民航減碳勢在必行 飛機“氫”裝上陣

2022年04月04日

         當前，全球民航業正為實現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，氫氣具有汙染少、全球可用和安全等優點。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，通過氫與氧反應發電，為飛機發動機提供動力；氫氣直接用作改裝發動機的燃料源。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。

         氫能源飛機的研發合作

         2020年6月，法國政府公布了支持該國航空航天業發展的計劃，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。

         2021年6月，空客公司對外公布了氫能源飛機研發預測時間表。空客公司表示，到2035年將研發生産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，傳統噴氣發動機將持續應用到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，並計劃在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，最大的挑戰在于開發一種能夠滿足飛機應用所需的重復熱壓循環的儲存組件。

         現在空客公司正在全球範圍內積極推動氫能源飛機的研發合作。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未來工業公司（FFI）簽署諒解備忘錄，圍繞綠色氫能法規、基礎設施和全球供應鏈挑戰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。空客公司將提供有關機隊的能源使用、航空氫需求、加油規範和航空監管框架等信息。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國際公司開發的氫動力發動機。空客公司首席技術官克洛克認為，“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氣體供應商AirLiquide和法國私人機場運營商VINCIAirports聯手，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；隨後7年內，將繼續大規模開發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産、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公司創始人兼首席執行官威爾認為，傳統的航空燃料生産供應鏈長，會面臨許多問題；相比之下，氫能源飛機具有極大的優勢，“只需要電力和少量水，即可在機場現場生産燃料”。

         ZeroAvia公司的研發活動得到了業內多家公司的支持。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氫電動發動機的研發計劃。2021年10月，ZeroAvia公司與美國阿拉斯加航空公司簽署協議，共同開發一種氫電動發動機。該發動機能夠支持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氫電動發動機。

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

         氫燃料電池係統持續升級

         HyPoint公司在氫能源研發領域處于全球領先地位，研發出渦輪風冷氫燃料電池係統，曾獲得國際獎項。

         HyPoint公司表示，可以根據客戶的要求，設計更新相應的氫燃料電池係統。與锂電池相比，氫燃料電池係統的充電速度更快。

         HyPoint公司首席執行官兼聯合創始人亞歷克斯認為，隨著技術上不斷實現突破，氫能源將很快實現商業化應用。

         今年2月，HyPoint公司在英國建立了新的氫能源研發和生産基地。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，支持開發可持續航空運輸方式，並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，共同開發商用飛機的氫燃料電池推進係統。CAeS正在開發9座飛機燃料電池係統，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年代中後期，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，巴西航空工業公司公布了名為Energia的飛機研發計劃，表示研發目標是探索“幫助行業實現到2050年淨零碳排放目標”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燃氣輪機將採用氫或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。

         新型高效氫推進係統開發進行時

         今年2月，美國能源部批準普惠公司開發新型高效氫推進係統項目。惠普公司將開發一種氫蒸汽噴射中冷渦輪發動機，在熱力學發動機循環中燃燒氫氣，以減少溫室氣體排放。該公司表示，新發動機將在飛行中實現二氧化碳零排放，同時將下一代單通道飛機的氮氧化物排放量減少80%，並將燃料消耗量減少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産、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展計劃實施層面的支持。

         氫能源飛機研發雖然已經成為主流趨勢，但是今後發展仍面臨巨大挑戰。如何儲存氫氣是首要問題。液態氫的能量密度只有傳統航空燃料的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，機場可以就地生産氫燃料，從而減少了對燃料運輸的需求，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

         航空業將在2050年前減少汙染，實現淨零排放目標，這使全球航空業面臨著越來越大的壓力，因而引發了一輪令人興奮的創新浪潮，一些觀察人士將其描述為航空業的“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，並使用可持續航空燃料。

         對于中期市場的挑戰，氫能源具有很大優勢，正成為潛在解決方案。研究發現，僅為飛機四檯發動機中的一檯提供動力所需的電池就足以裝滿整個客艙和貨艙。因此，現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，現在正在探索研發由通過改裝的燃氣渦輪發動機和氫燃料電池提供動力的發動機。

         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，航空業的碳排放量約占全球排放量的2.5%。但這一數字將上升，因為其他行業的脫碳速度快于航空業。例如，汽車行業已經開始大規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麽時候可以預訂更環保的飛機，這促使易捷航空首席執行官約翰·倫德格倫承諾減少易捷航空對環境的影響。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夥伴關係。易捷航空發布的消息稱，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零碳排放。

         3月，英國航空航天技術研究所發布了FlyZero研究項目的第一份報告，對零碳商業飛行進行了研究，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、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、燃氣渦輪發動機和混合動力係統的更大飛機上。FlyZero項目總監ChrisGear和ATI首席執行官加里·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？航空業的新紀元即將到來。”

         雖然挑戰是巨大的，但要取得成功的雄心更大，大量投資資金湧入關鍵技術研發領域。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客運服務所需的基礎設施建設、更廣泛的能力建設，以及監管和審定框架建設。FlyZero研究報告指出，需要特別關注的領域包括低溫氫燃料係統、燃氣渦輪發動機和進行地面、空中驗證的飛機。與此同時，航空業必須繼續推進可持續航空燃料所需的技術研發，如果要在2050年實現淨零碳排放目標，就需要有可持續航空燃料和氫能源。

         FlyZero研究報告的結論是在支線、窄體和中型飛機市場上實現2050年淨零碳排放目標是可行的，但實現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。這種方法的商業風險小于先研發窄體飛機，並將使基礎設施建設集中在少數幾個較大的國際樞紐機場。

         如果這一點沒有實現，該怎麽辦？風險是顯而易見的。如果航空業不能足夠快地脫碳，限制航空業的措施將可能出現，但是國家和地區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%的商業機隊採用氫能源飛機。最大的好處是，迅速減少全球航空業的二氧化碳排放。

         要實現這個目標並非易事。我們正處于航空業的重大轉折點，自噴氣式飛機時代以來可改變航空業的前夜，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）

 

         新聞來源 ：中國民航網

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