民航减碳势在必行 飞机“氢”装上阵

当前，全球民航业正为实现航空碳减排目标而开展积极的行动。其中，氢能源飞机的研发应用已成为重要选项之一。作为飞机上使用的能源载体，氢气具有污染少、全球可用和安全等优点。因此，氢气被认为是一种合适的航空燃料。

 

利用氢气为飞机提供动力的方式主要包括：氢气直接作为燃料电池的燃料源，通过氢与氧反应发电，为飞机发动机提供动力；氢气直接用作改装发动机的燃料源。有预测指出，到2030年，全球氢能源飞机的市场价值将达到276.8亿美元；到2040年，市场价值将超过1740亿美元。

 

氢能源飞机的研发合作

 

2020年6月，法国政府公布了支持该国航空航天业发展的计划，提出未来15年内投资70亿欧元，支持建造氢动力“绿色飞机”。对此，空客公司首席执行官傅里表示，这个计划是完全可行的，但同时也面临巨大挑战。

 

2021年6月，空客公司对外公布了氢能源飞机研发预测时间表。空客公司表示，到2035年将研发生产出世界上第一架零碳排放的商用飞机，主要用于支线运输和短程运输，传统喷气发动机将持续应用到2050年。此外，空客公司表示将在2023年之前建造出第一个液氢罐，并计划在2025年进行首飞测试。从技术角度来看，氢气需要在零下250摄氏度状态下才能被安全地储存在飞机中。因此，对商用航空而言，最大的挑战在于开发一种能够满足飞机应用所需的重复热压循环的储存组件。

 

现在空客公司正在全球范围内积极推动氢能源飞机的研发合作。2021年9月，空客公司与新西兰航空公司签署谅解备忘录，共同研究在新西兰应用氢动力飞机。今年3月，空客公司与澳大利亚Fortescue未来工业公司（FFI）签署谅解备忘录，围绕绿色氢能法规、基础设施和全球供应链挑战等问题开展专门研究，共同推动航空领域氢燃料使用。FFI将对供应链上各个要素的成本、技术驱动因素进行分析研究，制订基础设施部署方案。空客公司将提供有关机队的能源使用、航空氢需求、加油规范和航空监管框架等信息。2月，空客公司对外宣布将使用空客A380作为其ZEROe项目的试验飞机，空客A380飞行演示机将配备由CFM国际公司开发的氢动力发动机。空客公司首席技术官克洛克认为，“这是自2020年9月提出ZEROe概念以来，空客公司为开启氢动力飞行新时代而迈出的最重要的一步”。

 

空客公司还在努力推动机场氢能源网络建设。2021年9月，空客公司与法国工业气体供应商AirLiquide和法国私人机场运营商VINCIAirports联手，寻求在欧洲建立一个能够在未来运营氢能源飞机的机场网络。法国里昂机场成为首个项目试验地。该项目将于2023年在里昂机场开工建设，主要包括在机场建设一个氢气配送站，为搬运设备、卡车和巴士等供应氢气；随后7年内，将继续大规模开发建设用于飞机燃料操作的液氢基础设施；计划到2030年，合作三方将共同探索在VINCIAirports旗下的法国、葡萄牙、英国和瑞典等国家机场建立氢气生产、储存和供应设施网络的可能性。

 

氢能源飞机解决方案“箭在弦上”

 

ZeroAvia公司成立于2017年，在美国和英国建有基地，2020年完成了世界上第一次由氢燃料电池支持的商用飞机飞行。该公司表示，希望在本世纪30年代制订出完备的氢能源飞机解决方案。

 

ZeroAvia公司创始人兼首席执行官威尔认为，传统的航空燃料生产供应链长，会面临许多问题；相比之下，氢能源飞机具有极大的优势，“只需要电力和少量水，即可在机场现场生产燃料”。

 

ZeroAvia公司的研发活动得到了业内多家公司的支持。2021年3月，英国航空公司与其他投资机构共同出资5300万美元，用于支持ZeroAvia公司实施用于全尺寸支线飞机2MW氢电动发动机的研发计划。2021年10月，ZeroAvia公司与美国阿拉斯加航空公司签署协议，共同开发一种氢电动发动机。该发动机能够支持76座支线飞机飞行距离超过500海里（约合926公里）。2021年12月，Ze？roAvia公司与DeHavilland加拿大公司签署了谅解备忘录，为该公司飞机设计和开发氢电动发动机。

 

ZeroAvia公司正积极推进ZA600动力系统的认证，并计划到2026年完成ZA2000发动机认证。届时，ZA2000发动机将具有支持40座~80座飞机飞行距离超过700海里（约合1296公里）的能力。

 

氢燃料电池系统持续升级

 

HyPoint公司在氢能源研发领域处于全球领先地位，研发出涡轮风冷氢燃料电池系统，曾获得国际奖项。

 

HyPoint公司表示，可以根据客户的要求，设计更新相应的氢燃料电池系统。与锂电池相比，氢燃料电池系统的充电速度更快。

 

HyPoint公司首席执行官兼联合创始人亚历克斯认为，随着技术上不断实现突破，氢能源将很快实现商业化应用。

 

今年2月，HyPoint公司在英国建立了新的氢能源研发和生产基地。该公司表示，此举是响应英国政府倡议。此前，英国政府公布了一项3亿英镑（约合4亿美元）的投资计划，支持开发可持续航空运输方式，并表示希望英国能建造出世界上第一架零碳排放长途飞机。

 

今年1月，易捷航空公司宣布与CAeS公司合作，共同开发商用飞机的氢燃料电池推进系统。CAeS正在开发9座飞机燃料电池系统，该飞机计划于2023年投入使用。易捷航空公司表示，将提供氢能源飞机与航空公司运营等方面的专业知识。

 

易捷航空公司还表示，公司正与空客、罗罗和莱特电气等公司就零排放技术开展合作，计划到本世纪30年代中后期，可以为客户提供由氢燃料、氢电或电动飞机完成的飞行服务。

 

2021年11月，巴西航空工业公司公布了名为Energia的飞机研发计划，表示研发目标是探索“帮助行业实现到2050年净零碳排放目标”的方法，包括多种机型。其中，氢电动能源H2燃料电池飞机将于2035年推出，最多可搭载19名旅客，二氧化碳排放量为零；EnergiaH2燃气轮机将采用氢或SAF/JetA涡轮推进器，能够容纳35名~50名旅客，二氧化碳排放量为零，计划在2040年投入市场。

 

新型高效氢推进系统开发进行时

 

今年2月，美国能源部批准普惠公司开发新型高效氢推进系统项目。惠普公司将开发一种氢蒸汽喷射中冷涡轮发动机，在热力学发动机循环中燃烧氢气，以减少温室气体排放。该公司表示，新发动机将在飞行中实现二氧化碳零排放，同时将下一代单通道飞机的氮氧化物排放量减少80%，并将燃料消耗量减少35%。

 

也是在今年2月，空客公司与大韩航空、韩国液化气集团和仁川国际机场签署了一份谅解备忘录，将共同探索氢气在韩国航空业脱碳场景中的应用，以及韩国国内机场基础设施如何建设以支持氢能源飞机运行等问题的解决方案。其中，韩国液化气集团将负责氢气生产、液化、储存和输送层面的技术支持，大韩航空将负责提供地面飞机运营和航空管理与运营层面的技术支持，空客公司将提供氢动力飞机技术层面的支持，仁川国际机场将提供机场发展计划实施层面的支持。

 

氢能源飞机研发虽然已经成为主流趋势，但是今后发展仍面临巨大挑战。如何储存氢气是首要问题。液态氢的能量密度只有传统航空燃料的1/4左右，这意味着如果想获得相同的能量，在使用氢气时需要一个更大的储罐装置。因此，飞机需要重新设计以增加燃料储存空间。此外，机场基础设施也需要进行调整，以便氢气的运输和储存。但是，由于氢气可以从水中提取，机场可以就地生产氢燃料，从而减少了对燃料运输的需求，减少了排放、运输安全上的隐患。（中国民用航空局国际合作服务中心 齐福全编译）

 

延伸

 

氢能源成为民航碳减排潜在方案

 

航空业将在2050年前减少污染，实现净零排放目标，这使全球航空业面临着越来越大的压力，因而引发了一轮令人兴奋的创新浪潮，一些观察人士将其描述为航空业的“第三次革命”。

 

较小的无人驾驶飞行器，例如无人机和空中出租车等，由于运营时间较短，适合使用可充电电池供电。与此同时，从支线涡轮螺旋桨飞机到单通道客机，更大的飞机需要更密集的能源，类似于喷气燃料提供的能源。由于长途飞行的任务性质，远程大型客机离能够脱碳还有很长的路要走，因为远程飞行运载的旅客或货物很多，这些大型飞机目前还不能摆脱航空煤油。作为替代措施，航空公司将寻求使用信用机制来抵消碳排放量，并使用可持续航空燃料。

 

对于中期市场的挑战，氢能源具有很大优势，正成为潜在解决方案。研究发现，仅为飞机四台发动机中的一台提供动力所需的电池就足以装满整个客舱和货舱。因此，现在更倾向于挖掘氢能源潜力。空客公司计划在2035年之前交付一架零碳排放飞机，现在正在探索研发由通过改装的燃气涡轮发动机和氢燃料电池提供动力的发动机。

 

人们越来越关注气候变化的影响，各国政府已经表示不能通过放弃航空旅行来应对气候变化。在新冠肺炎疫情导致全球大部分客机停飞之前，航空业的碳排放量约占全球排放量的2.5%。但这一数字将上升，因为其他行业的脱碳速度快于航空业。例如，汽车行业已经开始大规模应用电池和混合动力汽车。

 

航空公司也在推动这一转变。在航空公司中，易捷航空的声音最大。易捷航空的年轻客户越来越想知道自己什么时候可以预订更环保的飞机，这促使易捷航空首席执行官约翰·伦德格伦承诺减少易捷航空对环境的影响。易捷航空已经与专门从事零碳排放技术的莱特电气和空客公司建立了合作伙伴关系。易捷航空发布的消息称，到本世纪30年代中期，氢动力飞机的航程将达到1300公里，这将使人们在伦敦与巴塞罗那等热门城市之间的旅行实现零碳排放。

 

3月，英国航空航天技术研究所发布了FlyZero研究项目的第一份报告，对零碳商业飞行进行了研究，对氢能源在航空领域的潜力给予认可。该项目汇集了来自英国各地的专家，评估潜在的零碳排放飞机概念的设计挑战、制造需求、运行要求和市场机遇。

 

FlyZero研究报告得出结论，绿色液氢是最可行的零碳排放燃料，有可能应用于使用燃料电池、燃气涡轮发动机和混合动力系统的更大飞机上。FlyZero项目总监ChrisGear和ATI首席执行官加里·埃利奥特表示：“今天制造的飞机比以往任何时候都更高效，而且将越来越多地使用化石燃料的替代品。这表示我们在碳排放方面向全球气候目标迈进了一大步。但是，如果我们可以完全消除碳排放，情况会怎样？航空业的新纪元即将到来。”

 

虽然挑战是巨大的，但要取得成功的雄心更大，大量投资资金涌入关键技术研发领域。但需要制造的不仅是新型飞机本身。如果要让大型飞机在2035年前投入运营，必须大力推进氢能源进入商业客运服务所需的基础设施建设、更广泛的能力建设，以及监管和审定框架建设。FlyZero研究报告指出，需要特别关注的领域包括低温氢燃料系统、燃气涡轮发动机和进行地面、空中验证的飞机。与此同时，航空业必须继续推进可持续航空燃料所需的技术研发，如果要在2050年实现净零碳排放目标，就需要有可持续航空燃料和氢能源。

 

FlyZero研究报告的结论是在支线、窄体和中型飞机市场上实现2050年净零碳排放目标是可行的，但实现这一目标的最佳途径是通过加速大型（窄体和中型）商用飞机的投入使用。FlyZero研究报告指出，新飞机将能不经停到达世界上任何目的地。这种方法的商业风险小于先研发窄体飞机，并将使基础设施建设集中在少数几个较大的国际枢纽机场。

 

如果这一点没有实现，该怎么办？风险是显而易见的。如果航空业不能足够快地脱碳，限制航空业的措施将可能出现，但是国家和地区经济的连锁反应取决于商务和休闲飞行。FlyZero研究报告指出，如果到2050年全球50%的商业机队采用氢能源飞机。最大的好处是，迅速减少全球航空业的二氧化碳排放。

 

要实现这个目标并非易事。我们正处于航空业的重大转折点，自喷气式飞机时代以来可改变航空业的前夜，过去从未见到这样的转折点。（中国民用航空局国际合作服务中心 王堪林编译）