ZEROe

ZEROe — это программа разработки коммерческих авиалайнеров с нулевым уровнем выбросов углекислого газа, инициированная европейской авиастроительной корпорацией Airbus. Программа была официально анонсирована 21 сентября 2020 года. Основная цель проекта — создание первого в мире коммерческого самолёта с нулевым углеродным следом к 2035 году. В качестве альтернативного источника энергии для силовых установок рассматривается водород, который может использоваться как в топливных элементах для выработки электроэнергии, так и в качестве топлива для сжигания в газотурбинных двигателях.

История и предпосылки

Программа ZEROe стала ответом Airbus на глобальные вызовы декарбонизации авиационной отрасли. Авиация, по данным Международной ассоциации воздушного транспорта (IATA), ответственна за 2–3% мировых выбросов CO₂. В 2020 году, на фоне пандемии COVID-19 и снижения авиаперевозок, европейские регуляторы и промышленность усилили давление на авиастроителей с целью разработки экологически чистых технологий. Airbus, будучи одним из крупнейших производителей авиатехники, объявил о трёх концептуальных моделях самолётов, работающих на водороде.

В 2021 году Airbus запустил программу испытаний водородных топливных элементов на базе платформы A380 MSN001 (F-WWOW). В 2022 году компания сообщила о завершении первого этапа наземных испытаний водородного двигателя на основе турбовентиляторного двигателя CFM International LEAP. В 2023 году Airbus объявил о сотрудничестве с рядом европейских аэропортов (включая Париж-Шарль-де-Голль, аэропорт Штутгарта и аэропорт Хитроу) для разработки инфраструктуры заправки водородом.

Концептуальные модели

В рамках программы ZEROe было представлено три концептуальных самолёта, находящихся на разных стадиях проработки. Все они рассчитаны на использование водорода в качестве основного источника энергии.

С турбовентиляторными двигателями (Turbofan)

Этот концепт представляет собой самолёт традиционной компоновки с двумя турбовентиляторными двигателями, работающими на водороде. Вместо керосина в камере сгорания сжигается газообразный водород. Вместимость — до 200 пассажиров, дальность полёта — около 3700 км. Водород хранится в криогенных баках (при температуре около −253 °C) в задней части фюзеляжа. Для размещения баков потребовалась модификация хвостовой части самолёта.

С турбовинтовыми двигателями (Turboprop)

Концепт турбовинтового самолёта рассчитан на 100 пассажиров и дальность до 1850 км. Он предназначен для региональных и ближнемагистральных маршрутов. Водородные баки расположены в задней части фюзеляжа, а двигатели — на крыле. Данный тип самолёта рассматривается как наиболее реалистичный для первого внедрения водородных технологий, учитывая меньшие требования к объёму топлива и инфраструктуре.

Концепт «летающее крыло» (Blended Wing Body)

Самый футуристический концепт — самолёт, выполненный по схеме «летающее крыло» (Blended Wing Body, BWB). Вместимость — до 200 пассажиров, дальность — около 3700 км. Водородные баки в этой схеме размещаются внутри широкого фюзеляжа, что позволяет оптимизировать аэродинамику и увеличить полезный объём. Концепт BWB считается наиболее сложным в реализации, но потенциально наиболее эффективным с точки зрения снижения лобового сопротивления и расхода топлива.

Технологические аспекты

Хранение водорода

Ключевой проблемой водородной авиации является хранение топлива. Водород имеет низкую объёмную плотность энергии: для обеспечения той же дальности, что и у керосинового самолёта, требуется в 4–5 раз больший объём баков. Airbus рассматривает два способа хранения:

• Газообразный водород — под давлением до 700 бар. Требует прочных и тяжёлых баллонов, что увеличивает массу самолёта.
• Жидкий водород — при температуре −253 °C. Требует криогенных баков с высокоэффективной теплоизоляцией. Жидкий водород имеет более высокую плотность энергии, чем газообразный, но его хранение сопряжено с испарением (кипением) и сложностью заправки.

Airbus выбрал жидкий водород как основной вариант для ZEROe, так как он позволяет достичь приемлемой дальности полёта.

Силовые установки

Программа предусматривает два типа силовых установок:

• Водородные газотурбинные двигатели — модифицированные турбовентиляторные или турбовинтовые двигатели, в которых вместо керосина сжигается водород. Основная проблема — образование оксидов азота (NOx) при горении водорода при высоких температурах. Airbus и его партнёры (в частности, CFM International) работают над конструкцией камер сгорания, снижающей выбросы NOx.
• Водородные топливные элементы — электрохимические генераторы, преобразующие водород в электричество. Электричество питает электродвигатели, вращающие винты. Топливные элементы не производят CO₂ и NOx, но имеют ограниченную мощность и требуют значительного объёма для размещения. Airbus рассматривает их как вспомогательный источник энергии (например, для работы систем самолёта на земле) или как основной для малых самолётов.

Инфраструктура

Для коммерческой эксплуатации водородных самолётов требуется создание сети производства, хранения и заправки водородом в аэропортах. Airbus участвует в проектах по разработке стандартов заправочной инфраструктуры (например, Hydrogen Airport Refueling Ecosystem — HARE). В 2023 году компания объявила о планах по созданию демонстрационного центра водородной инфраструктуры в аэропорту Тулуза-Бланьяк (Франция).

Критика и вызовы

Программа ZEROe сталкивается с рядом серьёзных критических замечаний и технологических вызовов:

• Энергетическая эффективность. Производство «зелёного» водорода (методом электролиза с использованием возобновляемой энергии) требует значительных затрат электроэнергии. КПД цепочки «электричество → водород → сжигание в двигателе» ниже, чем у прямого использования электричества в аккумуляторных самолётах (для малых дальностей).
• Безопасность. Водород — взрывоопасный газ, а жидкий водород требует сложной криогенной инфраструктуры. Аварии на водородных заправочных станциях и в лабораториях (например, взрыв на водородной станции в Норвегии в 2019 году) вызывают опасения.
• Стоимость. Разработка водородных самолётов и инфраструктуры требует многомиллиардных инвестиций. По оценкам экспертов, стоимость билетов на водородные рейсы может быть на 30–50% выше, чем на традиционные.
• Сроки. Многие аналитики (включая Международное энергетическое агентство) сомневаются, что коммерческий водородный самолёт появится к 2035 году, учитывая текущий уровень зрелости технологий хранения и заправки.
• Альтернативы. Развитие аккумуляторных электрических самолётов (например, Eviation Alice, Heart Aerospace ES-30) и синтетического топлива (e-fuels) может составить конкуренцию водородной авиации, особенно на коротких маршрутах.

Текущий статус (на 2024 год)

По состоянию на 2024 год программа ZEROe находится на стадии концептуальной проработки и наземных испытаний. В 2023 году Airbus завершил серию испытаний водородного топливного элемента мощностью 1,2 МВт на стенде в Оттобрунне (Германия). В 2024 году компания объявила о начале лётных испытаний демонстратора водородного двигателя на базе самолёта A380 (F-WWOW). Ожидается, что первый полёт демонстратора состоится в 2026 году. Решение о запуске полноценной программы разработки серийного самолёта планируется принять до 2027–2028 годов.

Источники

• Airbus. «ZEROe: Towards the world’s first zero-emission commercial aircraft». Официальный сайт Airbus, 2020–2024.
• IATA. «Fact Sheet: Climate Change & CORSIA». 2023.
• International Energy Agency (IEA). «Global Hydrogen Review 2023». 2023.
• CFM International. «Airbus and CFM to test hydrogen combustion technology». Пресс-релиз, 2022.
• «Airbus A380 to test hydrogen engine». FlightGlobal, 2023.
• «Hydrogen aviation: challenges and opportunities». Nature Energy, 2022.