Ilmailun vaihtoehtoiset käyttövoimat

Traficomin teettämät selvitykset sähköisestä lentämisestä, vetylentämisestä ja biopohjaisista kestävistä lentopolttoaineista ovat tämän tilannekuvan lähteinä.
Fossiilisen polttoaineen korvaamiseen ilmailun käyttövoimana on käytännössä kolme vaihtoehtoa:

1. Sähkökäyttö akkujen ja sähkömoottorin avulla
2. Vedyn valmistaminen sähköllä ja sen käyttäminen polttoaineena joko perinteisessä polttomoottorissa tai polttokennossa sähkön tuottamiseen, jolla pyöritetään sähkömoottoreita
3. Biopolttoaineiden käyttö perinteisissä polttomoottoreissa

Sähköllä tuotettua vetyä voidaan myös jalostaa synteettiseksi polttoaineeksi, eli nk. sähköpolttoaineeksi, joka vastaa ominaisuuksiltaan biopolttoainetta ja sopii käytettäväksi perinteisissä polttomoottoreissa (joita myös suihkumoottorit ja muut kaasuturbiinimoottorit ovat). Erona on lähinnä se, että sitä ei ole tuotettu biopohjaisista raaka-aineista, vaan vedestä ja hiilidioksidista sähkön avulla.

Akkusähkö

Akkusähkö on periaatteessa tehokkain energiansiirtotapa verkkosähköstä lentokonetta eteenpäin työntäväksi voimaksi. Hyötysuhde lataussähköstä potkurin akselille voi olla yli 80 %. Ongelmana ainakin vielä nykyisellä akkuteknologialla on akkujen suuri paino suhteessa niiden energiasisältöön, mikä heikentää kokonaishyötysuhdetta kuljetettavan hyötykuorman suhteen. Jo noin 1000 km matkalla sähkölentokoneen koko kuljetuskyky menee sen omien akkujen kuljettamiseen, jolloin mukaan ei saada mitään hyödyllistä kuljetettavaa. Suhteessa hyötykuormaan sähkölentokone onkin energiatehokas tällä hetkellä vain muutamien satojen kilometrien lentomatkoilla. 

Sähkölentokoneille tarvitaan myös latausinfrastruktuuri kaikille niille lentokentille, joilta niillä aiotaan lentää, koska akkukapasiteetti ei oikein salli useita lentomatkoja lataamatta välissä.

Sähköisen lentämisen selvitys (Ulkoinen linkki)

Vety

Vety on painoonsa nähden energiatehokas polttoaine. Sitä ei kuitenkaan ole luonnosta saatavilla, joten vety on valmistettava esimerkiksi erottamalla sitä vedestä sähkön avulla. Tällöin vety on käytännössä vaihtoehtoinen sähkön varastointitapa akun sijasta. Vedyn tuottamisen hyötysuhde on selvästi heikompi kuin akun lataamisen hyötysuhde, mutta sitä voidaan jonkin verran parantaa, jos prosessissa syntyvä hukkalämpö voidaan käyttää hyödyksi esimerkiksi kaukolämpönä.

Vetyä voidaan käyttää polttoaineena perinteisessä polttomoottorissa tai polttokennossa, johon syötettävän vedyn ja hapettimen, kuten ilman, kemiallisessa reaktiossa syntyy sähköä, jolla voidaan käyttää sähkömoottoria. Polttokennon hyötysuhde on noin 50 %, kun polttomoottorin, kuten turbiini- tai mäntämoottorin, hyötysuhde on noin 35 %. Vedyn palamistuotteena syntyy vain vesihöyryä, kun perinteisen hiilivetypolttoaineen palamisessa syntyy vesihöyryn ohella myös hiilidioksidia ja nokipartikkeleita. 

Vety on normaaliolosuhteissa ilmaa kevyempi kaasu, jolloin se vaatii hyvin suuren tilavuuden, tai kokoon puristettuna hyvin korkean paineen. Pienimpään tilavuuteen vedyn saa nesteytettynä, mikä vaatii hyvin kylmän lämpötilan, alle -252,87 °C. Vedyn paineistaminen tai nesteyttäminen kuluttaakin runsaasti energiaa, mikä heikentää sen hyötysuhdetta energiavarastona entisestään. Nestemäisen vedyn varastoiminen on myös hankalaa, koska se ei pysy riittävän alhaisessa lämpötilassa ilman jatkuvaa jäähdyttämistä. Käytön aikana vety voidaan ottaa säiliöstä kaasumaisena, jolloin säiliöstä pois kiehuva vety pitää jäljellä olevan vedyn riittävän kylmänä pysyäkseen nestemäisessä muodossa, jos säiliön lämpöeristeet ovat riittävän hyvät.

Kohtuullisen hyvän energiatiheytensä ansiosta vety mahdollistaa selvästi pidemmät lentomatkat kuin akkusähkö. Vetysäiliöt vaativat nesteytetynkin vedyn tapauksessa kuitenkin noin nelinkertaisesti tilaa perinteisiin hiilivetypolttoaineisiin verrattuna, mikä heikentää lentokoneen kuljetuskykyä erityisen pitkillä lentomatkoilla. Vety onkin energiatehokas käyttövoima noin alle 5000 km lentomatkoilla.

Myös vety vaatii oman varastointi- ja jakeluinfransa lentokentille, mutta sen mahdollistaman pidemmän lentomatkan ansiosta vetykäyttöisille lentokoneilla on mahdollista lyhyillä matkoilla poiketa myös sellaisilla lentokentillä, joilla vedyn tankkausmahdollisuutta ei ole. Vety voidaan tuottaa paikallisesti lentoasemalla sähkön avulla vedestä, tai johtaa muualla tuotettu vety paikalle putkea pitkin. Vedyn nesteyttäminen on kuitenkin parasta tehdä mahdollisimman lähellä käyttökohdetta niin etäisyyden puolesta kuin ajallisestikin, johtuen nestemäisen vedyn varastoinnin kuluttamasta energiasta.

Vedystä ja hiilidioksidista voidaan myös syntetisoida hiilivetyjä, jotka pysyvät nestemäisessä muodossa normaalissa paineessa ja lämpötilassa, mikä helpottaa polttoaineen varastointia merkittävästi. Myös niiden energiatiheys on vastaava kuin fossiilisilla hiilivetypolttoaineilla ja on siten energiatehokkain vaihtoehto erityisen pitkillä lentomatkoilla. Tällaiset synteettiset polttoaineet pystytään valmistamaan kemialliselta koostumukseltaan pitkälti vastaaviksi, kuin perinteinen lentopetroli, dieselöljy, tai bensiini. Tämän ansiosta niitä voidaan käyttää sellaisenaan nykyisissä lentokoneissa, joskin tällä hetkellä vielä vain sekoitettuna fossiiliseen polttoaineeseen. Sekoitepolttoainetta varten ei tarvita lentokentille uutta jakeluinfraa.

Myös muiden synteettisten polttoaineiden, kuten ammoniakin tai metanolin tuottaminen on mahdollista. Niiden käyttö vaatisi kuitenkin lentokaluston ainakin osittaista uudelleensuunnittelua ja omaa jakeluinfraansa samoin kuin vedyn käyttö sellaisenaan, josta syystä nämä eivät ole kovin todennäköinen vaihtoehto.

Vetylentämisen selvitys (Ulkoinen linkki)

Biopolttoaineet

Biopolttoaineita voidaan valmistaa samalla menetelmällä kuin synteettisiä sähköpolttoaineitakin, jolloin lopputuote on ominaisuuksiltaan samanlaista ja sitä voidaan käyttää samalla tavoin tällä hetkellä vain sekoitettuna fossiiliseen polttoaineeseen ja nykyisin olemassa olevaa jakeluinfraa hyödyntäen. Erona on vain raaka-aineiden alkuperä. 

Erityisesti kestävästi tuotettujen biopolttoaineiden raaka-ainepohja on rajallinen ja tuotantoa ei voi määrättömästi kasvattaa siten, että se ei uhkaisi ruoantuotantoa tai luonnon monimuotoisuutta. Teoriassa kestävien biopolttoaineiden raaka-ainepohja voisi riittää lentoliikenteen fossiilisten polttoaineiden korvaamiseen, jos kaikki raaka-aine varattaisi vain lentoliikenteen käyttöön, eikä sen käyttöä muiden liikennemuotojen päästövähennysvelvoitteiden täyttämiseen sallittaisi. Ympäristön kannalta ei kuitenkaan ole suurta merkitystä sillä, käytetäänkö biopolttoaine fossiilisen polttoaineen korvaamiseen lentoliikenteessä, tieliikenteessä, meriliikenteessä, vai rautatieliikenteessä.

Biopohjaisten kestävien lentopolttoaineiden selvitys (Ulkoinen linkki)

Uusiutuvien polttoaineiden käyttö nykyisessä lentokalustossa

Tällä hetkellä lentopetrolin spesifikaatio  sallii  maksimissaan 50 % synteettisen tai biopolttoaineen sekoittamisen fossiilisen polttoaineen joukkoon. Tätä suurempi osuus on mahdollista sellaisissa lentokoneissa, jotka on erikseen sertifioitu suuremmalle uusiutuvan polttoaineen osuudelle. Tätä kirjoitettaessa ei ole olemassa yhtään suuremmalle uusiutuvan polttoaineen osuudelle sertifioitua konetyyppiä, mutta lentokoneen sertifiointiprosessi 100 % uusiutuvalle polttoaineelle on käynnissä ainakin yhdelle lentokonetyypille. Sertifiointeja on varmasti odotettavissa lisää EU:n jakeluvelvoitteen noustessa niin suureksi, ettei sen saavuttaminen ole enää helppoa alle 50 % seoksilla, eli viimeistään 2030 -luvulle tultaessa.