氫能飛機如何從圖紙變?yōu)楝F(xiàn)實

董幗雄

近兩年，綠色環(huán)保已經(jīng)成為了航空業(yè)的熱門話題。一方面，飛機制造商從原材料、生產(chǎn)工藝的角度不斷推行綠色制造，另一方面如何使用更環(huán)保、更低碳排放的航空燃料也成為了制造商、航空公司等多方共同關(guān)心的話題。其中，氫能源憑借獨一無二的優(yōu)勢被認為是航空業(yè)未來實現(xiàn)零碳排放和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略能源。在歐洲，氫能源更是不僅被視為未來綠色飛機的重要技術(shù)選項，同時也被視為歐洲后疫情時代實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的重要手段。

脫穎而出的氫能

近年來，由于人們對于環(huán)境保護的意識不斷提升，脫碳已經(jīng)成為了航空業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，目前全球航空運輸業(yè)每年的二氧化碳排放量超過9億噸，約占全部人類活動碳排放的2%。因此，全球范圍內(nèi)的監(jiān)管機構(gòu)近年來都在逐步推動行業(yè)減排。

2009年，國際航空運輸協(xié)會（IATA）為行業(yè)設(shè)定了一個艱巨的減排目標，即2020年前燃油效率年均提高1.5%，2020年達到碳中和，2050年航空運輸業(yè)碳排放量減少50%。此外，歐盟也通過綠色航空相關(guān)政策設(shè)定了航空減排的目標。

從可實現(xiàn)的角度來看，航空脫碳主要依靠兩種方式。一是技術(shù)的進步。為此，過去20年，航空發(fā)動機制造商通過技術(shù)的不斷改進，來提高發(fā)動機的燃油效率。據(jù)統(tǒng)計，目前航空發(fā)動機的燃油效率平均每年可提高2%，但客觀來說，要想在現(xiàn)有的技術(shù)、材料基礎(chǔ)上，實現(xiàn)發(fā)動機燃油效率質(zhì)的飛躍已不太現(xiàn)實。因此，新燃料成為了行業(yè)脫碳的另一個重要手段，通俗地講，就是使用新能源飛機。

與新能源汽車采用電動化的路線有所不同，航空領(lǐng)域更關(guān)注液體燃料的清潔化。此外，由于遠程航線對能量供給需求大，目前的電池能量密度和電池重量還遠不能達到要求。在綜合考慮這兩個因素后，氫燃料被寄予厚望。這主要是因為氫氣所產(chǎn)生的推力是航空煤油的3倍，但所釋放的二氧化碳量為零，氮氧化物也為超低排放。

此外，氫燃料飛機還可以幫助飛機制造商解決機載存儲與飛機減重的問題。氫燃料電池通過在經(jīng)過特殊處理的板上混合氫和氧來產(chǎn)生電能，為電池和馬達提供動力，這些板結(jié)合起來形成燃料電池堆。而燃料電池堆和電池使得工程師們可以大幅減少機載部件，從而減輕飛機重量。從理論上來看，在技術(shù)成熟之后，氫燃料飛機未來還可以借助液態(tài)氫儲存技術(shù)實現(xiàn)長途飛行。

早在2008年，波音就成功試飛了一架以氫燃料電池為動力的小型飛機。但之后，由于種種原因，行業(yè)對于氫燃料的應(yīng)用熱情并不高。近兩年，國際上對于氫能在航空領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸積極起來，包括美國、歐盟和俄羅斯、中國在內(nèi)的國家和地區(qū)都啟動了對氫燃料電池飛機的研究，以加快推動航空業(yè)脫碳的步伐。

氫能，未來的戰(zhàn)略資源

根據(jù)國際民航組織（ICAO）的預測，基于現(xiàn)有傳統(tǒng)航空技術(shù)的進步，航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及2050年碳排放減少至2005年50%的目標將無法實現(xiàn)。因此，發(fā)展可持續(xù)航空技術(shù)，開發(fā)包括太陽能、生物燃料和氫燃料等石化燃料以外的替代能源，將成為航空業(yè)實現(xiàn)碳減排目標的重要任務(wù)之一。

相比傳統(tǒng)能源，氫燃料的能量密度是標準航空燃料的3倍，航空業(yè)未來如果使用氫能代替?zhèn)鹘y(tǒng)石油將不但可以實現(xiàn)二氧化碳零排放，同時還能有效減少其他污染物的排放量。因此，對于航空業(yè)來說，發(fā)展氫能航空技術(shù)將成為航空運輸業(yè)實現(xiàn)碳中和的主要途徑，將成為航空技術(shù)發(fā)展的重要發(fā)展趨勢。

在歐洲，氫能源技術(shù)的研發(fā)更被視為一項戰(zhàn)略任務(wù)。法國國際關(guān)系研究所發(fā)布的《歐盟氫能戰(zhàn)略展望》中明確指出：“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。”在此背景下，法國出臺了高達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(shù)研發(fā)，而最具優(yōu)先權(quán)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(lǐng)先其美國競爭對手，更能夠帶動該領(lǐng)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(shù)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。

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(lǐng)導全面建設(shè)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?，歐洲各國對在航空業(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(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，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(yīng)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型能夠獲得成功的話，將帶動區(qū)域內(nèi)相關(guān)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。

氫能使用的挑戰(zhàn)

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021年全球及中國氫能飛機產(chǎn)業(yè)深度研究報告》顯示，未來隨著飛機推進系統(tǒng)、低溫存儲技術(shù)、氫燃料提取以及專門用于氫動力飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計等領(lǐng)域技術(shù)的不斷突破，未來全球氫能飛機市場規(guī)模將在2030年左右達到70.9億美元的規(guī)模，復合年增長率達到47%。

基于動力源劃分，氫燃料電池氫能飛機將在2030年前成為最大的細分市場。根據(jù)航程劃分，在預測期內(nèi)20公里至100公里的航段將引領(lǐng)氫能飛機市場。根據(jù)客運量劃分，預測期內(nèi)可乘坐10名以上旅客的細分市場規(guī)模最大。這份預測報告顯示，在預測期內(nèi)歐洲有望成為氫能飛機市場增長最快的地區(qū)，該地區(qū)的空客、GKN航空航天等都有望成為這一細分市場的領(lǐng)導企業(yè)。

以空客為例，公司發(fā)布了代號為“ZEROe”的3款零排放氫能源飛機概念設(shè)計方案。盡管這3款飛機采用了不同的空氣動力學構(gòu)型和動力系統(tǒng)配置形式，但都采用氫能源作為主要能源。根據(jù)計劃，空客新型氫能源飛機將于2035年投入運營，如果這一目標實現(xiàn)，將成為全球首款零排放商用飛機。為了實現(xiàn)這一既定目標，空客計劃按照“三步走”的方式進行推進：2021年進行地面演示;2023年氫燃料飛機交付;將氫燃料推廣應(yīng)用到空客全系產(chǎn)品，包括直升機產(chǎn)品和其他商用飛機產(chǎn)品。今年8月，漢莎航空表示，公司對空客這一項目十分感興趣，如果空客能夠成功研制氫能飛機，漢莎將有意成為其啟動用戶。

然而，盡管氫能有許多顯而易見的優(yōu)勢，但真正要用氫能替代傳統(tǒng)燃油，不僅需要飛機制造商做大量的工作，更需要行業(yè)配套企業(yè)推進相關(guān)的工作，以配合新能源在航空業(yè)的推廣應(yīng)用。

首當其沖的是監(jiān)管機構(gòu)的監(jiān)管將從飛行器擴展到航空器以外。從航空器本身來說，氫能飛機由于機體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)以及燃料存儲方式與現(xiàn)有燃料相比有著顯著差異，未來氫能飛機只有在達到同等甚至更高的適航安全標準后，才能真正投入商業(yè)運營。除了飛行器本身之外，正如歐洲航空安全局（EASA）在一次媒體發(fā)布會上所說的那樣，“利用氫能實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型還需要更多基礎(chǔ)設(shè)施保障，甚至對于監(jiān)管機構(gòu)來說，其監(jiān)管范圍可能還需擴大到航空器以外?！睘榇?，EASA已經(jīng)成為了專門的科學委員會，致力于加強各企業(yè)、高校之間的科研合作，以解決相關(guān)技術(shù)難題。

其次，是氫能源的生產(chǎn)和存儲問題。由于氫燃料與傳統(tǒng)石油燃料有很大的不同，對于機場來說，如何低成本實現(xiàn)氫燃料的運輸和存儲，將直接影響到航空公司未來的運營。

目前已有的研究表明，液氫存儲罐應(yīng)采用球形或柱形，而傳統(tǒng)機翼油箱不適宜儲存液氫燃料。因此，對于中短程客機而言，需要對現(xiàn)有機體結(jié)構(gòu)進行調(diào)整或重新設(shè)計。因此，對于飛機制造商來說，如果要采用氫能就需要引入全新的、革命性的機體設(shè)計思路，如翼身融合設(shè)計、箱式機翼結(jié)構(gòu)等，以達到提高飛機內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)利用率的目的。

當然，上述這項工作并不是飛機制造商一家能夠解決的。幾十年來，航空行業(yè)已經(jīng)對當前渦輪發(fā)動機所需的傳統(tǒng)燃料有了全面認識，并在生產(chǎn)、使用、存儲等各個環(huán)節(jié)積累了豐富的經(jīng)驗。但由于氫燃料與傳統(tǒng)燃油有著本質(zhì)區(qū)別，因此如何安全、高效地使用需要監(jiān)管機構(gòu)、機場、航空公司等多方共同協(xié)作，從而實現(xiàn)管理措施、關(guān)鍵技術(shù)等方面的創(chuàng)新突破，就目前來看，氫能源相關(guān)的理論、應(yīng)用等仍有很多未知的領(lǐng)域有待突破。