energiomsättningen i en flygmotor går till. Genom att dela upp processen i två steg där energin i bränslet först omsätts till en hastighetsökning i jetstrålarna och denna ökning i sin tur omsätts till nyttig framdrivning av flygplanet, kan läsaren plocka ett större antal lågt hängande förståelsefrukter. Höjdpunkter att se fram emot är att förstå varför det finns olika typer av flygmotorer, hur mycket mer bränsle det är möjligt att spara genom effektivisering, samt varför flygforskningen koncentrerar sina ansträngningar mot vissa typer av innovationer. Det inledande avsnittet diskuterar den grundläggande funktionsprincipen för en flygmotor samt förklarar hur energiomsättningen i motorn går till. I samband med detta beskrivs också de mest väsentliga delkomponenterna i en flygmotor och några ytterligare begrepp förs in. Avsnittet avslutar med en diskussion om de olika flygmotortyper som finns i drift och hur effektiviten i motorer historiskt utvecklats. Rapportens andra del, emissionsavsnittet har tre mål: 1) förklara hur flygmotorer certifieras med avseende på emissioner 2) redogöra för hur den CO2-certifiering som växer fram är tänkt att fungera 3) ge en god och tämligen detaljerad bild av flygets miljöbelastning. Tillväxttakten i CO2- utsläpp från flyget diskuteras och rapporten visar att flygets emissioner har växt marginellt snabbare än mänsklighetens totala CO2- utsläpp. Det har tillväxttakten från flyget varit avsevärt lägre än den totala tillväxttakten. Övriga emissionstyperoch deras miljöpåverkan diskuteras också och rapporten gör ett försök att sammanfatta forskningsområdet med så aktuell information som möjligt. Det sista avsnittet i rapporten beskriver framtida möjligheter till energieffektivisering och diskuterar innovationer som kan bidra till att accelerera förbättringstakten. Diskussionen kompletteras med en värdering av teknikrisk och teknikmognadsgrad för de olika koncepten. diskuteras också kortfattat möjligheter för svensk industri att delta utvecklingen av framtida flygmotorer. Arbetet har utförts i enlighet med beställning DNR 97-2013/14. 2013/14:RFR16 6. Den grundläggande principen för en flygmotor, illustrerad i Figur 1, består i att omvandla energi kemiskt bunden i flygbränslet till dragkraft och nyttig framdrivningseffekt. Energin frigörs och blir tillgänglig för den inkommande luftströmmen genom att flygbränslet förbränns. Därigenom kan luftströmmens rörelseenergi ökas vilket leder till att en reaktionskraft uppkommer. Denna reaktionskraft driver i sin tur flygplanet framåt. Figur 1 – en flygmotors arbetsprincip För att förstå hur omvandlingen av kemiskt bunden energi till nyttig framdrivningseffekt kan göras så effektiv som möjligt behövs ytterligare några begrepp. Det visar sig att processen kan delas upp i två steg, en första process som omvandlar kemiskt bunden energi till ökad rörelseenergi i luftflödet och en efterföljande process som relaterar hur mycket nyttig framdrivningsenergi som fås ur den tillgängliga rörelseenergin. Det första steget kan tillskrivas en termisk verkningsgrad och det efterföljande en framdrivningsverkningsgrad. Tillsammans bestämmer dessa båda verkningsgrader motorns totala verkningsgrad. Termodynamiska studier visar att en förutsättning för att nå en hög verkningsgrad är att förbränningen i brännkammaren sker vid ett högt tryck. I en flygmotor uppnås tryckökningen genom att luften strömmar igenom ett antal kompressorer i vilka trycket stiger. Dessa benämns fläkt, mellantryckskompressor (MTK) och högtryckskompressor (HTK) och är illustrerade i Figur 2. Att trycksätta luft kräver naturligtvis att energi tillförs i form av arbete, vilket turbinerna i motorn levererar. Se komponenterna högtrycksturbin (HTT), mellantrycksturbin (MTT) och lågtrycksturbin (LTT) i Figur 2. Figuren illustrerar också schematiskt hur kompressorerna är mekaniskt sammankopplade med turbinerna. I detta speciella fall, en tre-axlig motor, drivs fläkten av lågtrycksturbinen, mellantryckskompressorn av mellantrycksturbinen och högtrycksturbinen av högtryckskompressorn. Ju högre tryck man komprimerar till desto större blir det arbete som förloras i kompressorer och turbiner genom strömningsförluster. vet vi ju nu från termodynamiken att det är bra att komprimera till höga tryck så att förbränningen kan göras vid högt tryck och temperatur. Detta leder i praktiken till att det för en given motortekniknivå finns ett bästa tryckförhållande, : FLYGMOTORER 2013/14:RFR16 det vill säga förhållandet mellan luftens tryck när det strömmar in i motorn, och trycket när luften strömmar ut ur den sista kompressorkomponenten. För högre eller lägre tryckförhållanden försämras alltså den termiska verkningsgraden. Figur 2 – modern flygmotor (turbofläktmotor). Mellankompressor (MTK), högtryckskompressor (HTK), högtrycksturbin (HTT), mellantrycksturbin (MTT), Lågtrycksturbin (LTT) Som framgår av Figur 2 så delas luften i en turbofläktmotor upp i två strömmar, en varm ström som går igenom hela motorns kärna och strömmar ut i kärnmunstycket och en kall ström som trycksätts i fläkten och sedan strömmar ut i bypassmunstycket. I flygmotorsammanhang kallas relationen mellan den luftmassa som strömmar ut i bypass-munstycket och den som strömmar ut i kärnmunstycket för motorns bypassförhållande. För att uppnå nyttig dragkraft från en flygmotor måste alltså strålhastigheterna i utloppsmunstyckena vara större än inströmningshastigheten. går överskottsenergi i luftstrålen förlorad om luftens hastighet är större än flyghastigheten, och dessa energiförluster växer snabbare än nyttodragkraften. Det blir därför energimässigt gynnsamt att konstruera en motor som ger en liten nettoökning i hastighet, det vill säga endast något större än flyghastigheten. Detta innebär dock att dragkraften per kilo luft blir låg och att man måste kompensera med ett större luftflöde för att uppnå tillräcklig dragkraft för flygplanets behov. När motorns luftflöde och storlek ökar, ökar självfallet även dess vikt. Därutöver tillkommer också extra strömningsförluster då motorns strömningsmotstånd ökar med dess tvärsnittsarea. Detta leder i praktiken till att det för en given motortekniknivå finns ett bästa bypassförhållande och motormassflöde för vilken man når den bästa framdrivningsverkningsgraden. Den tänkta tvåstegsprocess som beskriver hur energin tillgänglig i flygbränslet först omvandlas till ökad rörelseenergi hos motorns utloppsstrålar och därefter hur strålenergin omvandlas till nyttig framdrivningsenergi sammanfattas i Figur 3 nedan.Ett alternativt sätt att kvantifiera en flygmotors effektivitet är att mäta hur mycket dragkraft som motorn genererar för ett givet bränsleflöde, den så kallade specifika bränsleförbrukningen. 2013/14:RFR16 6. fortsätta diskussionen kommer både energibetraktelser och specifik bränsleförbrukning att användas. Figur 3 – grafisk illustration av energiomsättningen i en flygmotor : FLYGMOTORER 2013/14:RFR16 a – turboprop(1) b – okapslad turbofläkt (2) 2013/14:RFR16 6. c – civil turbofläkt (3) d – militär turbofläkt (4) e – turbojet (5) Figur 4 – flygmotortyper ordnade i stigande energitillförsel till utloppsstrålarna. : FLYGMOTORER 2013/14:RFR16 Utöver turbofläktmotorn, som dominerar civilt passagerar- och transportflyg så finns ytterligare ett antal motortyper. Med bakgrunden av vad vi redan diskuterat är det lämpligt att kategorisera dessa motortyper efter hur mycket extra rörelseenergi de tillför luften. Huvudtyperna, som återfinns i Figur 4, är i stigande grad av energitillförsel: turboprop (4a), okapslad turbofläkt (open rotor, 4b), turbofläkt med måttlig energitillförsel (civil turbofläkt, 4c), turbofläkt med hög energitillförsel (militär turbofläkt, 4d) samt turbojetmotor (4e). För att kvantifiera den tillförda rörelseenergin används också ofta begreppet specifik dragkraft, det vill säga dragkraft per kg luftflöde. Figur 4 kan därför även ses som en rangordning i specifik dragkraft. Självklart kan man exempelvis konstruera en turbojet med mycket låg specifik dragkraft eller en turboprop med avsevärt högre specifik dragkraft än normalt. Figur 4 ska uppfattas som en klassificering av väl avvägda konstruktioner som närmar sig bästa prestanda för den givna motortypen. Eftersom den specifika dragkraften relaterar till utloppsstrålens hastighet så bestämmer denna även vilken motortyp som är mest lämpad för en given flyghastighet. Därför blir turboprop-motorer mest effektiva för de lägre fartregionerna medan turbojetmotorer blir nödvändiga för att nå riktigt höga hastigheter. Flygning på marschhöjd för civila passagerar- och flygtransporter sker av ljudhastigheten, beroende på att flygplanets strömningsmotstånd snabbt ökar för högre flyghastigheter. Vilken hastighet detta motsvarar beror på luftens temperatur vid den aktuella flyghöjden, men för en typisk flyghöjd motsvarar detta /h. För denna flyghastighet lämpar sig turbofläktmotorn bäst, även om den okapslade turbofläktmotorn har potential att bli avsevärt effektivare för samma flyghastighet och ytterligare mer effektiv för en marginellt lägre flyghastighet. I motsats till de övriga flygmotortyperna så har den okapslade turbofläktmotorn inte tagits i kommersiell drift för civila transport- och passagerarflygplan. utvärderades motortypen i ett flertal prov (6), (7), och demonstrerade en avsevärd potential till förbättrad energieffektivitet. Vikande bränslepriser, utmaningar med bullernivå och teknikrisk ledde dock till att motortypen inte togs i bruk. Utvecklingen av batteri- och bränslecellsteknik har pågått . När det gäller batterier drivs tekniken på av det stora behovet att hitta energitäta lösningar för el- och hybridbilar. Historiskt har utvecklingstakten av energitäthet varit måttlig och i ett längre perspektiv ligger förbättringstakten . Flygbränsle är fortfarande, beroende på vad som definieras vara state-of-the-art när det gäller batterier, 50-100 gånger energitätare. Med utgångspunkten i historisk utvecklingstakt är det inte troligt att batterier som kan mäta sig med energitätheten i flygbränsle blir tillgängliga under detta sekel. Det är naturligtvis förknippat med stora osäkerheter att bedöma vilken batteri- och bränslecellsteknik som kommer att vara tillgänglig t.ex. , men branschen verkar mana till försiktighet när det gäller förväntningar(8). För att t.ex. nå de bränslebesparingar som anger för sitt 2013/14:RFR16 6. Volt-koncept har det antagits att energitäthetenkommer att förbättras tre till fyra gångerpå ungefär (9). Då måste förbättringstakten ungefär tredubblas i jämförelse med den historiska förbättringstakten, och dessutom måste denna utvecklingstakt upprätthållas i två decenniers tid. Detta antagande kan i bästa fall ses som mycket optimistiskt. Förutom utmaningarna med energitäthet är flygtillämpningar dessutom behäftade med höga säkerhetskrav, livslängdskrav och krav på laddningsbarhet. Bränsleceller når en liknande nivå på energieffektivitet som batterier (9), och är därför inte heller, , sannolika kandidater som huvudenergikälla för kommersiell passagerartransport(9). Däremot kan batterier och bränsleceller successivt leta sig in i flygtillämpningar t.ex. genom att ersätta hjälpkraftaggregat (APU). Tidiga jetmotorer var mycket ineffektiva i jämförelse med konkurrerande kolvmotorer (10). Den avsevärt ökade tillförlitligheten i kombination med kapaciteten att radikalt öka flyghastigheterna ledde dock snabbt till att jetbaserade motorer tog över. Sedan den kommersiella jetdriva passagerartransporten lanserades, har teknik för att avsevärt förbättra den termiska verkningsgraden och framdrivningsverkningsgraden införts. Detta har lett till avsevärda förbättringar i bränsleekonomi, vilket framgår av Figur 5. Figur 5 – historiska trender i specifik bränsleförbrukning. Modifierad från (11) Förbättringar i termisk verkningsgrad har uppnåtts bland annat genom att tryckförhållandet i motorn ökats, från lite över 10 till närmare 50. Detta har möjliggjorts genom en mängd tekniska framsteg nödvändiga för att en sådan kraftig ökning ska kunna utnyttjas fullt ut. Exempelvis har förbättrade verk- : FLYGMOTORER 2013/14:RFR16 ningsgrader i turbiner och kompressorer inneburit direkta förbättringar genom minskade strömningsförluster men också indirekt genom att göra motorer med höga tryckförhållanden mer effektiva. Bladkylning i turbinerna tillåter att de varmaste komponenterna körs flera hundra grader över materialets smältpunkt. Med sådan teknik ökar det mest bränsleekonomiska tryckförhållandet kraftigt. Nya effektiva motorer kan nå termiska verkningsgrader på . Förbättringar i framdrivningsgrad har uppnåtts genom att motorer med allt högre massflöde, högre bypassförhållande och lägre fläkttryckförhållande har konstruerats. Högre temperaturer i turbinerna har drivit upp effekttätheten i kärnflödet vilket tillåter att ett större bypassförhållande kan användas. Lättviktsteknik har möjliggjort att mycket större motorer kan konstrueras utan att viktsökningar äter upp de fördelar som kan nås. Dagens flygmotorer kan nå framdrivningsverkningsgrader på . Sammantaget, har de ovan beskrivna förbättringarna lett till att bränsleförbrukningen på motornivå reducerats till av vad de var när jetdriven kommersiell trafik inleddes. I resterande delar av denna rapport ska vi nu först fundera på vilka emissioner en gasturbin har och hur dessa påverkar miljön. Därefter ska vi fundera på hur långt vi på lite kan tänka oss nå när det gäller energieffektivitet. 2013/14:RFR16 6. Emissionerna från en flygmotor domineras av vattenånga och koldioxid då dessa är slutprodukter vid en fullständig förbränning av flygbränsle. Dessutom genereras mindre mängder av kväveoxider, kolmonoxid och oförbrända kolväten samt beroende på bränslets renhet små mängder av svaveloxider. Moderna flygmotorer har tämligen begränsade utsläpp av sot och oförbrända kolväten och dessa emissioner berörs därför inte närmare i denna rapport. Processen återges kvalitativt i Figur 6. Figur 6 – en flygmotors emissioner(12) För att certifiera en flygmotor krävs att motorn uppfyller ett antal miljökrav. Riktlinjer för certifiering tas fram av CAEP () vilken är del av (). är i sin tur ett FN-organ som bildades . De rekommendationer som fastställs av CAEP och måste därefter antas av de certifierande instanserna; i och i FAA. finns certifieringskrav på kväveoxider men även på kolmonoxid, oförbrännda kolväten och sot. När det gäller CO2 finns det inga certifieringskrav, men sådana är nu under utveckling vilket diskuteras nedan. Certifieringskrav: kväveoxider, oförbrända kolväten och kolmonoxid Utvecklingen av certifieringskraven när det gäller kväveoxider har framförallt drivits på av att begränsa miljöpåverkan lokalt kring flygplatser. Allt strängare krav har införts . För att mäta en motors utsläpp av kväveoxider används den så kallade Landing and Take-Off-cykeln (LTO- cykeln), vilken illustreras i Figur 7. Motorcertifieringen genomförs i provbänk men provpunkterna har valts för att representera typisk flygning i en flygplats närområde. : FLYGMOTORER 2013/14:RFR16 Figur 7 – LTO-cykeln (12) Motorns uppmätta utsläpp vägs alltså samman från fyra punkter: Inflygning: där motorn körs av full dragkraft Marktomgång: av full dragkraft Start: med full dragkraft Stigning: dragkraft. Mätningarna korrigeras till ett referenstillstånd, det vill säga en föreskriven temperatur, luftfuktighet och tryck.Mängden emissioner normeras med dragkraften för att ta hänsyn till variationer i motorstorlek och jämförs sedan mot certifieringskraven. I figur 8 nedan återges de succesivt mer strikta krav som infört när det gäller kväveoxider. Figur 8 – NOx-mängd genererad i referens-LTO-cykeln per dragkraftsenhet. Motorer för 80- tals, 90-tals och 00-talstekniknivå. 2013/14:RFR16 6. De svarta kurvorna i Figur 8 representerar de kväveoxidgränser som CAEP definierat vid de olika formella möten gruppen hållit. För att behålla översiktligheten har endast certifieringsgränser för motorer med dragkraft större än 89 kN återgivits i figuren. Eftersom motorers tryckförhållande i praktiken korrelerar med flamtemperaturen i brännkammaren och därigenom mängden bildade kväveoxider, tillåts högre gränser för högre tryckförhållanden. Notera också i sammanhanget att motorer med högre tryckförhållande har potential att nå högre termisk verkningsgrad och bättre effektivitet. För oförbrända kolväten och kolmonoxid används fixa gränser i genererad mängd för referens-LTO-cykeln, /kN respektive /kN. Under CAEP:s senaste arbetsperiod, det vill säga har de inledande stegen till en koldioxidcertifiering tagits. presenterades huvuddragen för en mätprocedur (13). Metriken baserar sig på att tre punkter från ett tungt lastat, normalt lastat och ett lätt lastat flygplan vägs samman. Vad som åsyftas med tungt, normalt och lätt lastat definieras i relation till flygplanets maximala startvikt. De tre punkterna vägs linjärt samman baserat på en normaliserad bränsle-förbrukning per kilometer. Normaliseringen tar hänsyn till flygplanets storlek genom en faktor vilken baserar sig på längden av den trycksatta kabinen och dess maximala bredd. Dessutom kommer flygplanets maximala startvikt att användas för att skala det resulterande effektivitetsmåttet. Flygplanstillverkarna kommer att få välja flyghöjd och hastighet för de tre certifieringspunkterna, vilket bör leda till att punkter med minimal bränsleförbrukning per kilometer väljs. Ansatsen att certifiera motorer i tre punkter har naturligtvis valts för att undvika att tillverkare optimerar ett flygplan endast för en driftpunkt. Att detta är nödvändigt är uppenbart då långa uppdrag regelmässigt innebär att flyghöjd anpassas till flygplanets vikt, allteftersom bränsle förbrukas och flygplanet blir lättare. Möjligen kan man kritisera förslaget i dess nuvarande form då valet av denna metrik innebär att motorer med hög framdrivningsverkningsgrad inte fullt ut kompenseras för de förbättringar i bränsleförbrukning som de medför. Sådana motorer har extra god prestanda under start och stigning då flygfarterna är lägre än på marschhöjd och planflykt. För långa flyguppdrag är detta mindre viktigt då en dominerande del av bränsleförbrukningen sker på marschhöjd och planflykt. För kortare uppdrag kan däremot en betydande del av bränslet förbrukas vid lägre flyghastigheter. Då är motorer med hög framdrivningsverkningsgrad, som till exempel okapslade turbofläktmotorer speciellt effektiva, vilket då inte helt fångas upp av denna metrik. Tyvärr är framtagandet av förslaget till certifiering försenat. förväntar sig nu att förslaget är fullt tillgängligt snarare än slutet av 2013 som tidigare förväntades. Standarden kommer att appliceras för typcertifikat för nya flygplanstyper eller 2023. Eftersom nya flygplan normalt inte kommer i drift förrän fyra till efter att typcertifikat : FLYGMOTORER 2013/14:RFR16 ansöks riskerar detta att leda till att den nya CO2-standarden inte börjar tilllämpas till 2028. Eftersom ledtiderna för flygforskning och utveckling är mycket långa behöver inte denna tröga process leda till att teknikutveckling och framsteg fördröjs. Detta kräver dock att den CO2-standard som kommer fram leder till en någorlunda tuff kravbild, vilken frammanar en rimlig nivå av tekniskt risktagande för branschen. I rapporten and the Global Atmosphere (14), presenterades en sammanhängande värdering av flygets miljöpåverkan. Det mått som användes för detta arbete och som även dominerar diskussioner kring flygets klimatpåverkan är RadiativeForcing (RF), vilket på svenska översätts med strålningsdrivning.