Tại sao SAF được kỳ vọng sẽ đóng vai trò lớn hơn trong quá trình khử cacbon trong ngắn hạn và trung hạn so với máy bay không phát thải

Tại sao SAF được kỳ vọng sẽ đóng vai trò lớn hơn trong quá trình khử cacbon trong ngắn hạn và trung hạn so với máy bay không phát thải

Tại sao SAF được kỳ vọng sẽ đóng vai trò lớn hơn trong quá trình khử cacbon trong ngắn hạn và trung hạn so với máy bay không phát thải

Khi ngành hàng không hướng tới mục tiêu đạt mức phát thải carbon ròng bằng 0 vào giữa thế kỷ, một điều rõ ràng là: nhiên liệu hàng không bền vững (SAF) được kỳ vọng sẽ là đòn bẩy khử cacbon chính. Những loại nhiên liệu này được ưa chuộng vì chúng có thể thay thế nhiên liệu phản lực hóa thạch với những thay đổi tối thiểu đối với hoạt động và cơ sở hạ tầng hàng không. Trong khi đó, máy bay không phát thải chạy bằng hydro hoặc điện - có thể hiệu quả hơn so với các loại máy bay chạy bằng nhiên liệu hóa thạch và không thải ra carbon dioxide hoặc chất gây ô nhiễm không khí trong quá trình vận hành - thường đóng vai trò thứ yếu trong lộ trình khử cacbon.

Bài viết này trình bày lý do tại sao SAF được dự đoán sẽ đóng vai trò hàng đầu trong quá trình khử cacbon của ngành hàng không. Trong khi đồng nghiệp của tôi gần đây đã giải thích những hạn chế hiện tại của máy bay không phát thải, bài viết này cũng đưa ra những cân nhắc về chính sách để hỗ trợ việc áp dụng chúng như một phần của phương pháp tiếp cận đa hướng hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng không.

Dễ dàng áp dụng và hiệu suất máy bay

Là một giải pháp thay thế "dễ dàng" cho nhiên liệu phản lực hóa thạch (Jet A), SAF rất dễ sử dụng trên máy bay ngày nay. Hầu hết các động cơ đều được chứng nhận sử dụng hỗn hợp 50% SAF và nhiên liệu phản lực hóa thạch mà không cần bất kỳ sửa đổi nào. Các động cơ máy bay mới hơn đang được chứng nhận sử dụng 100% SAF, và ngay cả đối với động cơ không được chứng nhận theo cách này, các chất thơm tổng hợp có thể được thêm vào để đảm bảo chuyến bay sử dụng 100% nhiên liệu SAF tương thích với máy bay.

Ngoài ra, việc sử dụng SAF—bất kể loại nào—đều không ảnh hưởng đến hiệu suất máy bay và không yêu cầu đầu tư vào cơ sở hạ tầng sạc điện, tiếp nhiên liệu hydro và lưu trữ hydro mới tại các sân bay vốn cần thiết cho máy bay không phát thải. Việc sử dụng hydro cũng đòi hỏi phải phát triển các quy trình an toàn mới liên quan đến việc xử lý, lưu trữ và phân phối. Đây là những nỗ lực tốn kém và có thể khó thực hiện.

Máy bay cần rất nhiều năng lượng để vượt qua lực hấp dẫn và lực khí động học cần thiết cho chuyến bay. Do đó, nguồn năng lượng cần phải nhẹ và nhỏ gọn để giảm thiểu những lực này. Như thể hiện trong Hình 1, nhiên liệu hydrocarbon lỏng, một thuật ngữ dùng để chỉ Jet A, SAF có nguồn gốc sinh học và nhiên liệu tổng hợp, có sự kết hợp hoàn hảo giữa năng lượng riêng (43 MJ/kg) và mật độ năng lượng (khoảng 34 MJ/lít) để sử dụng trên máy bay. Pin lithium-ion hiện tại ở cấp độ pin đạt 0,9 MJ/kg và 1,8 MJ/L, kém hơn nhiều so với nhiên liệu hydrocarbon lỏng về cả hai mặt. Mặc dù hydro có năng lượng riêng cao gần gấp ba lần nhiên liệu máy bay (120 MJ/kg), nhưng nó chiếm thể tích trên một đơn vị năng lượng cao hơn 4–7 lần (5–8,5 MJ/L), tùy thuộc vào phương pháp lưu trữ.

Do hiệu suất máy bay khiêm tốn có thể đạt được với các hệ thống động cơ điện hiện nay, máy bay điện chạy bằng pin dự kiến ​​sẽ chỉ giới hạn ở phân khúc máy bay đi lại của thị trường hàng không, chở 9 hành khách trong phạm vi dưới 100 dặm. Ngoài ra, máy bay tua-bin cánh quạt được cải tiến với động cơ pin nhiên liệu dự kiến ​​sẽ có số ghế ít hơn 26% và tầm bay ngắn hơn 15% so với máy bay chạy bằng nhiên liệu phản lực ban đầu. Máy bay đi lại và máy bay tua-bin cánh quạt chỉ chiếm một phần nhỏ trong toàn bộ thị trường hàng không. Động cơ đốt trong hydro có thể cung cấp năng lượng cho máy bay thân hẹp, nhưng bản chất cồng kềnh của hydro sẽ hạn chế lượng hydro có thể mang theo, dẫn đến giảm tầm bay của máy bay.

Tại sao máy bay không phát thải vẫn là mục tiêu dài hạn

Nếu SAF có những lợi thế rõ ràng như vậy về mặt triển khai và hiệu suất, tại sao lại phải cân nhắc các phương án thay thế? Câu trả lời là máy bay không phát thải mang lại lợi ích đáng kể về hiệu quả sử dụng tài nguyên, và điều đó rất quan trọng đối với quá trình khử cacbon. So với máy bay sử dụng nhiên liệu phản lực hóa thạch hoặc SAF, máy bay không phát thải cần khoảng một nửa đến một phần ba năng lượng để phục vụ cho mỗi kilomet chở khách. Chúng tôi ước tính rằng việc cải tạo máy bay khu vực bằng hệ thống động cơ pin nhiên liệu sẽ sử dụng ít hơn 30% năng lượng so với các phương án sử dụng nhiên liệu hydrocarbon. Ngoại lệ là máy bay đốt hydro, dự kiến ​​sẽ sử dụng nhiều hơn khoảng 10% năng lượng so với máy bay đốt nhiên liệu phản lực hoặc SAF.

Việc tiêu thụ tài nguyên không chỉ giới hạn ở việc sử dụng năng lượng, mà còn có thể có những tác động đáng kể đến việc sử dụng đất đối với SAF tùy thuộc vào nguyên liệu đầu vào được sử dụng để sản xuất nó. Ví dụ, một mẫu Anh đất được sử dụng để trồng ngô, nguyên liệu đầu vào cho SAF từ cồn thành nhiên liệu phản lực (ATJ), có thể sản xuất năng lượng nhiều hơn 30 lần nếu thay vào đó được sử dụng để khai thác năng lượng mặt trời. Một chuyến bay giữa sân bay Chicago O’Hare (ORD) và sân bay San Francisco (SFO) sẽ cần hơn 9 mẫu Anh đất để tiếp nhiên liệu bằng nhiên liệu ATJ ngô, trong khi máy bay chạy bằng hydro và e-kerosene sẽ cần chưa đến 1 mẫu Anh đất để cung cấp năng lượng cần thiết để hoàn thành cùng một chuyến bay (Hình 2). Nhiều phân tích đã chỉ ra rằng tình trạng hạn chế về đất trồng trọt làm hạn chế đáng kể tiềm năng trồng trọt 

SAF được kỳ vọng sẽ cung cấp một phần đáng kể nhu cầu nhiên liệu hàng không toàn cầu.

Với những trở ngại gần đây và nếu không có sự can thiệp chính sách tích cực, nhiều khả năng máy bay không phát thải sẽ đóng vai trò nhỏ hơn so với mức giảm phát thải carbon 13% được ghi nhận trong lộ trình không phát thải ròng Tầm nhìn 2050 trước đây của chúng tôi cho ngành hàng không, được công bố vào năm 2022. May mắn thay, có những phương pháp tiếp cận quy định có thể giúp thay đổi điều này. Ví dụ, quy định về Hàng không ReFuelEU bao gồm các điều khoản tính việc sử dụng hydro và điện vào các yêu cầu pha trộn SAF. Đây là một bổ sung đơn giản và hiệu quả cho chính sách SAF, giúp cho yêu cầu này trở nên trung lập về công nghệ và khuyến khích việc sử dụng hydro và điện trong hàng không. Việc điều khoản này không có trong hầu hết các yêu cầu khác đã được thực hiện là một cơ hội bị bỏ lỡ.

Ngoài ra, các chương trình hỗ trợ tài chính nhiều hơn như Quỹ Đổi mới của EU có thể được thành lập để hỗ trợ nghiên cứu và phát triển cũng như chi tiêu vốn ban đầu cho hàng không hydro và điện. Thật vậy, sự kết hợp chặt chẽ giữa các ưu đãi và quy định bắt buộc có thể tạo ra môi trường chính sách cần thiết để tăng cường áp dụng công nghệ không phát thải. Sự kết hợp này có thể giúp máy bay không phát thải vượt qua tình trạng hỗn loạn hiện tại và trở thành lựa chọn khả thi trong trung và dài hạn.