Проблемы целеполагания развития мировой гражданской авиации в области защиты окружающей среды
Е.В. Варюхина, Национальный исследовательский центр «Институт им. Н.Е. Жуковского», В.В. Клочков, Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
На сегодняшний день мировым сообществом гражданской авиации сформированы цели по снижению удельной эмиссии углекислого газа на 2% в год и по снижению общей эмиссии даже при росте спроса на услуги гражданской авиации. Однако резервы сокращения эмиссии традиционными способами близки к исчерпанию. Необходимо комплексно учитывать все аспекты авиационной деятельности, включая разработку, производство, эксплуатацию и утилизацию воздушных судов, и полный жизненный цикл топлив, которые используются во всех процессах жизненного цикла воздушного судна. Неверно рассматривать влияние гражданской авиации на окружающую среду и климат, в частности, вызываемое ею увеличение парникового эффекта, изолированно от других сфер народного хозяйства. Наконец, авиацию не следует рассматривать лишь как загрязнителя окружающей среды. Возможно, применение авиации в различных отраслях позволит значимо сократить объемы вредных выбросов. В данной работе предложены новые принципы постановки целей развития международной гражданской авиации в области защиты окружающей среды с учетом перечисленных соображений.
Ключевые слова: гражданская авиация, целеполагание, защита окружающей среды, эмиссия загрязняющих веществ, жизненный цикл изделия, альтернативные виды топлива, парниковый эффект, углекислый газ, топливная эффективность.
Problems of goal setting for the development of world civil aviation in the field of environmental protection
E.V. Varyukhina, 'National research center «N.E. Zhukovsky Institute»; V.V. Klochkov, Trapeznikov Institute of Control Sciences Russian Academy of Sciences
To date, the global civil aviation community has set goals to reduce specific emissions by 2%per year and to reduce overall carbon dioxide emissions, even with an increase in demand for civil aviation services. However, the reserves for reducing emissions by traditional methods are close to being exhausted. It is necessary to take into account all aspects of aviation activities, including the development, production, operation and disposal of aircraft, and the full life cycle of fuels that are used in all processes of the aircraft's life cycle. It is incorrect to consider the impact of civil aviation on the environment and climate, and, in particular, the increase in the greenhouse effect caused by it, in isolation from other spheres of the national economy. Finally, aviation should not be viewed as just a polluter of the environment. Perhaps the use of aviation in various industries will significantly reduce the amount of harmful emissions. This paper proposes new principles for setting goals for the development of international civil aviation in the field of environmental protection, taking into account these considerations.
Keywords: civil aviation, goal setting, environmental protection, emissions, product lifecycle, alternative fuels, greenhouse effect, carbon dioxide, fuel efficiency.
Долгосрочные цели мировой гражданской авиации в области защиты окружающей среды
Поскольку традиционно рассматривается вредное воздействие авиации на окружающую среду (в виде эмиссии вредных веществ, шума на местности и звукового удара), столь же традиционно ставятся цели его минимизации. В свою очередь, они принимают форму сокращения или хотя бы ограничения суммарного объема выбросов гражданской авиации (здесь и далее, без ограничения общности, вредное воздействие сводится к выбросам, эмиссии), а также сокращения удельной эмиссии в расчете на единицу транспортной работы или иной продукции/услуг авиационной деятельности - включая авиационные работы и нетранспортные услуги (обычно объединяемые термином ПАНХ -применение авиации в народном хозяйстве).
Введем следующие условные обозначения:
ЕГА - суммарная эмиссия вредных веществ (определенных видов) непосредственно со стороны гражданской авиации, тонн;
еГА - удельная эмиссия со стороны гражданской авиации (здесь для упрощения рассматривается усредненная удельная эмиссия, хотя в реальности она зависит и от типа воздушного судна, ВС, и от конкретной его миссии, даже от фазы полета), тонн в расчете на летный час или единицу транспортной работы;
qГА - объем работы гражданской авиации (авиаперевозок или авиационных работ и услуг ПАНХ), выраженный в соответствующих единицах - летных часах, пассажиро- или тонно-километрах, гектарах обработанных сельхозугодий и т.п.
То есть
Цели развития гражданской авиации в области защиты окружающей среды устанавливаются на международном уровне, в рамках ИКАО (International Civil Aviation Organization, ICAO). Также возможны национальные и даже локальные нормы и требования, более жесткие (но никогда не менее), чем универсальные.
Механизмы формирования целей развития международной гражданской авиации в области защиты окружающей среды таковы. В рамках ИКАО за это отвечает Комитет по охране окружающей среды от воздействия авиации (Committee for Aviation Environmental Protection, CAEP) [1]. САЕР является техническим комитетом Совета ИКАО, учрежденным в 1983 году. CAEP помогает Совету в разработке новой политики и принятии новых стандартов и рекомендуемых практик (SARPs), связанных с шумом и выбросами воздушных судов, а также в более общем плане с воздействием авиации на окружающую среду.
CAEP проводит специальные исследования по запросу Совета. Его сфера деятельности охватывает шум, качество местного воздуха и комплекс мер по сокращению выбросов парниковых газов международной гражданской авиацией. CAEP информирует Совет и Ассамблею ИКАО о глобальных тенденциях в области защиты окружающей среды, оценивает настоящее и будущее воздействие авиационного шума и выбросов авиационных двигателей. Глобальные тенденции (т.е. принятые профессиональным сообществом прогнозы и научные взгляды на воздействие авиации на окружающую среду и климат) имеют решающее значение для работы ИКАО, поскольку они служат надежным единым ориентиром для обоснованного обсуждения и принятия решений. Совет рассматривает и принимает рекомендации CAEP, включая поправки к рекомендованным практикам, и, в свою очередь, отчитывается перед Ассамблеей ИКАО, где, в конечном счете, и определяются основные направления политики ИКАО в области охраны окружающей среды.
В настоящее время в САЕР рассматриваются и критически пересматриваются следующие долгосрочные амбициозные цели мировой гражданской авиации в области защиты окружающей среды:
1. Ежегодное сокращение средней удельной эмиссии мировой гражданской авиации на 2%. На рис. 1 показаны результаты прогнозирования глобального потребления топлива в международной гражданской авиации с 2005 по 2040 гг. с последующей экстраполяцией до 2050 года Метрические тонны на рисунке равны тоннам.. Прогноз изменения потребления топлива [2] учитывает вклад развития авиационной техники (воздушных судов - ВС и авиадвигателей), совершенствования организации воздушного движения и более рационального использования инфраструктуры (т.е. эксплуатационные усовершенствования) для сокращения потребления топлива.
Рис. 1. Потребление авиационного топлива международной авиацией, 2005-2050 гг.
На рисунке жирным пунктиром показано предполагаемое потребление топлива, если будет достигнута желательная цель 2 %-ного ежегодного повышения топливной эффективности. Оно продолжает возрастать, поскольку рост объема перевозок гражданской авиации, как ожидается, превысит 2% темп (с которым убывает удельная эмиссия). Из этих графиков видно, что такая цель не обеспечивает сокращения или хотя бы невозрастания общего объема потребления авиатоплива и, соответственно, эмиссии углекислого газа, которая пропорциональна объемам сжигаемого углеводородного топлива.
2. Углеродно-нейтральный рост (Carbon-Neutral Growth, CNG), который рассматривается как «фундаментальная веха на пути к безуглеродному будущему авиации». Суть этой цели в том, что прекращается рост нетто-эмиссии СО2 от авиации, даже если спрос на услуги гражданской авиации продолжает расти:
что в принципе достижимо лишь при условии опережающего (рост объема авиационных работ и услуг) сокращения удельной эмиссии:
Таким образом, достижение CNG призвано «уравновесить рост вклада авиационного сектора в мировую экономику и решение неотложной проблемы противодействия изменению климата» [3].
В свою очередь, цель сокращения удельной эмиссии может достигаться несколькими путями, включая:
• совершенствование авиационной техники (ВС и авиадвигателей), обновление парка ВС с заменой на более экономичные модели;
• совершенствование эксплуатационных процедур - организации воздушного движения, процессов обслуживания ВС в аэропортах (включая оптимизацию использования вспомогательных силовых установок, процедур руления и буксировки - например, без использования собственных двигателей ВС) и их функционирования, и т.п.;
• использование альтернативных видов топлива, обладающих пониженной удельной эмиссией углекислого газа, в том числе «устойчивых авиационных топлив» (Sustainable Aviation Fuel, SAF - в том же смысле, что и в термине «устойчивое развитие», т.е. производимых только из возобновляемых или неисчерпаемых природных ресурсов и источников энергии - например, биотоплив, либо водорода, полученного, в свою очередь, с использованием «зеленой» энергетики, и т.п.), а также «авиационных топлив с пониженным содержанием углерода» (Low Carbon Aviation Fuel, производимых из исчерпаемых природных ресурсов, но с применением «зеленых» технологий);
Проблема в достижении хотя бы таких целей (насколько они действенны, обсуждается ниже) состоит в том, что традиционные пути сокращения удельной эмиссии - за счет повышения топливной экономичности авиационной техники - уже близки к исчерпанию. На рис. 2 приведен тренд сокращения удельного (в расчете на пассажиро-километр) расхода топлива гражданских самолетов, где по вертикали показано, сколько процентов от удельного расхода топлива первого реактивного пассажирского самолета, британского Comet 4, составляет удельный расход топлива различных самолетов [4]. Тренд снижения удельного расхода топлива современными гражданскими самолетами показывает, что современные технологии достигли участка насыщения соответствующих S -образных кривых, подробнее см. [5].
И даже 2%-е ежегодное сокращение удельного расхода топлива на долговременных интервалах не удастся сохранить по естественным физическим причинам. Тем более неясно, как достичь снижения удельного расхода, опережающего рост объемов авиационных работ и услуг. Резервы сокращения эмиссии за счет совершенствования эксплуатационных процедур, организации воздушного движения, наземного обслуживания ВС, довольно значительны - можно сократить расход топлива за рейс и соответствующий объем эмиссии на десятки процентов. Но и они не безграничны.
Рис. 2. Тренды сокращения удельного расхода топлива гражданских самолетов, % от удельного расхода Comet 4
Таким образом, возрастает актуальность альтернативных путей сокращения удельной эмиссии - перехода к альтернативным топливам и энергоносителям, новым типам силовых установок, в т.ч. без тепловых двигателей. Однако уровень готовности соответствующих технологий пока не позволяет рассчитывать на их массовое внедрение в гражданской авиации. Тем более это касается крупных ВС, выполняющих основной объем авиаперевозок.
Ставшие очевидными проблемы с достижимостью вышеописанных долгосрочных целей заставляют критически их пересматривать. Насколько они достижимы, а также результативны, именно с точки зрения защиты окружающей среды? И насколько продуктивен сам принцип минимизации объема выбросов гражданской авиации, суммарного и удельного? Необходимо критически осмыслить принципы целеполагания в области воздействия авиационной деятельности на окружающую среду и климат. Систематизируем основные требования, которые следует предъявлять к целям развития авиации и авиастроения в части защиты окружающей среды, а также к самой методологии целеполагания.
Обеспечение действенности поставленных целей с точки зрения конечного результата - защиты окружающей среды
Если исходить из того, что цели в области защиты окружающей среды должны способствовать сокращению вредного воздействия гражданской авиации на окружающую среду и климат, тогда достижение этих целей должно приводить к значимым улучшениям (или, по крайней мере, не ухудшению) их состояния. При постановке перед авиационным сектором целей в области защиты окружающей среды необходимо прослеживать их ожидаемую результативность, действенность до конца, до интегральных показателей - например, показателей изменения климата или качества атмосферы.
Строго говоря, влияние авиации на окружающую среду реализуется по многим каналам, систематизированным, например, на рис. 3 (на основе источника [6]). То есть эмиссия парниковых газов, в т.ч. со стороны гражданской авиации, влияет на климат. В то же время известно, что доля мировой гражданской авиации в общей антропогенной эмиссии СО 2 составляет не более 2-3% (около 2% по данным [7], 2,4% по данным [8]), однако дает 32% от прироста в последние годы. В свою очередь, антропогенные источники СО2 ответственны лишь за 3-4% его эмиссии [9]. Оценивая соотношение между антропогенной и природной составляющими в потоке СО2 в атмосферу, следует отметить, что природная составляющая примерно в 25-30 раз больше антропогенной. Более того, естественный поток СО 2 между природными системами меняется от года к году, причем, этот поток в 20-30 раз больше среднего человеческого вклада. В то же время в долгосрочном плане он сбалансирован, в отличие от антропогенной эмиссии.
Рис. 3. Схематическое представление влияния вредных веществ, выделяемых при авиационной деятельности, на климат и благополучие людей
Природная составляющая потока СО2 в атмосферу компенсируется природными же процессами, поглощающими углекислый газ - тогда как антропогенная составляющая, даже относительно малая, пока таких противовесов не имеет (хотя некоторые предложения на этот счет будут раскрыты далее).
Исследования влияния выбросов парниковых газов на климат, исследования самих глобальных изменений климата, в т.ч. содержащие динамические модели, весьма обширны и многочисленны. До настоящего момента нет абсолютного консенсуса в отношении:
• самой антропогенной природы наблюдаемых изменений климата;
• возможности сократить предполагаемые глобальные изменения климата (или даже обратить их) при условии прекращения антропогенного воздействия, поскольку, даже если деятельность человека действительно способствовала выводу крупномасштабной системы из равновесия, нет гарантии, что прекращение воздействия позволит ей вернуться в прежнее равновесие. Например, один человек в самом деле может нечаянно вызвать лавину, однако прекращение соответствующих неосторожных действий не всегда позволит вернуть всё в прежнее состояние (и даже значительных усилий может быть недостаточно хотя бы для остановки лавины).