歐洲航空工業(yè)的氫能布局

杜婷

歐盟圍繞未來(lái)氫能在各行業(yè)的應(yīng)用制定了詳細(xì)的發(fā)展規(guī)劃，并將氫能定位為戰(zhàn)略能源之后，歐洲航空業(yè)也快速跟進(jìn)，圍繞從氫能的生產(chǎn)、存儲(chǔ)和應(yīng)用到飛機(jī)設(shè)計(jì)、技術(shù)整合、機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)開始了全產(chǎn)業(yè)鏈研究。

近年來(lái)，全球應(yīng)對(duì)氣候變化的壓力日益突出，氫能作為一種有望在多領(lǐng)域有效替代化石燃料的清潔能源受到了歐洲的高度關(guān)注。歐盟圍繞未來(lái)氫能在各行業(yè)的應(yīng)用制定了詳細(xì)的發(fā)展規(guī)劃，并將氫能定位為戰(zhàn)略能源之后，歐洲航空業(yè)也快速跟進(jìn)，圍繞從氫能的生產(chǎn)、存儲(chǔ)和應(yīng)用到飛機(jī)設(shè)計(jì)、技術(shù)整合、機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)開始了全產(chǎn)業(yè)鏈研究。

空客看好氫能源

2020年，空客發(fā)布了一組氫能源飛機(jī)概念圖，并計(jì)劃在2035年左右將氫能源飛機(jī)投入市場(chǎng)。此后，歐洲其他產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)和美國(guó)一些初創(chuàng)公司也陸續(xù)表示，有意進(jìn)軍氫能源飛機(jī)市場(chǎng)。隨著飛機(jī)制造商開始參與到供應(yīng)鏈之中，巴黎的機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商開始選擇合作伙伴進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施裝備的測(cè)試，歐洲航空安全局（EASA）開始關(guān)注這一新興的研發(fā)領(lǐng)域。

針對(duì)氫能飛機(jī)研發(fā)，空客計(jì)劃在2020～2024年進(jìn)入為期5年的技術(shù)成熟期，在2025～2027年尋找資本和供應(yīng)商并建立生產(chǎn)系統(tǒng)，在2027～2028年啟動(dòng)飛機(jī)生產(chǎn)計(jì)劃，目標(biāo)是在2035年將氫能飛機(jī)投入使用。同時(shí)，空客也表示，氫能源飛機(jī)的應(yīng)用意味著產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)，不僅需要空客投入研發(fā)資源，更需要產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)共同參與。

阿麗亞娜集團(tuán)在其控股股東空客和賽峰的支持下也已開始了氫能源飛機(jī)的相關(guān)研發(fā)工作，并啟動(dòng)了一個(gè)名為Hyperion的項(xiàng)目。該項(xiàng)目主要用于研發(fā)飛機(jī)上的液氫分配系統(tǒng)等，部分資金來(lái)自法國(guó)政府對(duì)航空業(yè)的援助計(jì)劃，公司計(jì)劃在2023年對(duì)小型氫推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行地面測(cè)試。

但是，氫能的利用還面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。例如為了達(dá)到適合的能量密度必須使用液態(tài)氫，而氫在-252℃以下才能液化，因此在液氫儲(chǔ)存方面面臨巨大挑戰(zhàn)。另外，航空業(yè)作為全球性產(chǎn)業(yè)，氫能全球可用性就是關(guān)鍵問(wèn)題，特別是如何以環(huán)保的方式制備氫氣。例如，氫燃料是在全球范圍內(nèi)提供供給還是只在某些地區(qū)提供等。

對(duì)此，空客表示，相比航天業(yè)，航空業(yè)使用氫能源的環(huán)境更復(fù)雜。但盡管如此，考慮到航空業(yè)在常規(guī)燃料的使用中已經(jīng)掌握了一些運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，因此相信未來(lái)也完全可以安全使用氫燃料。此外，空客對(duì)于未來(lái)氫能在支線飛機(jī)或中短程窄體客機(jī)的使用上持樂觀態(tài)度。以A320系列飛機(jī)為例，空客認(rèn)為除了常規(guī)的設(shè)計(jì)更改之外，未來(lái)利用氫能來(lái)提高飛機(jī)的使用效率也是一條值得探索的發(fā)展路徑。

EASA關(guān)注氫能的應(yīng)用

作為行業(yè)監(jiān)管方，歐洲航空安全局認(rèn)為，盡管氫能在航空業(yè)的大范圍使用還需要時(shí)日，但有一些工作需要提前謀劃。

目前，EASA已經(jīng)成立了科學(xué)委員會(huì)用來(lái)加強(qiáng)氫能應(yīng)用方面的學(xué)術(shù)合作。EASA預(yù)計(jì)，制定氫能使用的相關(guān)規(guī)章至少需要四五年時(shí)間，因此前期的認(rèn)證分析工作需要盡早啟動(dòng)。同時(shí)，EASA還十分關(guān)注氫能的運(yùn)輸鏈等問(wèn)題。例如在加注燃料的時(shí)候，氫燃料的風(fēng)險(xiǎn)與目前Jet-A1燃料有著顯著不同，因此必須對(duì)地面氫燃料運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行認(rèn)證，加注時(shí)間可能也需要監(jiān)管，加注時(shí)必須與機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行溝通。這也意味著航空業(yè)向氫能轉(zhuǎn)型，不僅涉及飛機(jī)產(chǎn)品，還需要機(jī)場(chǎng)在戰(zhàn)略層面提前規(guī)劃。在這方面，巴黎的一些機(jī)場(chǎng)已經(jīng)開始著手進(jìn)行嘗試。

日前，巴黎機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商——Groupe ADP領(lǐng)導(dǎo)11家公司開始了一個(gè)名為“H2樞紐機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目”的研究工作，該項(xiàng)目包括研究以氫作為航空燃料的一些實(shí)地測(cè)試。目前，這一研究工作從收到的124份意向征集書中篩選出了11個(gè)項(xiàng)目，主要涉及3個(gè)領(lǐng)域，即氫能的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和分配;氫能應(yīng)用的多樣化;氫能和其他副產(chǎn)品的回收。有不少法國(guó)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)已經(jīng)開始參與這一項(xiàng)目，法國(guó)Absolut系統(tǒng)公司就是其中一家。

法國(guó)Absolut系統(tǒng)公司專門從事低溫系統(tǒng)的研發(fā)，特別是用于科研、衛(wèi)星和超導(dǎo)的系統(tǒng)。此前該公司已經(jīng)開始與空客合作，進(jìn)行商用飛機(jī)設(shè)計(jì)超導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)。公司認(rèn)為，其已有的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)可應(yīng)用在未來(lái)氫能飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)中，解決諸如氣化傾向強(qiáng)烈的問(wèn)題。

液氫在儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存時(shí)，有一部分會(huì)氣化，因此Absolut系統(tǒng)公司正在研究如何回收低溫的氣體氫。目前公司已經(jīng)用多種氣體進(jìn)行了測(cè)試，技術(shù)處于4級(jí)成熟度（TRL4）的水平，估計(jì)在經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證后，當(dāng)技術(shù)成熟度達(dá)到TRL 6之后，該技術(shù)才能用于產(chǎn)品開發(fā)。

創(chuàng)新的制氫方案

2017年，法國(guó)綠色能源供應(yīng)商Sakowin表示已經(jīng)具備了一種生產(chǎn)氫氣的綠色解決方案。如果對(duì)氫氣制取采用集中生產(chǎn)的方式，就必須對(duì)氫氣進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存，那么氫能與石油能源相比就沒有競(jìng)爭(zhēng)力。天然氣的儲(chǔ)量預(yù)計(jì)還能維持?jǐn)?shù)百年，是目前制取氫氣最有效的來(lái)源。

天然氣主要由甲烷（CH4）構(gòu)成，雖然燃燒甲烷的能效也很高，但會(huì)釋放二氧化碳，而Sakowin公司的技術(shù)可以在不產(chǎn)生CO2的情況下從甲烷中提取氫氣。Sakowin公司采用低能等離子體技術(shù)，工藝過(guò)程與從石油制品中生產(chǎn)“灰色”氫的重整過(guò)程相近，產(chǎn)生的碳則可以用于電池電極和輪胎。

制氫的緊湊型反應(yīng)裝置設(shè)置在一個(gè)獨(dú)立的隔間內(nèi)，通過(guò)2個(gè)或多個(gè)隔間的組合使系統(tǒng)模塊化，由于反應(yīng)裝置可以安裝在靠近使用氫能的地方，因此這種模塊化的生產(chǎn)模式可實(shí)現(xiàn)分布式生產(chǎn)。其中一個(gè)反應(yīng)裝置的功率需求約80千瓦，每天可以產(chǎn)生1噸的氫氣，而且無(wú)需運(yùn)輸和儲(chǔ)存環(huán)節(jié)。Sakowin公司已經(jīng)建成了一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下運(yùn)行的原型設(shè)備，當(dāng)前達(dá)到了TRL4的水平，有望在2025年上市量產(chǎn)型設(shè)備。

美國(guó)Ways2H公司成立于2019年，該公司也研發(fā)了一套系統(tǒng)用于氫能源生產(chǎn)。該公司使用的原料主要是各種有機(jī)廢物，采用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝。日本藍(lán)色能源公司（JBEC）和美國(guó)投資集團(tuán)清潔能源公司是Ways2H的兩大股東，其中JBEC從21世紀(jì)初開始研發(fā)相關(guān)技術(shù)，并在日本建造了4座測(cè)試設(shè)備來(lái)改進(jìn)技術(shù)。

Ways2H公司表示，最新版的反應(yīng)設(shè)備自2018年以來(lái)一直在東京附近成功運(yùn)行，公司在此基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了一種更緊湊、更便于運(yùn)輸?shù)男吞?hào)，設(shè)備制造已于2021年3月完成建設(shè)。該技術(shù)的原理是將有機(jī)物分解成分子，如甲烷、水、碳氧化物和氫，其中氫的含量達(dá)到50%以上，再使用氣體分離技術(shù)來(lái)提取氫氣。該技術(shù)的重要特征是溫度管理，系統(tǒng)能夠自穩(wěn)定反應(yīng)溫度，防止溫度過(guò)高而轉(zhuǎn)化為危險(xiǎn)的高壓，也防止溫度過(guò)低而導(dǎo)致焦油的形成。

可以用Ways2H公司這一技術(shù)處理的原料很多，包括木屑、城市垃圾、污水污泥或醫(yī)療廢物等，該公司正準(zhǔn)備在洛杉磯地區(qū)安裝一個(gè)反應(yīng)裝置，每天可以用1噸城市垃圾生產(chǎn)40～50千克氫氣。當(dāng)然Ways2H公司的技術(shù)也能夠處理機(jī)場(chǎng)中的可用垃圾。由于機(jī)場(chǎng)擁有自己的專屬車隊(duì)，是發(fā)展氫能基礎(chǔ)設(shè)施的理想場(chǎng)所。Ways2H預(yù)計(jì)巴黎戴高樂機(jī)場(chǎng)修建的設(shè)施每天將能夠處理24噸垃圾，從中可以提取1.5噸氫氣，足以供300輛氫燃料汽車使用。盡管目前這種設(shè)備還不能產(chǎn)生足夠的氫來(lái)給飛機(jī)使用，但可為地面運(yùn)營(yíng)的車輛提供燃料。

此外，該制氫設(shè)施還具有分布式的特點(diǎn)，可將垃圾處理和制氫裝置打造成微型網(wǎng)絡(luò)，機(jī)場(chǎng)也不再需要付費(fèi)運(yùn)輸垃圾，由此可見，Ways2H公司提供的是一種循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念。

更安全的氫能儲(chǔ)運(yùn)和管理方案

Air Liquide是一家專門為航天發(fā)射制造液氫和液氧的公司，公司目前正在研發(fā)“高容量、高輸出和可快速連接的”液氫加注車。該車的成熟度已經(jīng)達(dá)到了TRL 5的水平，預(yù)計(jì)在2025年可以投入市場(chǎng)，為機(jī)場(chǎng)的地面車輛加氫站提供燃料。由于公司也在運(yùn)用冷凝蒸汽技術(shù)，因此能與法國(guó)Absolut系統(tǒng)公司的技術(shù)實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。

其他的氫燃料地面支援設(shè)施近期可能就會(huì)出現(xiàn)在機(jī)場(chǎng)，有地面動(dòng)力裝置、飛機(jī)拖車、行李拖車或裝載機(jī)等類型，技術(shù)成熟度等級(jí)為TRL6～9不等。一家法德合資財(cái)團(tuán)和Engie能源集團(tuán)正在設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)和車輛，并界定裝備用途及培訓(xùn)駕駛員等。美國(guó)初創(chuàng)公司環(huán)球氫氣公司計(jì)劃將支線飛機(jī)改裝為氫燃料電池飛機(jī)，使用模塊化儲(chǔ)氫罐對(duì)氫進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸。

法國(guó)民航局（DGAC）、國(guó)家工業(yè)環(huán)境與風(fēng)險(xiǎn)研究所（Ineris）和古斯塔夫埃菲爾大學(xué)聯(lián)合成立了H2應(yīng)用聯(lián)盟。由于氫將在機(jī)場(chǎng)內(nèi)用于多種用途，因此必須解決一些安全和安保問(wèn)題，并及早識(shí)別重要風(fēng)險(xiǎn)。

例如裝滿易燃易爆性原料的儲(chǔ)氫罐不應(yīng)位于控制塔臺(tái)旁邊，且氫也可能面臨Jet-A1燃料目前面臨的問(wèn)題，例如在加氫過(guò)程中可能會(huì)被其他車輛扯掉加氫管導(dǎo)致氫燃料泄漏等。要為這些風(fēng)險(xiǎn)做好準(zhǔn)備，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)安全系統(tǒng)來(lái)防止大面積泄漏。

因此，總體來(lái)看，很多氫能項(xiàng)目的成熟度還很低，整體可能只有TRL2水平，距離真正的運(yùn)營(yíng)還有很長(zhǎng)的路要走。

DLR主導(dǎo)的示范工程

德國(guó)漢堡正著手籌建氫能源相關(guān)開發(fā)平臺(tái)，為新能源航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用做準(zhǔn)備。根據(jù)規(guī)劃，未來(lái)兩年內(nèi)，由德國(guó)漢堡市出資，德國(guó)航空航天研究中心（DLR）、漢莎航空技術(shù)公司、應(yīng)用航空研究中心（ZAL）和漢堡機(jī)場(chǎng)將基于各自專業(yè)優(yōu)勢(shì)，聯(lián)合開展一項(xiàng)制氫/儲(chǔ)氫/用氫示范工程，進(jìn)行氫能維護(hù)/地面處理過(guò)程的設(shè)計(jì)和測(cè)試，為全球航空產(chǎn)業(yè)氫能源安全、高效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)由DLR領(lǐng)導(dǎo)，其中DLR負(fù)責(zé)氫能應(yīng)用虛擬環(huán)境的開發(fā)，漢莎航空技術(shù)公司負(fù)責(zé)商用飛機(jī)平臺(tái)維修和改裝，ZAL負(fù)責(zé)燃料電池和數(shù)字化驗(yàn)證，漢堡機(jī)場(chǎng)作為主要運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)定義未來(lái)液氫動(dòng)力飛機(jī)的地面處理要求。

德國(guó)漢堡作為世界上最大的3個(gè)航空運(yùn)輸樞紐之一，在2020年提出了成為主要的氫能運(yùn)用大都市的愿景。目前，漢堡港口、能源部門、工業(yè)界、航空界都參與其中，為氫能技術(shù)突破做準(zhǔn)備。

DLR的氫能應(yīng)用項(xiàng)目第一階段工作目標(biāo)是在2021年底，由研發(fā)團(tuán)隊(duì)評(píng)估出最急需的研究領(lǐng)域，以確定攻關(guān)方向，在此基礎(chǔ)上開展概念研究和相關(guān)測(cè)試。2022年初開始概念驗(yàn)證實(shí)施，包括對(duì)一架退役的空客A320飛機(jī)進(jìn)行改裝。該機(jī)將配備液態(tài)氫制備所需的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，作為漢莎技術(shù)公司漢堡基地的一個(gè)功能齊全的固定實(shí)驗(yàn)室。

同時(shí)，DLR還將創(chuàng)建一個(gè)虛擬平臺(tái)，通過(guò)參數(shù)化的高精度虛擬模型，驗(yàn)證在地面上使用氫能對(duì)飛機(jī)平臺(tái)運(yùn)行維護(hù)的具體要求。這些數(shù)字化過(guò)程可直接用于面向未來(lái)需求的飛機(jī)配置設(shè)計(jì)。

漢堡機(jī)場(chǎng)將基于專業(yè)技術(shù)儲(chǔ)備，重點(diǎn)攻關(guān)解決氫能在機(jī)場(chǎng)的儲(chǔ)存和輸送問(wèn)題。通過(guò)該試驗(yàn)項(xiàng)目，漢堡機(jī)場(chǎng)能夠最終確定氣體氫能源和液態(tài)氫能源之間的協(xié)同效應(yīng)，并盡可能充分利用這種新能源。根據(jù)先期構(gòu)想，氣態(tài)氫將用作行李牽引車，液態(tài)氫將用作飛機(jī)能源。