民航減碳勢在必行 飛機“氫”裝上陣

當前，全球民航業(yè)正為實現(xiàn)航空碳減排目標而開展積極的行動。其中，氫能源飛機的研發(fā)應用已成為重要選項之一。作為飛機上使用的能源載體，氫氣具有污染少、全球可用和安全等優(yōu)點。因此，氫氣被認為是一種合適的航空燃料。

 

利用氫氣為飛機提供動力的方式主要包括：氫氣直接作為燃料電池的燃料源，通過氫與氧反應發(fā)電，為飛機發(fā)動機提供動力；氫氣直接用作改裝發(fā)動機的燃料源。有預測指出，到2030年，全球氫能源飛機的市場價值將達到276.8億美元；到2040年，市場價值將超過1740億美元。

 

氫能源飛機的研發(fā)合作

 

2020年6月，法國政府公布了支持該國航空航天業(yè)發(fā)展的計劃，提出未來15年內投資70億歐元，支持建造氫動力“綠色飛機”。對此，空客公司首席執(zhí)行官傅里表示，這個計劃是完全可行的，但同時也面臨巨大挑戰(zhàn)。

 

2021年6月，空客公司對外公布了氫能源飛機研發(fā)預測時間表?？湛凸颈硎荆?035年將研發(fā)生產出世界上第一架零碳排放的商用飛機，主要用于支線運輸和短程運輸，傳統(tǒng)噴氣發(fā)動機將持續(xù)應用到2050年。此外，空客公司表示將在2023年之前建造出第一個液氫罐，并計劃在2025年進行首飛測試。從技術角度來看，氫氣需要在零下250攝氏度狀態(tài)下才能被安全地儲存在飛機中。因此，對商用航空而言，最大的挑戰(zhàn)在于開發(fā)一種能夠滿足飛機應用所需的重復熱壓循環(huán)的儲存組件。

 

現(xiàn)在空客公司正在全球范圍內積極推動氫能源飛機的研發(fā)合作。2021年9月，空客公司與新西蘭航空公司簽署諒解備忘錄，共同研究在新西蘭應用氫動力飛機。今年3月，空客公司與澳大利亞Fortescue未來工業(yè)公司（FFI）簽署諒解備忘錄，圍繞綠色氫能法規(guī)、基礎設施和全球供應鏈挑戰(zhàn)等問題開展專門研究，共同推動航空領域氫燃料使用。FFI將對供應鏈上各個要素的成本、技術驅動因素進行分析研究，制訂基礎設施部署方案?？湛凸緦⑻峁┯嘘P機隊的能源使用、航空氫需求、加油規(guī)范和航空監(jiān)管框架等信息。2月，空客公司對外宣布將使用空客A380作為其ZEROe項目的試驗飛機，空客A380飛行演示機將配備由CFM國際公司開發(fā)的氫動力發(fā)動機?？湛凸臼紫夹g官克洛克認為，“這是自2020年9月提出ZEROe概念以來，空客公司為開啟氫動力飛行新時代而邁出的最重要的一步”。

 

空客公司還在努力推動機場氫能源網絡建設。2021年9月，空客公司與法國工業(yè)氣體供應商AirLiquide和法國私人機場運營商VINCIAirports聯(lián)手，尋求在歐洲建立一個能夠在未來運營氫能源飛機的機場網絡。法國里昂機場成為首個項目試驗地。該項目將于2023年在里昂機場開工建設，主要包括在機場建設一個氫氣配送站，為搬運設備、卡車和巴士等供應氫氣；隨后7年內，將繼續(xù)大規(guī)模開發(fā)建設用于飛機燃料操作的液氫基礎設施；計劃到2030年，合作三方將共同探索在VINCIAirports旗下的法國、葡萄牙、英國和瑞典等國家機場建立氫氣生產、儲存和供應設施網絡的可能性。

 

氫能源飛機解決方案“箭在弦上”

 

ZeroAvia公司成立于2017年，在美國和英國建有基地，2020年完成了世界上第一次由氫燃料電池支持的商用飛機飛行。該公司表示，希望在本世紀30年代制訂出完備的氫能源飛機解決方案。

 

ZeroAvia公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官威爾認為，傳統(tǒng)的航空燃料生產供應鏈長，會面臨許多問題；相比之下，氫能源飛機具有極大的優(yōu)勢，“只需要電力和少量水，即可在機場現(xiàn)場生產燃料”。

 

ZeroAvia公司的研發(fā)活動得到了業(yè)內多家公司的支持。2021年3月，英國航空公司與其他投資機構共同出資5300萬美元，用于支持ZeroAvia公司實施用于全尺寸支線飛機2MW氫電動發(fā)動機的研發(fā)計劃。2021年10月，ZeroAvia公司與美國阿拉斯加航空公司簽署協(xié)議，共同開發(fā)一種氫電動發(fā)動機。該發(fā)動機能夠支持76座支線飛機飛行距離超過500海里（約合926公里）。2021年12月，Ze？roAvia公司與DeHavilland加拿大公司簽署了諒解備忘錄，為該公司飛機設計和開發(fā)氫電動發(fā)動機。

 

ZeroAvia公司正積極推進ZA600動力系統(tǒng)的認證，并計劃到2026年完成ZA2000發(fā)動機認證。屆時，ZA2000發(fā)動機將具有支持40座~80座飛機飛行距離超過700海里（約合1296公里）的能力。

 

氫燃料電池系統(tǒng)持續(xù)升級

 

HyPoint公司在氫能源研發(fā)領域處于全球領先地位，研發(fā)出渦輪風冷氫燃料電池系統(tǒng)，曾獲得國際獎項。

 

HyPoint公司表示，可以根據(jù)客戶的要求，設計更新相應的氫燃料電池系統(tǒng)。與鋰電池相比，氫燃料電池系統(tǒng)的充電速度更快。

 

HyPoint公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人亞歷克斯認為，隨著技術上不斷實現(xiàn)突破，氫能源將很快實現(xiàn)商業(yè)化應用。

 

今年2月，HyPoint公司在英國建立了新的氫能源研發(fā)和生產基地。該公司表示，此舉是響應英國政府倡議。此前，英國政府公布了一項3億英鎊（約合4億美元）的投資計劃，支持開發(fā)可持續(xù)航空運輸方式，并表示希望英國能建造出世界上第一架零碳排放長途飛機。

 

今年1月，易捷航空公司宣布與CAeS公司合作，共同開發(fā)商用飛機的氫燃料電池推進系統(tǒng)。CAeS正在開發(fā)9座飛機燃料電池系統(tǒng)，該飛機計劃于2023年投入使用。易捷航空公司表示，將提供氫能源飛機與航空公司運營等方面的專業(yè)知識。

 

易捷航空公司還表示，公司正與空客、羅羅和萊特電氣等公司就零排放技術開展合作，計劃到本世紀30年代中后期，可以為客戶提供由氫燃料、氫電或電動飛機完成的飛行服務。

 

2021年11月，巴西航空工業(yè)公司公布了名為Energia的飛機研發(fā)計劃，表示研發(fā)目標是探索“幫助行業(yè)實現(xiàn)到2050年凈零碳排放目標”的方法，包括多種機型。其中，氫電動能源H2燃料電池飛機將于2035年推出，最多可搭載19名旅客，二氧化碳排放量為零；EnergiaH2燃氣輪機將采用氫或SAF/JetA渦輪推進器，能夠容納35名~50名旅客，二氧化碳排放量為零，計劃在2040年投入市場。

 

新型高效氫推進系統(tǒng)開發(fā)進行時

 

今年2月，美國能源部批準普惠公司開發(fā)新型高效氫推進系統(tǒng)項目。惠普公司將開發(fā)一種氫蒸汽噴射中冷渦輪發(fā)動機，在熱力學發(fā)動機循環(huán)中燃燒氫氣，以減少溫室氣體排放。該公司表示，新發(fā)動機將在飛行中實現(xiàn)二氧化碳零排放，同時將下一代單通道飛機的氮氧化物排放量減少80%，并將燃料消耗量減少35%。

 

也是在今年2月，空客公司與大韓航空、韓國液化氣集團和仁川國際機場簽署了一份諒解備忘錄，將共同探索氫氣在韓國航空業(yè)脫碳場景中的應用，以及韓國國內機場基礎設施如何建設以支持氫能源飛機運行等問題的解決方案。其中，韓國液化氣集團將負責氫氣生產、液化、儲存和輸送層面的技術支持，大韓航空將負責提供地面飛機運營和航空管理與運營層面的技術支持，空客公司將提供氫動力飛機技術層面的支持，仁川國際機場將提供機場發(fā)展計劃實施層面的支持。

 

氫能源飛機研發(fā)雖然已經成為主流趨勢，但是今后發(fā)展仍面臨巨大挑戰(zhàn)。如何儲存氫氣是首要問題。液態(tài)氫的能量密度只有傳統(tǒng)航空燃料的1/4左右，這意味著如果想獲得相同的能量，在使用氫氣時需要一個更大的儲罐裝置。因此，飛機需要重新設計以增加燃料儲存空間。此外，機場基礎設施也需要進行調整，以便氫氣的運輸和儲存。但是，由于氫氣可以從水中提取，機場可以就地生產氫燃料，從而減少了對燃料運輸?shù)男枨?，減少了排放、運輸安全上的隱患。（中國民用航空局國際合作服務中心 齊福全編譯）

 

延伸

 

氫能源成為民航碳減排潛在方案

 

航空業(yè)將在2050年前減少污染，實現(xiàn)凈零排放目標，這使全球航空業(yè)面臨著越來越大的壓力，因而引發(fā)了一輪令人興奮的創(chuàng)新浪潮，一些觀察人士將其描述為航空業(yè)的“第三次革命”。

 

較小的無人駕駛飛行器，例如無人機和空中出租車等，由于運營時間較短，適合使用可充電電池供電。與此同時，從支線渦輪螺旋槳飛機到單通道客機，更大的飛機需要更密集的能源，類似于噴氣燃料提供的能源。由于長途飛行的任務性質，遠程大型客機離能夠脫碳還有很長的路要走，因為遠程飛行運載的旅客或貨物很多，這些大型飛機目前還不能擺脫航空煤油。作為替代措施，航空公司將尋求使用信用機制來抵消碳排放量，并使用可持續(xù)航空燃料。

 

對于中期市場的挑戰(zhàn)，氫能源具有很大優(yōu)勢，正成為潛在解決方案。研究發(fā)現(xiàn)，僅為飛機四臺發(fā)動機中的一臺提供動力所需的電池就足以裝滿整個客艙和貨艙。因此，現(xiàn)在更傾向于挖掘氫能源潛力。空客公司計劃在2035年之前交付一架零碳排放飛機，現(xiàn)在正在探索研發(fā)由通過改裝的燃氣渦輪發(fā)動機和氫燃料電池提供動力的發(fā)動機。

 

人們越來越關注氣候變化的影響，各國政府已經表示不能通過放棄航空旅行來應對氣候變化。在新冠肺炎疫情導致全球大部分客機停飛之前，航空業(yè)的碳排放量約占全球排放量的2.5%。但這一數(shù)字將上升，因為其他行業(yè)的脫碳速度快于航空業(yè)。例如，汽車行業(yè)已經開始大規(guī)模應用電池和混合動力汽車。

 

航空公司也在推動這一轉變。在航空公司中，易捷航空的聲音最大。易捷航空的年輕客戶越來越想知道自己什么時候可以預訂更環(huán)保的飛機，這促使易捷航空首席執(zhí)行官約翰·倫德格倫承諾減少易捷航空對環(huán)境的影響。易捷航空已經與專門從事零碳排放技術的萊特電氣和空客公司建立了合作伙伴關系。易捷航空發(fā)布的消息稱，到本世紀30年代中期，氫動力飛機的航程將達到1300公里，這將使人們在倫敦與巴塞羅那等熱門城市之間的旅行實現(xiàn)零碳排放。

 

3月，英國航空航天技術研究所發(fā)布了FlyZero研究項目的第一份報告，對零碳商業(yè)飛行進行了研究，對氫能源在航空領域的潛力給予認可。該項目匯集了來自英國各地的專家，評估潛在的零碳排放飛機概念的設計挑戰(zhàn)、制造需求、運行要求和市場機遇。

 

FlyZero研究報告得出結論，綠色液氫是最可行的零碳排放燃料，有可能應用于使用燃料電池、燃氣渦輪發(fā)動機和混合動力系統(tǒng)的更大飛機上。FlyZero項目總監(jiān)ChrisGear和ATI首席執(zhí)行官加里·埃利奧特表示：“今天制造的飛機比以往任何時候都更高效，而且將越來越多地使用化石燃料的替代品。這表示我們在碳排放方面向全球氣候目標邁進了一大步。但是，如果我們可以完全消除碳排放，情況會怎樣？航空業(yè)的新紀元即將到來。”

 

雖然挑戰(zhàn)是巨大的，但要取得成功的雄心更大，大量投資資金涌入關鍵技術研發(fā)領域。但需要制造的不僅是新型飛機本身。如果要讓大型飛機在2035年前投入運營，必須大力推進氫能源進入商業(yè)客運服務所需的基礎設施建設、更廣泛的能力建設，以及監(jiān)管和審定框架建設。FlyZero研究報告指出，需要特別關注的領域包括低溫氫燃料系統(tǒng)、燃氣渦輪發(fā)動機和進行地面、空中驗證的飛機。與此同時，航空業(yè)必須繼續(xù)推進可持續(xù)航空燃料所需的技術研發(fā)，如果要在2050年實現(xiàn)凈零碳排放目標，就需要有可持續(xù)航空燃料和氫能源。

 

FlyZero研究報告的結論是在支線、窄體和中型飛機市場上實現(xiàn)2050年凈零碳排放目標是可行的，但實現(xiàn)這一目標的最佳途徑是通過加速大型（窄體和中型）商用飛機的投入使用。FlyZero研究報告指出，新飛機將能不經停到達世界上任何目的地。這種方法的商業(yè)風險小于先研發(fā)窄體飛機，并將使基礎設施建設集中在少數(shù)幾個較大的國際樞紐機場。

 

如果這一點沒有實現(xiàn)，該怎么辦？風險是顯而易見的。如果航空業(yè)不能足夠快地脫碳，限制航空業(yè)的措施將可能出現(xiàn)，但是國家和地區(qū)經濟的連鎖反應取決于商務和休閑飛行。FlyZero研究報告指出，如果到2050年全球50%的商業(yè)機隊采用氫能源飛機。最大的好處是，迅速減少全球航空業(yè)的二氧化碳排放。

 

要實現(xiàn)這個目標并非易事。我們正處于航空業(yè)的重大轉折點，自噴氣式飛機時代以來可改變航空業(yè)的前夜，過去從未見到這樣的轉折點。（中國民用航空局國際合作服務中心 王堪林編譯）