“氫”裝上陣的綠色飛機

董幗雄

今年9月，歐洲航空工業(yè)的領軍企業(yè)空客召開新聞發(fā)布會，公布了一份宏偉的氫能航空發(fā)展規(guī)劃和三個零排放的商用飛機概念方案，公司表示最快將于2035年開始向客戶交付使用氫能源的零排放商用飛機。

空客的這一方案一經(jīng)發(fā)布就引起了業(yè)界的熱議。這些熱議不僅僅圍繞空客這一宏偉規(guī)劃展開，更重要的是，業(yè)界普遍意識到，空客發(fā)布的這份規(guī)劃，不單單是一個簡單的新機型規(guī)劃，更是歐盟能源結構戰(zhàn)略轉型這一重大戰(zhàn)略布局中非常重要的組成部分。從這個角度來看，此次空客發(fā)布的氫能源飛機計劃，體現(xiàn)的是歐盟的雄心，即將歐洲打造成低碳航空運輸和能源轉型的全球領導者。

空客的宏偉規(guī)劃

航空業(yè)正在尋找一種方法來彌補其“碳足跡”早已不是什么秘密。基于國際航空碳抵消和減排計劃（CORSIA）的承諾以及進一步可持續(xù)發(fā)展的愿望，制造商一直希望能夠利用更加環(huán)保的清潔能源來替代傳統(tǒng)的航空煤油。

此次，空客將目光聚焦到了氫能源上，公司發(fā)布的全球首款零排放商用飛機的三個概念機型分別代表了實現(xiàn)零排放飛行的不同方法，探索不同的技術途徑和空氣動力學構型，以支持空客在領導全行業(yè)實現(xiàn)脫碳方面的雄心壯志?？湛桶l(fā)布的零排放飛機概念機的代號為ZEROe，包括三個不同類型的產(chǎn)品。

第一款概念機的外觀類似于傳統(tǒng)機型，但機身更長，載客量為120～200人，相當于目前A220或A320機型的載客量，航程超過3500公里。這款飛機依靠氫能驅動的渦輪發(fā)動機提供動力，而氫能則儲存在位于飛機后部的燃料倉內(nèi)。該機型只需在現(xiàn)有機型基礎上做小幅改動，加裝一塊同樣使用氫能的燃料電池，以便在需要時為發(fā)動機提供額外動力。

第二款概念機是使用渦輪螺旋槳發(fā)動機的支線飛機，載客量為100人左右，航程為1800公里。渦輪螺旋槳發(fā)動機同樣由氫燃料驅動，適用于短途飛行任務。

第三款概念機采用翼身融合的方案，航程可達到3700公里。翼身融合的構型可以靈活設計客艙布局與氫燃料存儲，載客量可達到200人左右。

根據(jù)空客的規(guī)劃，2035年左右其氫能源飛機就要投入商業(yè)運營。為了配合這個計劃，空客細化了具體的技術實現(xiàn)時間表。即在2021年進行地面技術演示;2023年氫燃料技術驗證機實現(xiàn)首飛;2024年確定氫燃料飛機選型;2025年氫燃料驗證機首飛。

從技術層面來看，空客此次發(fā)布的這三款氫能源飛機，前兩個機型的設計是基于現(xiàn)有支線和干線機型的動力改裝，與完全使用電驅動的一些預研設計相比，技術難度明顯降低。正因為如此，空客在發(fā)布會上也提到，實現(xiàn)這個氫能航空計劃最大的難點并不是在技術上，而是希望得到政府更多的支持，如基礎設施、產(chǎn)業(yè)鏈建設等。以機場為例，如果氫能飛機投入使用，就需要機場為之配套相應的氫氣運輸和補給設施，以滿足航空公司的運營需要。

除了希望得到政府的支持，空客還在積極尋找合作伙伴共同推動氫能飛機的研發(fā)。今年10月，空客宣布與德國著名的汽車產(chǎn)品供應商愛爾鈴克鈴鈴爾公司（ElringKlinger）合作成立合資公司，進行大功率氫燃料電池的研制。在雙方合作的第一階段，燃料電池的大功率輸出是主要目標。

此外，空客還與賽峰集團以及二者的合資公司阿麗亞娜集團（Arianegroup）、法國航空航天研究院共同組成了聯(lián)合攻關團隊，共同進行航空氫能源利用的研究。

歐盟的傾力支持

對于歐洲來說，氫能不僅僅是未來綠色飛機的主要技術選項，更是歐洲在后疫情時代實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的重要手段。法國國際關系研究所發(fā)布的《歐盟氫能戰(zhàn)略展望》中更是明確指出：“一項穩(wěn)健、成本效益高的歐洲氫能戰(zhàn)略將成為歐盟經(jīng)濟復蘇計劃的支柱，并加速歐洲經(jīng)濟體的脫碳進程?！痹诖吮尘跋?，此次空客所發(fā)布的氫能飛機計劃勢必將得到歐盟的傾力支持。

事實上，在空客發(fā)布氫能飛機計劃的3個月前，法國就已經(jīng)出臺了高達150億歐元的航空業(yè)支持計劃。計劃明確提到，政府在未來5年內(nèi)將每年投入15億歐元資助企業(yè)進行技術研發(fā)，而最具優(yōu)先權的項目就是2035年實現(xiàn)零碳排放的綠色飛機計劃。法國政府希望這一計劃不僅能夠幫助法國航空業(yè)領先其美國競爭對手，更能夠帶動該領域所涉及的1300多家企業(yè)的發(fā)展。

這一“綠色飛機”發(fā)展計劃希望空客能夠在2030年左右推出A320系列飛機的繼任者，技術目標是實現(xiàn)燃油消耗降低30%，2035年左右推出零排放的氫能飛機。而空客此次推出的氫能飛機計劃則完全契合了政府的要求。

此外，德國政府也將為其“國家氫氣戰(zhàn)略”投入70億歐元，該戰(zhàn)略將支持在飛機推進和混合動力飛行中使用氫氣。同時，德國政府還考慮在航空燃料中強制規(guī)定氫能的使用比例，不過該計劃目前尚未有明確的時間表。

與此同時，歐盟也在區(qū)域內(nèi)領導全面建設氫能經(jīng)濟，包括地面交通、工業(yè)制造等。2019年，西門子和阿爾斯通已經(jīng)開始試運行氫燃料電池火車，奔馳公司也在今年9月公布了新的車型計劃，計劃在2023年與合作伙伴開始試運行氫燃料電池重卡，2025年實現(xiàn)量產(chǎn)?？梢姡瑲W洲各國對在航空業(yè)使用氫能已經(jīng)達成了一致。

而氫能源的利用之所以如此受到重視，除了節(jié)能環(huán)保方面的考慮之外，能源結構的轉型或許是更深層次的考慮。當今，國際形勢變幻莫測，提高能源自給保障能力、提升能源戰(zhàn)略安全對于歐盟來說重要性不言而喻。如果仔細分析歐洲現(xiàn)有的能源結構，不難發(fā)現(xiàn)，氫能源似乎是提高歐洲能源自給保證能力的唯一選擇。歐洲缺乏燃煤儲量和大量使用的社會輿論環(huán)境、北海地區(qū)的油氣儲量有限、缺乏鋰電池原材料和供應鏈、耕種面積和氣候難以滿足生物燃料作物的大規(guī)模種植，綜合考慮上述因素后，歐盟選擇氫能進行能源結構轉型也就不難理解了。此外，對于歐洲各國來說，如果此次能源結構轉型能夠獲得成功的話，將帶動區(qū)域內(nèi)相關科技研發(fā)、經(jīng)濟發(fā)展和GDP的增長，開拓新的增量市場和就業(yè)機會。

在此背景下，空客所進行的氫能飛機計劃只是負責了歐盟能源替代計劃的一部分，而歐盟各國的技術研發(fā)成果未來也可以被其所借鑒和使用。因此，空客氫能飛機的商業(yè)化應用勢在必行，而這也將對未來商用航空市場產(chǎn)生深遠的影響。

前路仍充滿挑戰(zhàn)

從20世紀初發(fā)明飛機以來，人類就沒有停止過新技術的探索與應用。不過，氫能飛機盡管從理論上來講具備一系列顯而易見的優(yōu)點，但真正要投入商業(yè)應用，還有許多問題有待解決。

從工作機理來看，氫動力飛機從壓縮液態(tài)氫獲得動力。該過程通過將氫和氧結合在燃料電池中而起作用，這兩種元素的反應形成三種產(chǎn)物——水、熱和電力。與燃燒化石能源相比，此過程的不同之處在于，沒有二氧化碳釋放到大氣中。因而，氫能飛機更加環(huán)保，并使航空公司能夠履行其對“碳中和”增長的承諾。

當今最好的鋰電池組的能量密度為200Wh/kg，循環(huán)壽命為1000至2000次，充電時間為45分鐘以上。相比之下，液態(tài)氫燃料電池系統(tǒng)可達到3000Wh/kg以上的循環(huán)功率和15000多次循環(huán)壽命，并且在20分鐘內(nèi)即可加滿燃料。在舊金山到洛杉磯的航線上，一架737飛機一天最多可以往返4次，但目前鋰電池技術還無法滿足需求。未來即便是鋰電池技術的進步可以將循環(huán)壽命提升至4～8個月，一架飛機在全生命周期內(nèi)也需要更換50多次電池，這對于航空公司來說是一筆相當沉重的成本。

相比之下，氫燃料電池系統(tǒng)的使用壽命長了10倍，而能量密度高了5～20倍，但如何安全地存儲和運輸這些氫能源是一個較為棘手的難題。對此，波音曾公開表示，雖然氫能源具有獨特的應用前景，但是該技術的推廣仍面臨很多的困難，主要的難題就是氫燃料的生產(chǎn)和儲存問題。

幾十年來，航空業(yè)已經(jīng)對渦輪、渦扇發(fā)動機所使用的航空煤油有了全面的認識，對安全存儲、運輸、使用這些傳統(tǒng)燃料積累了豐富的經(jīng)驗。但是，氫燃料與傳統(tǒng)燃料有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，波音認為，如何安全、有效地使用氫燃料，還需要政府監(jiān)管機構、廠商等共同協(xié)作，實現(xiàn)管理措施、關鍵技術等方面的創(chuàng)新突破。從目前來看，波音認為氫能源的相關理論、知識、應用等研究課題還都存在著很多未知的領域。

波音的這些擔憂不無道理。目前，推廣氫能源的主要難題就是缺乏基礎設施，畢竟，無論是航空公司還是機場的配套設施，都是為航空煤油所準備的。

以美國為例，85%的商業(yè)航班集中在40個機場，剩余的15%的航班則分布在450多個機場。能源加注的網(wǎng)絡越大，整體更換它的難度就越大，成本也就越高，各個更小的站點需要更復雜的燃料后勤保障體系，并且每分配1千克燃料將產(chǎn)生更高的攤銷成本。同時，燃料系統(tǒng)的整體更新?lián)Q代需要大量資金投入和人力投入，沒有地方政府的支持，是很難想像的。

今年9月，一架名為“派珀·馬里布”、完全由氫燃料電池驅動的六座飛機從英國倫敦北部的克蘭菲爾德機場起飛，用零排放的氫燃料驅動完成了20分鐘的飛行，這是世界上首次氫燃料電池飛機的飛行。為了實現(xiàn)此次飛行，制造商與歐洲海洋能源中心在克蘭菲爾德機場專門配備了氫燃料加油生態(tài)系統(tǒng)（HARE），囊括了綠色氫生產(chǎn)、儲存、加油和驅動等一系列環(huán)節(jié)，這也是世界上首個配備了該設施的機場。未來，如果要在商用飛機上使用氫能的話，基礎設施建設將是首個需要解決的問題，同時也更需要政府未雨綢繆地進行提前規(guī)劃。