POLITECNICO DI TORINO
A.A. 2023/2024
Gestione dei rischi, costi e supporto logistico integrato dei
sistemi aerospaziali
Impatto Ambientale di un Boeing
777-200LR in Missione
Studente:
Felicia Molinaro
Matricola:
s315772
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Report emissioni gestione dei rischi, Esercizi di Gestione della Qualità
Report emissioni gestione dei rischi polito
Tipologia: Esercizi
2022/2023
1 / 24
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POLITECNICO DI TORINO
A.A. 2023/
Gestione dei rischi, costi e supporto logistico integrato dei
sistemi aerospaziali
Impatto Ambientale di un Boeing
777-200LR in Missione
Studente:
Felicia Molinaro
Matricola:
s
Indice
1 Introduzione
Secondo i dati rilasciati dall’Air Transport Action Group, il settore dell’aviazione produrrebbe circa il 2% delle emissioni di CO 2 prodotte dall’attivita umana a livello globale (3% di quelle in Europa). Secondo i dati dell’Agenzia Europea dell’Ambiente, nel 2016 il 13% delle emissioni di CO 2 era dovuto al settore dei trasporti. Le automobili rappresenterebbero il 72% delle emis- sioni totali del settore, mentre gli aerei ne rappresenterebbero il 13,40%, restando comunque il mezzo di trasporto piu inquinante.
Le emissioni degli aeromobili dipendono principalmente dalla combustione del cherosene. I prodotti comprendono circa il 70% di anidride carbonica (CO 2 ), poco meno del 30% di va- pore acqueo (H 2 O) e meno dell’1% di altre emissioni, che includono ossidi di azoto (N Ox), monossido di carbonio (CO), ossidi di zolfo (SOx), idrocarburi, particolato volatile, etc. Diversi di questi componenti sono classificati come gas serra GHG, con l’anidride carbonica che risulta essere il pi`u significativo. I gas serra intrappolano il calore nell’atmosfera terrestre, portando a un aumento complessivo delle temperature globali, il che potrebbe disturbare il clima.
Nel dicembre 2019 la Commissione Europea ha presentato il Green Deal, con l’obiettivo della decarbonizzazione, cioe il raggiungimento della neutralita carbonica in tutti i settori e negli stati membri dell’UE entro il 2050. Per l’aviazione, questo obiettivo e ancora piu ambizioso perch`e non basterebbe soltanto mi- gliorare l’efficienza dei motori ma anche adottare nuovi carburanti sostenibili (SAF).
Lo scopo di questo elaborato `e di studiare gli impatti ambientali di un velivolo subsonico durante lo svolgimento della missione.
2 Boeing 777-200LR
Il velivolo scelto `e il Boeing 777-200LR che monta due motori turbofan GE90-115B.
Figura 1: Un Boeing 777-200LR della Emirates
Questo modello e progettato per servire su rotte estremamente lunghe (ultra-long-haul flights) come Los Angeles-Singapore o Dallas-Tokyo. Nel 2006 (entrata in servizio) divenne il jet commerciale con l’autonomia piu ampia del mon- do, con un capacit`a di collegare ogni coppia di punti sulla superficie del globo, superato successivamente dall’A380.
2.2 Descrizione Motore
Il GE90-115B fa parte della famiglia di motori aeronautici turbofan ad hygh-bypass costruiti da GE Aerospace per il Boeing 777, con valori di spinta che vanno da 81. 000 a 1 15. 000 libbre- forza ( 360 a 510 kN ). E anche il motore pi`` u efficiente in termini di consumo di carburante e di rumore e, oltre a offrire la spinta piu elevata, si prevede che fornira alle compagnie aeree un miglioramento del 5-6% nel consumo di carburante, una riduzione dell’inquinamento acustico e emissioni di N Ox inferiori del 33% rispetto agli attuali motori a grande rapporto di diluizione.
Figura 3: GE90-115B
BPR (By-Pass-Ratio) 7 , 1 OPR (Overall-Pressure-Ratio) 42 , 2 Rated Thrust 513 , 9 kN
Si nota come il rapporto di by-pass (rapporto tra portata di aria fredda e portata di aria calda) sia elevato, questo vuol dire che gran parte della spinta e fornita dalla ventola e una parte dal core del motore, cio dimostra ulteriormente la maggiore efficienza di questo motore rispetto ai competitor.
2.3 Scelta carburante
Il carburante utilizzato e il Jet A-1, a base di cherosene. Questo carburantee il piu utilizzato in aviazione, principalmente nei motori a turbina, come quelli degli aerei commerciali e militari. Il Jet A-1e composto da una miscela di idrocarburi raffinati, principalmente alifatici, naftenici e aromatici e conferiscono al carburante un alto potere calorifico.
Uno degli aspetti piu importanti del Jet A-1e il suo basso punto di congelamento (− 47 ◦) il che lo rende ideale per voli ad alta quota. Tra i vantaggi di questo carburante c’e quello di fornire alta efficienza e sicurezza in volo, controllo delle impurita, resistenza alla degradazione e una combustione pulita, per evitare la formazione di depositi nei motori e garantire prestazioni affidabili.
Durante le varie fasi della missione la portata di fuel m˙f varia in base alla manetta, e quindi alla spinta richiesta.
Take-Off Climb Approach Idle m ˙f [kg/s] 4 , 69 3 , 67 1 , 13 0 , 38
2.4 Profilo di missione
Come profilo di missione si e scelto un volo intercontinentale Dubai-Montreal, della durata di circa 13 ore, con crociera di circa 11 ore. La missionee suddivisa principalmente in 10 fasi, per ognuna di queste si e calcolato il tempo di durata (con l’ausilio anche di Flight Radar) e la manetta utilizzata, in modo tale da poter capire il consumo di fuel per ogni fase e quindi la quantita di composti emessa.
Figura 4: Profilo di missione - Eurocontrol
Figura 6: Profilo missione B77-200LR
Durante la combustione del cherosene con aria vengono prodotte specie proporzionali alla quantit`a di carburante bruciato (CO 2 , H 2 O, SOx,etc.) altre che dipendono dalla manetta, quindi in base a come si utilizza il motore (N Ox, HC).
Dal DataBank dell’ICAO sono stati ricavati i valori degli indici di emissione per i componenti non proporzionali al fuel flow, ottenuti a sea-level.
Decollo Salita Approccio Idle EIHC [kg/s] 0,04 0,03 0,06 4, EICO [kg/s] 0,08 0,07 1,98 39, EIN Ox [kg/s] 50,34 35,98 16,5 5,
Gli HC sono idrocarburi non bruciati, parte delle molecole non si sono combinate, per esem- pio per mancanza di ossigeno. CO e HC si trovano ad alte concentrazioni a basse spinte, quando la temperatura dell’aria e bassa e l’atomizzazione del combustibile e il mixing sono poco efficienti. Dall’altro lato gli N Ox sono maggiori a spinte piu alte.
2.5 Emissioni in LTO
Il ciclo LTO `e un ciclo fittizio prescritto dall’ICAO, formato da: Take-Off, Climb, Landing e Approach/Taxi. Con i dati forniti dal DataBase dell’ICAO si ricavano le emissioni dei vari componenti in LTO. Sono presenti componenti non proporzionali al fuel bruciato (HC,CO,N Ox) e proporzionali (CO 2 ,H 2 O,SOx), per questi ultimi ipotizziamo gli indici costanti:
- CO 2 pari a 3160 g/kg;
- H 2 O pari a 1240 g/kg;
- SOx pari a 0,6 g/kg.
Tramite Excel sono state rappresentate le emissioni in kg nelle fasi principali del LTO, ipo- tizzando come durata di ogni fase: 0 , 7 min per la fase di Take-Off, 2 , 2 min per la fase di Climb, 4 min per la fase di Approach e 25 min per la fase di Landing e Taxi (come descritto dall’ICAO). La formula utilizzata per ricavare le emissioni in kg `e:
Emissionsi,k = EIi · wf uel,i · tk (1)
dove:
- EIi: l’indice di emissione della i-esima fase in LTO riportati a sea-level, espresso in g/kg;
- wf uel,i: la quantit`a di fuel consumata al secondo nell’i-esima fase di LTO, espressa in kg/s;
- tk: durata fase i-esima espressa in secondi.
Figura 7: GE90-115B Emissioni in LTO
2.6 Emissioni in missione
Tramite il Toolbox di Matlab Curve Fitter sono stati importati i 4 punti, sono stati esclusi gli ultimi due punti e poi i primi due e sono state ricavate delle linee di tendenza utilizzando come punti gli indici di emissione EI e il flusso di carburante m˙f uel nelle varie fasi di volo ottenuti dal Database delle Emissioni dell’ICAO per il motore GE90-115B.
Queste curve servono per poter applicare il metodo del flusso di carburante di Boeing, per prevedere gli indici di emissione per qualsiasi valore intermedio arbitrario del flusso di car- burante.
La figura mostra i risultati dell’adattamento delle curve. Come suggerito da Boeing e da altri autori in letteratura, per EIHC ed EICO, `e opportuno adottare un adattamento lineare a tratti.
Figura 9: Andamento sostanze principali prodotte dalla combustione
In seguito sono riportate le relazioni di adattamento delle curve ottenute per questo esempio:
EIHC (wf ) =
w− f 3 ,^7212 · 10 −^0.^9574 wf < 1 , 43
- 03 wf ≥ 1 , 43
EICO(wf ) =
w− f 2 ,^7375 · 100 ,^442 wf < 3 , 8 0 , 0098 wf + 0. 034 wf ≥ 3 , 8
EIN Ox (wf ) = 9, 7546 wf + 2, 9334 (2)
Per ottenere gli indici di emissione di sostanze non proporzionali e stato utilizzato il Boeing Fuel Flow Method 2. Questoe un metodo semi-empirico che calcola gli indici di emissioni in volo come funzione della portata di carburante, condizioni atmosferiche e di velocit`a. Il metodo utilizza dati noti, riducendo a sea-level le caratteristiche di flight level, in questo caso il fuel flow. Il metodo segue i seguenti step:
- Riduzione fuel flow in volo a quello sea-level;
- Noto il fuel flow a sea level si utilizzano le equazioni precedenti per ottenere l’indice di emissioni relativi a sea level;
- Aggiornamento degli indici di emissione alla relativa quota.
Il fuel flow al flight level si stima dalla spinta, le caratteristiche propulsive e i consumi, piu precisamente sono state utilizzate le correlazioni del Raymer in crociera, mentre nelle altre fasi sie utilizzata la stima dell’ICAO per LTO:
wf uel,cruise[g/s] = SF Ccruise[mg/(N s)] · Tcruise[kN ] (3)
Tcruise = 0. 35 TSL?0. 9 e^0.^02 BP R[kN ] (4) SF Ccruise = 25e−^0.^05 BP R[mg/(N s)] (5)
Una volta noto il fuel flow al livello di volo si ricava quello a sea level tramite dei rapporti di pressione e temperatura dell’ambiente esterno a quella determinata altitudine.
m ˙f,SL = wf uel δamb θ^3 amb.^8 e^0.^2 M^ 2 (6)
Si entra nei grafici bilogaritmici nell’asse delle x e si legge la y, cioe l’indice della determinata emissione a sea-level. Come ultimo step si ricorregge l’EI a sea level con θ, δ, e il coefficiente di umidita dell’aria per riportarsi al flight level.
EICO = EICO,ref
θ^3 amb.^3 δ^1 amb.^02
EIHC = EIHC,ref θ^3 amb.^3 δ^1 amb.^02
EIN Ox = EIN Ox,ref
s δ^1 amb.^02 θ^3 amb.^3 eH^ (9)
2.6.2 Andamento emissioni durante la missione
Figura 11: EI HC
Figura 12: EI CO
Figura 13: EI NOx
Dai grafici possiamo notare come in fase di crociera l’indice di emissione EIN Ox sia quello maggiore, mentre gli altri sono quasi inesistenti, ma essendo in crociera lo rende ininfluente. HC e minore in concentrazione durante la cruise, anche perch`` e il motore `e vicino al suo pun- to ottimale di funzionamento.
CO e HC si formano a causa delle inefficienze nel processo di combustione. A differenza dei N Ox, queste emissioni sono prodotti diretti della combustione incompleta, il che significa che le loro concentrazioni sono inversamente proporzionali all’efficienza della combustione. Poich´e l’efficienza della combustione e correlata alla spinta per le condizioni statiche a livello del mare, e la spintae correlata al flusso di carburante, cio significa che gli indici di emissione di EICO e EIHC diminuiscono all’aumentare del flusso di carburante, quindi la loro produ- zione sara maggiore nella zona non ottimale del motore, cio`e Take-Off e Landing.
Al contrario, le emissioni di N Ox derivano dall’ingresso dell’azoto atmosferico (N2) nella ca- mera di combustione ad alta temperatura. Il livello di N Ox aumenta con l’incremento della temperatura e della pressione, poich´e `e collegato ai processi di reazione termica che si verifi- cano nella zona primaria di combustione.
Esiste perci`o un campo di temperature che costituisce un buon compromesso tra formazione di CO e di N Ox, ma il problema sorge quando durante la regolazione della manetta, special- mente in take-off e idle, in cui siamo fuori dalla finestra di basse emissioni.
2.7 Differenze tra JetA-1 e BioFuels
Un interesse della comunita scientificae quella di estendere i metodi appena descritti ai bio- fuels o all’idrogeno. I Biofuels sono molto diffusi, infatti le compagnie aeree li utilizzano mischiati al cherosone, e attualmente sono stati svolti test con 100% biofuel.
I biofuels sono una famiglia di combustibili (detti drop-in) che possono essere sostituiti diret- tamente al combustibile tradizionale, senza prevedere cambiamenti alla tecnologia propulsiva e che fanno parte di una famiglia piu grande detta SAF (Sustainable Aviation Fuels). Uno dei tanti loro vantaggi e quello di permettere un minor consumo di combustibile, perche in alcuni casi hanno un contenuto energetico per kg maggiore del cherosene classico.
Si `e fatto riferimento ad un elaborato (1) che mette a confronto un motore CFM56-5A4 (per un Airbus A320) che utilizza sia il classico JetA-1, sia il 100% del biofuel CSPK e JSPK (1).
Figura 14: Confronto JetA-1, CSPK, JSPK (1)
Per i biofuels `e possibile notare una sostanziale riduzione delle emissioni di anidride carboni- ca, idrocarburi incombusti e un aumento degli ossidi di azoto, mentre si nota un lieve aumento nella produzione di anidride carbonica (sebbene trascurabile). Tuttavia il vantaggio dei Biofuels non risiede nelle emissioni in fase di combustione ma in tutto il ciclo di vita delle prodotto. Proprio durante la fase iniziale del processo in cui vengono
prodotte le sostanze organica viene recuperata tutta la CO 2 prodotta durante l’utilizzo.