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【氢上天?】欧洲计划在2035年实现氢能源客机商业化
作者:许赟 时间:2020-8-13 11:29:00 

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低碳化是民用航空业面临的一项重大挑战。全球民用航空业每年排放的二氧化碳超过9亿吨,假设行业每年增长3%至4%,效率每年提高2%,到2050年排放量将增加一倍以上。为此,国际民航组织(ICAO)、国际航空运输协会(IATA)等国际组织近年来不断提高环保标准,促使航空企业的发展必须与之相适应。2009年,IATA设定了航空业艰巨的减排目标:2020年前燃油效率年均提高1.5%,2020年达到碳中和,2050年航空运输碳排放减少50%。欧盟也通过绿色航空相关政策设定了碳排放的目标。

与日常所见的电动汽车类似,绿色新能源客机的发展也呈现多条技术路径。近期欧洲政府与工业界正共同加速氢能源客机的发展,力争在2035年实现氢动力干线客机商业化,实现极为激进的民用飞机降低碳排放时间表。

一、欧洲政府雄心勃勃推动航空业向氢能源转型

2020年6月9日,法国政府宣布将为民用航空制造业提供80亿欧元的救助计划(另有70亿欧元用于救助法航),用于应对冠状病毒大流行给航空业带来的残酷影响。同时,着眼化危为机,法国政府计划通过该计划实现民用航空运输绿色化的惊人加速,要求到2024年本国航空公司国内航班相关的二氧化碳排放量减少一半,并加速现有向可持续燃料过渡的计划。经济和财政部长布鲁诺·勒·梅尔(Bruno Le Maire)表示“我们正在宣布紧急状态,以拯救我们的航空业,使其能够通过生产明天的‘绿色飞机’来使其更具竞争力和更加无碳”。

为此,法国政府在80亿欧元救助计划中划拨专门划拨15亿欧元(部分来自欧盟委员会经济刺激计划)用于氢能源客机为期三年的研发项目,要求主制造商开发一款氢能源动力窄体客机,实现二氧化碳零排放,并计划在2033-2035年投入商业运营。法国生态和包容性转型部长伊丽莎白·博恩(Elisabeth Borne)表示“我们希望在2033年至2035年之间设计一个‘碳中性飞机平台’,比计划的时间提前十年,这将使我们能够为低碳飞机设定新的全球标准。”

欧洲航空业的另一核心德国政府也为其“国家氢气战略”投入70亿欧元,该战略将支持在飞机推进和混合动力飞行中使用氢气。同时,德国政府也在考虑在航空燃料中强制实行动力与液体的比例(该过程将利用阳光作为动力源,将二氧化碳和水转化为喷气燃料),不过该计划尚未确定。

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麦肯锡公司5月发布的《2050年前氢动力航空的技术、经济和气候影响:一项基于事实的研究》(简称《氢动力航空》)为欧洲氢动力航空发展提供支持性意见,认为氢能源推进在减少航空业对气候的影响和促进脱碳目标方面有着巨大的潜力。(图片来源:麦肯锡公司)

欧盟在将要实施的“洁净天空3”计划中强调,如果要2050年满足二氧化碳排放目标,那么环保型飞机需要在2035年开始投入使用。2020年5月,在欧盟“洁净天空2”和“燃料电池与氢气”计划支持下,著名咨询公司麦肯锡公司发布了《2050年前氢动力航空的技术、经济和气候影响:一项基于事实的研究》(简称《氢动力航空》)报告,预测了氢气燃烧和燃料电池动力推进的技术发展,评估了相关技术和经济可行性,将它们与合成燃料进行了比较,并考虑了对飞机设计、机场基础设施和燃料供应链的影响。报告认为颠覆性的飞机、航空发动机及机载系统创新与氢能源技术的结合,将减少民航飞行对全球变暖50-90%的影响。报告认为2035年前可以引入采用氢能源的短程干线飞机(81-165座级),到2050年,氢能源飞机将占所有飞机的40%。欧盟委员会对这样的研究结论表示了支持,并将其与今年7月将要通过的“氢战略”联系起来。该战略旨在加速欧洲工业的低碳化和数字化。

二、欧洲工业界正稳步推进氢能源航空实用化

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ZeroAvia公司的氢-电飞机发展计划表(图片来源:ZeroAvia,许赟汉化)

欧洲工业届对于氢能源飞机技术已经开展了多方面的研究,涉及中小型和行业巨头。2020年6月,氢能源航空初创公司ZeroAvia在英国克兰菲尔德机场进行了首次成功的氢动力商用飞机试飞,这是一架经过改装的六座Piper Matrix。该项目部分由英国创新政府拨款资助,计划最终实现250-300海里的飞行。ZeroAvia计划在2023年前进行10-20座级500英里航程的飞机进行认证。创始人兼首席执行官米夫塔霍夫认为相较电池解决方案,基于氢动力的飞机架构是监管机构更熟悉的。米夫塔霍夫表示:“我们认为在未来五年内,将向1.5或2kW/kg功率密度推进系统迈进。相比之下,我们最初瞄准的20座飞机的小型涡轮机约为3kW/kg,而50-80座飞机的大型涡轮机约为5kW/kg。”

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空客公司低排放飞机验证机发展路线图(图片来源:空客公司,许赟汉化)

欧洲航空工业巨头空客公司也开始将重心转向氢动力飞机,并制定了氢动力客机发展路线图。2020年4月,在宣布取消与罗·罗公司联合的E-Fan X混合动力验证项目后,空客公司首席技术官格拉齐亚·维塔蒂尼就暗示公司将重点转向氢动力飞机。空客公司零排放技术副总裁格伦·利韦林在6月中旬向媒体解释了这一转变的原因,他表示:“我们在(E-Fan X)项目中发现了个别有价值的技术,但是就串行混合电推进构型整体而言,并未带来支撑未来航空发展的颠覆性(碳排放)降低。”

根据空客公司披露的氢动力飞机发展时间表,将在2024-2025年完成氢动力相关技术的选择(主要是燃料电池推进、氢气燃料燃气轮机、燃料电池+燃气轮机混合动力),在2020年代后期完成小尺寸技术验证机研制,相应的启动全尺寸原型机研制工作,以确保在2030-2035年间,实现百座级以上氢动力客机的商业化。

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氢能源推进和合成燃料对环境的影响比较(图片来源:麦肯锡《氢能源航空:到2050年前氢的技术、经济和气候影响研究》,许赟汉化)

目前,空客公司尚未宣布在涡轮双引擎中燃烧氢气或在机身中安装燃料电池之间做出选择,尽管后者通常被视为最有效的氢能源使用方式。使用液态氢还是气态氢仍旧在考虑之中,相应的选择燃料电池还是涡轮发动机,最终的技术方案将对氢能源飞机及整个配套生态系统(从机场设施到空中交通管理)产生重大影响。气态氢和液态氢各自的优点正在被彻底评估,法国政府资助的Hyperion研究计划将评估氢气飞机推进的风险,包括低温系统。这表明空客正在考虑液态氢,而不是压缩氢--前者的储存方式看起来更适合航空业对能量密度的需求,但在技术和效率上都更具挑战性。

法国国家航空航天研究院(Onera)推进和环境项目主任菲利普-诺维利认为,气态氢可能只适合在小尺寸飞机上使用。“洁净天空”计划的首席科学官让·弗朗索瓦·布劳卡尔特(Jean-Francois Brouckaert)也认为,对于一架载客量超过19人的飞机而言,使用气态氢进行加油将是非常漫长的。麦肯锡的报告也持相同的观点,认为液态氢更适合大多数航空业,但它并没有排除气体的可能性。它指出:"气体储存可以适合较短的飞行,并且可以商业化使用。"使用气态氢可能会使飞机更快地进入市场,但是可能飞机大小将限制在19座级。同时,燃料电池的效率为55-60%,与燃气涡轮发动机的40-45%相比,效率更高,将燃料电池和螺旋桨结合起来非常适合航空推进。虽然技术进步很快,但目前燃料电池的功率密度较低,对于A320级别的短程干线客机而言,仅使用燃料电池可能难以满足10兆瓦级的功率需求,更好的方案可能是使用燃料电池和(使用氢气燃料的)涡轮风扇的组合,后者只在起飞时使用。此外,与在涡轮发动机中燃烧氢气相比,使用燃料电池还拥有额外的好处:燃料电池排放的水蒸气温度较低,在飞机内部完全可以控制,从而最大限度地减少尾迹,意味着可进一步优化巡航高度。

空客公司在进行氢动力飞机验证机的相关技术开发的同时,也已进行了氢动力飞机生态建设的初步探索。空客公司已与EasyJet和ScandinavianAirlines等航空公司签署了谅解备忘录,共同探讨将氢能源飞机引入民航生态系统的问题与途径:包括运营现实的变化、航空公司愿意做出的妥协与改变、以及潜在的不同商业模式。空客公司针对氢能源客机运营模型显示,通过采用“轮辐式”运营网络可以使氢能源客机满足“数量惊人”的欧洲民航航班,而这种模式下氢能源的基础设施可仅在枢纽机场提供。

三、氢能源航空应用前景分析

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可持续航空燃料技术比较(图片来源:麦肯锡《氢能源航空:到2050年前氢的技术、经济和气候影响研究》,许赟汉化)

作为新能源动力而言,在传统电池技术未出现革命性创新之前,氢能源显然具有更多的优势,类似结果已经在新能源汽车领域出现。日本本田公司的氢燃料电池汽车已经展示了更好的续航里程和更可接受的能量更换时间。实际上,除麦肯锡公司外,罗兰·贝格和奥利弗·威曼也在去年发布了类似的研究结论,为氢能源商业航空运输的可行性提供了背书。欧洲将大规模的资源投入到环保飞机的设计中,不仅仅是为了满足未来民航运输业的环保需要,也是为了推动欧洲氢能源产业发展,抢占民机新技术发展制高点,同时还可能会迫使竞争者效仿。美国航空航天局局长吉姆·布里登斯廷评价法国政府的投资政策时表示:“保持这种研发资金的投入是非常重要的。无论是作为一个机构和国家,我们需要将这个时刻(指冠状病毒疫情影响)作为一个领导的机会,而不是把它作为一个落后的机会。法国政府的投资正是如此……现在是为变革性前沿技术进行投资的时候了……”

法国政府也并未将赌注仅压在氢能源航空上。针对航空业的救助计划,法国政府为加速绿色航空的发展还在实施其它更具可行性的项目,包括:研制一款预计于2030年代初投入使用的空客A320替代机,将采用涵道比20-25的超高涵道比涡扇发动机和机体-发动机一体化设计,预计降低30%的油耗;另一个名为"Majestic "的研究项目是研究一种包含控制的大展弦比机翼,将降低30%的燃油消耗。

(航空工业发展中心 许赟)

 

来源:航空工业发展中心
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