Đường hàng không là nguồn gây ra khí nhà kính (như khí dioxitcarbon) gia tăng với tốc độ nhanh nhất và là nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu.
Với số lượng 16.000 máy bay thương mại của thế giới trên toàn cầu đã tạo ra hơn 600 triệu tấn dioxitcarbon (CO2) hàng năm. Thực tế, ngành hàng không đã tạo ra khối lượng khí CO2 hàng năm tương đương với lượng khí CO2 được sinh ra bởi tất cả các hoạt động của con người ở châu Phi.
Vì vậy ICAO (Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế) kêu gọi đến năm 2050 cải thiện được 2% hiệu quả nhiên liệu hàng năm, phấn đấu từ năm 2020 đạt được mục tiêu trung hạn về lượng phát thải carbon của ngành hàng không và tiêu chuẩn toàn cầu CO2 đối với động cơ máy bay vào năm 2013.
Trong nỗ lực thu hẹp khoảng cách với ngành công nghiệp, năm 2007 IATA đã công bố tầm nhìn đối với ngành hàng không để đạt được sự tăng trưởng carbon trung bình tiến tới tương lai carbon-free với chiến lược bốn trụ cột dựa vào đầu tư công nghệ, cơ sở hạ tầng và điều hành hiệu quả, các biện pháp kinh tế tích cực.
Năm 2009, các thành viên của IATA cam kết đạt được ba mục tiêu là cải thiện trung bình 1,5% hiệu quả nhiên liệu hàng năm đến năm 2020, từ năm 2020, tỷ lệ tăng trưởng carbon trung bình đạt được mức phát thải ròng và giảm một nửa mức phát thải ròng vào năm 2050 so với năm 2005.
Ngành công nghiệp hàng không toàn cầu thống nhất với cách tiếp cận này và thỏa thuận trên đã đưa ngành hàng không đi đầu trong lĩnh vực công nghiệp trong việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính.
"Chiến lược bốn trụ cột và các mục tiêu không chỉ là các cam kết của ngành hàng không. Toàn bộ ngành công nghiệp hàng không: các hãng hàng không, sân bay, các nhà cung cấp dịch vụ không lưu hàng không và các nhà sản xuất đã thực hiện một cam kết chung mà đã được Tổng thư ký Liên hợp quốc Ban Ki-moon hoan nghênh và xem như là một hình mẫu cho các ngành khác.”
Quá trình tiến tới một ngành hàng không xanh hơn đã đạt được một số thành tựu và người ta đang tiếp tục nghiên cứu để phát triển các công nghệ.
Pin nhiên liệu tiên tiến và công nghệ hydro hứa hẹn sẽ giảm bớt khí thải CO2. Pin nhiên liệu và nhà máy năng lượng hydro đã được thử nghiệm và bây giờ năng lượng đã có thể được sản xuất trong bộ điện dự phòng khẩn cấp, thay thế cho tuabin không khí RAM trên máy bay. Các bước tiếp theo sẽ liên quan đến hoạt động của hệ thống pin nhiên liệu nhỏ để tạo ra năng lượng điện.
Đội máy bay mà phần lớn các nước trên thế giới hiện nay đang sử dụng được chế tạo bởi hai nhà sản xuất lớn là Boeing và Airbus. Lượng nhiên liệu tiêu thụ của mỗi loại máy bay phụ thuộc chủ yếu vào loại động cơ và model máy bay.
Những yếu tố khác tác động đến tỷ lệ nhiên liệu đốt cháy bao gồm:
- Chế độ bảo dưỡng máy bay
- Công suất nhiên liệu thích ứng (Adapted fuel capacity)
- Sự thay đổi thiết kế (thân hoặc cánh).
- Máy bay tiếp dầu Tankering (là cách tiếp nhiên liệu thông thường tại một sân bay). Tỷ lệ lượng nhiên liệu được đốt cháy của các loại máy bay khác nhau.
a) Phát triển công nghệ
Kể cả trong tương lai ngành hàng không cũng không thể tránh khỏi sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Bởi vậy cách để tăng hiệu quả nhiên liệu của máy bay là phải giảm trọng lượng và cải thiện khí động lực học, thiết kế động cơ của máy bay và phát triển động cơ tiết kiệm nhiên liệu. Việc thực hiện được những mục tiêu trên sẽ đem lại lợi ích nhiều mặt cho ngành hàng không. Những nỗ lực trên trong vài thập kỷ qua đã đạt được những bước tiến vững chắc. Tuy nhiên giữa việc phát triển công nghệ và ứng dụng công nghệ vẫn còn một khoảng cách khá lớn.
Đối với các hãng hàng không, một trong những mối quan tâm được ưu tiên hàng đầu là lượng nhiên liệu tiêu thụ vì giới hạn lợi nhuận trong hoạt động hàng không rất nhỏ và giá nhiên liệu thì ngày càng tăng trong khi giá vé máy bay thì phải giảm để bảo đảm tính cạnh tranh. Trong khi nhiều hãng hàng không chuyển sang sử dụng các loại máy bay mới, tiết kiệm nhiên liệu hơn hoặc chỉnh sửa máy bay để tăng hiệu quả nhiên liệu thì nhiều loại máy bay cũ, tiêu thụ năng lượng ít hiệu quả vẫn được sử dụng vì niên hạn sử dụng của máy bay chở khách khá dài (khoảng 30 năm).
Theo số liệu năm 2005 của ICAO, nhiên liệu chiếm 20% tổng số chi phí hoạt động của máy bay. Cả các nhà sản xuất máy bay và động cơ đều đang theo đuổi việc phát triển công nghệ để giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ xuống mức tối thiểu.
Hiện chưa có tiêu chuẩn chứng nhận về hiệu quả nhiên liệu đối với ngành hàng không dân dụng.
Từ khi máy bay phản lực được đưa vào sử dụng đã chứng minh sự phát triển của công nghệ động cơ và khung máy bay đã mở ra xu hướng cải thiện hiệu quả nhiên liệu tích cực. Tuy nhiên các công nghệ tiên tiến hơn vẫn đang được nghiên cứu để phát triển xu hướng này.
Airbus là công ty máy bay lớn đầu tiên nhận được chứng chỉ ISO 14001. Với dự án máy bay có thể tái chế, Airbus đang hướng tới chỉ tiêu 85% vật liệu của một máy bay có thể tái chế. Họ cũng đã đặt ra mục tiêu năm 2020 giảm 50% lượng phát thải CO2 và 80% lượng NOx.
Để đạt được các mục tiêu trên, Airbus đã tiến hành các thử nghiệm với nhiên liệu thay thế trên máy bay A380 và đang tập trung sâu vào nhiên liệu sinh học. Hiện A380 là loại máy bay thương mại rộng rãi nhất, tiết kiệm nhiên liệu nhất và gây tiếng ồn ít nhất
Lượng nhiên liệu tiêu thụ của máy bay A380 là dưới ba lít/ hành khách/ 100km trong khi đó một chiếc xe hạng trung tiêu thụ khoảng 5,3 lít với khoảng cách tương tự. Người ta đã phải trải qua một quá trình nghiên cứu, thử nghiệm lâu dài để đạt tới sự tiết kiệm nhiên liệu vượt bậc này. Trong vòng 40 năm qua, ngành công nghiệp hàng không đã giảm được 70% lượng nhiên liệu sử dụng.
b) Phát triển động cơ
Phát triển động cơ yêu cầu một sự cân bằng phát thải giữa nhu cầu hoạt động (hiệu quả nhiên liệu) và nhu cầu regulatory (NOx, CO, khói và HC). Việc cân bằng phát thải này cũng phải bảo đảm các mục tiêu vận chuyển an toàn, tin cậy, chi phí và tiếng ồn. Tăng ứng suất cao hơn đối với động cơ là một trong những lựa chọn của các nhà sản xuất được sử dụng để cải thiện hiệu quả động cơ. Ứng suất cao làm tăng nhiệt độ của không khí được sử dụng để đốt cháy trong động cơ, làm tăng phát thải NOx. Ứng suất cao hơn hiện tiếp tục là xu hướng để phát triển động cơ, đồng thời có thể yêu cầu các kỹ thuật kiểm soát NOx để đảm bảo duy trì tiêu chuẩn NOx.
c) Phát triển máy bay
Mục tiêu cải thiện hiệu quả động cơ cũng có thể đạt được thông qua cải tiến khung máy bay, cũng như cải tiến động cơ.
Máy bay phản lực dân dụng hiện đại nhất có cánh máy bay được cơ giới hóa ở mức thấp và được truyền động bởi 2 hoặc 4 động cơ quạt turbo ở phía dưới cánh. Loại máy bay này tiết kiệm được 70% lượng nhiên liệu tính trên 1 hành khách-km so với 40 năm trước.
Tỷ lệ tiết kiệm này đạt được phần lớn là nhờ cải tiến động cơ, phần còn lại là do cải tiến thiết kế khung máy bay. Cấu hình máy bay hiện tại đã được cải tiến rất nhiều nhưng vẫn cần tiếp tục cải thiện.
Trong giai đoạn tới đây, các vật liệu composite nhẹ sẽ được sử dụng cho phần lớn cấu trúc của máy bay, hứa hẹn giảm được đáng kể khối lượng của máy bay và đem lại lợi ích trong việc đốt cháy nhiên liệu.
Việc sử dụng composite, ví dụ trên máy bay Boeing 787 (đang trong giai đoạn thử nghiệm) sẽ có thể làm giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ tới 20%.
Những phát kiến khác, như sử dụng các cánh máy bay nhỏ, thiết bị điều khiển luồng không khí ở thân máy bay và giảm trọng lượng đã được các nhà sản xuất nghiên cứu và có thể giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ tới 7%.
Tuy nhiên việc ứng dụng trên thực tế còn gặp nhiều hạn chế, ví dụ trên chặng bay ngắn, lượng nhiên liệu bổ sung để đốt cháy do trọng lượng của cánh máy bay nhỏ sẽ không còn mang tính tiết kiệm.
Nhìn một cách dài hạn, một vài nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể cần phải có một cấu hình mới cho máy bay để có một bước thay đổi trong việc sử dụng năng lượng hiệu quả. Khái niệm máy bay thay thế như blended wing bodies hoặc high aspect ratio/low sweep configuration aircraft designs thiết kế máy bay có thể đem lại khả năng tiết kiệm nhiên liệu lớn. blended wing body (flying wing) không phải là một khái niệm mới và về mặt lý thuyết nó có triển vọng giảm đáng kể lượng nhiên liệu đốt, ước tính khoảng 20-30% so với máy bay thông thường có cùng kích thước, tải trọng (GbD, 2001; Leifsson and Mason, 2005).
Công nghệ Laminar flow (giảm khung máy bay drag bằng việc kiểm soát lớp ranh giới boundary layer) sẽ có thêm tác dụng tạo hiệu quả về mặt khí động lực cho khung máy bay, đặc biệt cho máy bay tầm xa. Công nghệ này cho phép mở rộng lớp ranh giới phẳng của luồng không khí tĩnh trên cơ cấu khí động lực.
Gần đây, những hệ thống này đã là chủ đề cho các công việc nghiên cứu tuy nhiên phải cần thêm nhiều thời gian mới được áp dụng vào thực tế. Công nghệ này có thể cho phép nhiên liệu đốt giảm 10-20% (Braslow, 1999).
Năm 2001, nhóm công nghệ GbD (Xanh hơn bằng công tác thiết kế) của Hội Hàng không hoàng gia đã xem xét những khả năng công nghệ tương lai cho sự phát triển dài hạn của công nghiệp hàng không và các lợi ích có thể về mặt môi trường. Những khái niệm được xem xét bao gồm cấu hình máy bay thay thế như blended wing body và laminar flying wing, và việc sử dụng bộ phát điện quạt unducted (roto mở
Nghiên cứu đã kết luận rằng những loại máy bay này có thể cho phép giảm đáng kể lượng nhiên liệu đốt so với thiết kế máy bay thông thường có cùng tải trọng.
Phát thải cả NOx và CO2 có thể giảm thêm nhờ khung máy bay tiên tiến và hệ thống đẩy cho phép giảm nhiên liệu đốt.
Trong hệ thống đẩy, rotor mở cho phép giảm đáng kể lượng nhiên liệu đốt qua động cơ quạt turbo được sử dụng đặc trưng cho máy bay phản lực chở khách hiện nay. Tuy nhiên tốc độ máy bay bị giảm dưới tốc độ máy bay phản lực do giới hạn tốc độ đầu cánh quạt và vì vậy công nghệ này chỉ phù hợp với đường bay ngắn và trung bình, khi yêu cầu về tốc độ không phải là điều quan trọng nhất.
Chiều dài đường bay trung bình toàn cầu năm 2005 là 1239 km (ICAO 2006) và có nhiều chuyến bay có khoảng cách ít hơn con số trung bình này rất nhiều. Tuy nhiên, tiếng ồn rotor từ những thiết bị này có thể cần được kiểm soát để bảo đảm nằm trong giới hạn cho phép.
Tóm lại, phát triển công nghệ khung và động cơ máy bay, giảm trọng lượng thông qua việc sử dụng cấu trúc composite tiên tiến, giảm sức kéo, đặc biệt bằng việc ứng dụng công nghệ kiểm soát laminar flow, hứa hẹn giảm được nhiên liệu đốt cho ngành hàng không trong tầm nhìn dài hạn. Những phát triển này sẽ chỉ được ngành công nghiệp hàng không chấp nhận khi nó chứng minh được các lợi thế so với các sản phẩm hiện tại và đáp ứng yêu cầu an toàn và tiêu chuẩn tin cậy./.
(Còn tiếp)
