氫能航空發(fā)展現(xiàn)狀分析

■ 曹冠杰 王業(yè)輝/中國航發(fā) 孫小金/中國航發(fā)商發(fā)

氫作為零碳清潔能源，因具備能量密度高（相當(dāng)于航空煤油的3倍）且燃燒產(chǎn)物為水等低碳、綠色的優(yōu)勢，有望將碳排放量減少50%以上，是航空業(yè)實現(xiàn)“脫碳”的重要手段，受到各國政府、相關(guān)機構(gòu)和航空企業(yè)的高度重視。

隨著世界能源結(jié)構(gòu)加速向低碳化、無碳化方向演變，航空業(yè)面臨全球能源體系深刻變革帶來的新挑戰(zhàn)。在此背景下，近年來被廣泛稱為“21世紀的終極能源”的氫能備受青睞，諸多涉及氫能航空發(fā)展的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃相繼出爐。與此同時，傳統(tǒng)航空企業(yè)和初創(chuàng)公司在前期積累的基礎(chǔ)上，紛紛加大了對氫渦輪發(fā)動機和氫燃料電池等相關(guān)技術(shù)的投入力度，以求在氫能航空的賽道上占得先機。

頂層規(guī)劃推動氫能航空動力發(fā)展

歐盟發(fā)布《氫能航空》研究報告

歐盟于2020年5月發(fā)布了《氫能航空》（Hydrogen-Powered Aviation）研究報告。該報告作為歐盟清潔天空航空減排總體規(guī)劃的一部分，指出氫能驅(qū)動在降低航空業(yè)對氣候的影響和實現(xiàn)脫碳目標方面具有重大卻被低估的潛力，必須要采取相關(guān)行動，如制定航空路線圖指導(dǎo)行業(yè)過渡，大幅增加長期的研究與創(chuàng)新活動和資金，長期的政策框架為該行業(yè)制定保障措施等。報告基于對氫能技術(shù)的可行性分析、關(guān)鍵的成本驅(qū)動因素、不確定性以及引入壁壘，形成了氫能動力研發(fā)與創(chuàng)新活動的路線圖。路線圖分為核心氫能組件的開發(fā)、氫能飛機系統(tǒng)的開發(fā)（包括新飛機設(shè)計）、明確基礎(chǔ)設(shè)施壁壘和建立治理框架4個領(lǐng)域。其關(guān)鍵研究活動分3個階段開展，分別是：2020—2028年，發(fā)展基礎(chǔ)性技術(shù)，促使通勤飛機通過認證，實現(xiàn)支線和短途氫能飛機成功試飛，并制定路線圖和基礎(chǔ)工作體系，從安全和市場激活機制等方面提供保障；2028—2035年，集中擴大核心氫能組件等應(yīng)用規(guī)模，將其應(yīng)用于中程飛機，同時也為氫能航空的再次發(fā)展做好準備；2035—2050年，為中遠程開發(fā)概念機和原型機，包括新的革命性飛機設(shè)計以及用于大規(guī)模燃料供應(yīng)和快速加注的新技術(shù)。

各國關(guān)于推動氫能航空發(fā)展的頂層規(guī)劃

英國發(fā)布《國家氫能戰(zhàn)略》

英國商業(yè)能源與產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略部于2021年8月發(fā)布《國家氫能戰(zhàn)略》 （UK Hydrogen Strategy），提出到2030年要成為氫能的全球領(lǐng)導(dǎo)者，擁有5GW的低碳氫產(chǎn)能。該戰(zhàn)略將氫能經(jīng)濟路線圖分為4個階段，其中與航空相關(guān)的氫能部分分別是：2022—2024年，實現(xiàn)小規(guī)模電解制氫，開展航空試驗；2025—2027年，試點采用碳捕獲、利用與封存（CCUS）技術(shù)的氫能項目并不斷擴大電解氫產(chǎn)能，采用小規(guī)模集群管網(wǎng)并擴展卡車運輸和小型存儲，開展航空試驗；2028—2030年，大規(guī)模采用CUUS技術(shù)的制氫及大規(guī)模電解制氫，實現(xiàn)大規(guī)模存儲及與天然氣網(wǎng)絡(luò)整合，同時在航空方面實現(xiàn)應(yīng)用；21世紀30年代中期以后，不斷擴大生產(chǎn)規(guī)模與范圍，形成區(qū)域或國家網(wǎng)絡(luò)，在航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大規(guī)模的應(yīng)用。

美國發(fā)布《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》

2020年11月，美國能源部發(fā)布《氫能計劃發(fā)展規(guī)劃》（Department of Energy Hydrogen Program Plan）， 該計劃以解決機構(gòu)和市場壁壘，跨應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛部署，最終實現(xiàn)清潔環(huán)保、成本低廉、安全可靠的氫能廣泛應(yīng)用于各類場景為目標，提出未來10年及更長時間氫能研究、開發(fā)和示范的總體戰(zhàn)略框架，研究燃料電池和燃氣輪機等氫能轉(zhuǎn)化技術(shù)，明確了氫能發(fā)展技術(shù)和經(jīng)濟指標，主要包括3個方面：一是設(shè)定氫能全鏈條中應(yīng)重點發(fā)展的技術(shù)和經(jīng)濟指標，期望通過技術(shù)創(chuàng)新，提高技術(shù)穩(wěn)定性和效率，降低成本，加快一批氫能技術(shù)或產(chǎn)品的商業(yè)化應(yīng)用；二是加大對氫能相關(guān)的其他技術(shù)的攻關(guān)，期望進一步為美國氫能經(jīng)濟提供更多元化的選擇；三是開展氫能標準的研究和制定。美國能源部計劃5年內(nèi)投資1億美元，支持由美國國家實驗室主導(dǎo)的氫能和燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)研究，將促進航空氫能動力的發(fā)展。

氫能航空動力技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前氫燃料發(fā)動機和氫燃料電池推進系統(tǒng)是氫能航空最受關(guān)注的兩個方向。

氫燃氣渦輪一般包括氫燃料渦扇發(fā)動機和氫燃料電動風(fēng)扇發(fā)動機兩種形式。前者結(jié)構(gòu)與現(xiàn)役航空發(fā)動機基本相同，氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，推動渦輪并帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力；后者則是通過渦輪帶動發(fā)電機發(fā)電，由電動機帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力。相比較使用化石燃料，燃氫僅產(chǎn)生水蒸氣和部分氮氧化物，不會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、硫化物等溫室氣體和煙塵等污染物，飛行過程對氣候的影響可降低50%～75%。為適應(yīng)氫能使用特性，需對傳統(tǒng)航空發(fā)動機燃燒室、燃料噴射與混合裝置、熱循環(huán)和管理系統(tǒng)等進行改進或重新設(shè)計，并開發(fā)針對氫燃料的低氮氧化物排放技術(shù)。

氫渦輪和氫燃料電池在航空上的應(yīng)用[1]

空客與CFM國際公司改裝A380飛機作為氫燃料發(fā)動機飛行測試平臺

空客公司早在2016年就啟動了氫動力相關(guān)試驗設(shè)備研究，2020年9月發(fā)布名為ZEROe的三種氫能飛機方案，分別采用渦槳氫混合動力、渦扇氫混合動力和翼身融合混合動力；同年12月，公布了以6個推進吊艙為主要特征的全新氫動力飛機構(gòu)型，并表示將于2024—2025年完成氫動力相關(guān)技術(shù)方案的選擇。2022年2月22日，空客與CFM國際公司簽署合作協(xié)議，將于2025年左右共同啟動氫示范項目，旨在對氫燃料發(fā)動機進行地面和飛行測試，為2035年前將一款零排放飛機投入使用做好準備。

英國航空航天技術(shù)研究院（ATI）于2021年12月發(fā)布了FlyZero液氫動力遠程中型飛機概念，提供了詳細的方案預(yù)覽，如無燃料箱機翼、儲氫罐、低溫燃料系統(tǒng)和氫燃料發(fā)動機等，并在2022年年初公布了方案細節(jié)。FlyZero飛機采用兩臺氫燃料渦扇發(fā)動機，航程9723km。燃料將儲存在后機身的一對低溫液氫罐和機身前部兩側(cè)的兩個較小的液氫罐中，飛行時通過液氫消耗量來調(diào)整飛機的平衡，并減少對整機氣動結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求。

俄羅斯目前正計劃對VK2500發(fā)動機進行改造，將采用氫燃料、低溫儲罐、恒溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和液氫供給系統(tǒng)，飛行試驗將在雅克-40LL飛行試驗平臺上開展，計劃5年內(nèi)研制成功。

普惠公司于2022年2月獲美國能源部支持，開發(fā)新型高效氫燃料推進技術(shù)，啟動了氫-蒸汽噴射、間冷渦輪發(fā)動機（HySIITE）項目，將使用液氫燃料和水蒸氣回收來實現(xiàn)飛行中的零碳排放，并可將下一代單通道飛機的氮氧化物排放量減少高達80%，燃料消耗減少高達35%。同時，HySIITE項目的半封閉式系統(tǒng)架構(gòu)將實現(xiàn)比燃料電池更高的熱效率，并降低總運營成本。

氫燃料電池技術(shù)發(fā)展

氫在燃料電池中通過電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電并排出水，電動機帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力。與氫燃料發(fā)動機相比，氫燃料電池內(nèi)部氫與氧電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境純凈，極少產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)核，使飛行對氣候的影響可降低75%～90%。目前氫燃料電池技術(shù)還存在能量密度低、使用壽命短和單體輸出功率低等問題，需要通過采用新型電極材料、電池一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，高效的水和熱管理和運行控制等方法，進一步提高電池功率密度、延長壽命（超過25000h）。

FlyZero液氫動力遠程中型飛機概念

HyPoint公司的渦輪空冷燃料電池概念及試驗驗證原型

羅羅公司在600kW氫燃料電池研究的基礎(chǔ)上，開展用于全尺寸支線飛機的2MW氫動力系統(tǒng)的開發(fā)，預(yù)計2023年實現(xiàn)動力系統(tǒng)集成到微電網(wǎng)中的示范驗證，2024年將在19座氫燃料電池電動飛機上投入使用，2050年成為一家凈零碳排放公司。

吉凱恩（GKN）公司于2020年12月啟動了氫燃料電池開發(fā)項目H2GEAR，為期5年，目標為開發(fā)首個可應(yīng)用于支線飛機的氫能電驅(qū)動系統(tǒng)，將在2022年進入詳細設(shè)計階段，2026年投入使用。H2GEAR項目將開發(fā)整個動力系統(tǒng)，包括儲氫、燃料電池、動力管理系統(tǒng)和電動機，目標是證明“功率密度的階躍變化”，足以使液氫燃料電池為商用飛機提供動力，系統(tǒng)功率輸出至少為1MW，初期目標是用于19座通勤飛機，但最終目標是擴展到為70～90座支線客機提供動力。

美國初創(chuàng)公司HyPoint推出了一型渦輪空冷（TAC）氫燃料電池系統(tǒng)原型機。該燃料電池系統(tǒng)融合了高溫質(zhì)子交換膜（HTPEM）燃料電池、空氣冷卻及渦輪增壓等3種技術(shù)。HTPEM技術(shù)與現(xiàn)有液冷低溫質(zhì)子交換膜（LTPEM）燃料電池相比，單位功率提高3倍，能量密度是現(xiàn)有鋰離子電池的5倍，并能提供更高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、簡化的水和熱管理，以及對雜質(zhì)的高抵抗力。HyPoint公司預(yù)計2022年開始交付用于飛行測試全尺寸動力系統(tǒng)，目標平臺包括電垂直起降飛行器（eVTOL）和貨運無人機。HyPoint公司還與德國化工巨頭巴斯夫（BASF）公司合作，開發(fā)下一代TAC HTPEM燃料電池，旨在減輕燃料電池的質(zhì)量并提高耐用性，計劃于2024年中期向顧客提供。

波音公司計劃2050年前生產(chǎn)不需改變現(xiàn)有航空基礎(chǔ)設(shè)施的“過渡”燃料，2050年后氫燃料完全替代傳統(tǒng)航空燃料，目前其氫燃料電池飛機研究項目（theator airplane）和氫動力無人機“鬼眼”（Phantom Eye）都進行了試飛。

德國航空航天中心（DLR）啟動氫燃料電池航空電驅(qū)動總成（BALIS）項目，目標是將燃料電池功率提高到1.5MW，為40～60座、航程1000km的支線飛機提供動力。DLR已與德國MTU航空發(fā)動機公司合作開發(fā)500kW的燃料電池動力系統(tǒng)，于2026年開始試飛。同時，DLR開展氫燃料電池推進系統(tǒng)試驗場建設(shè)，將對1.5MW的氫燃料電池推進系統(tǒng)進行地面測試。

氫能源動力發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

作為新興產(chǎn)業(yè)，氫能與未來航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)系密切，但以氫能為動力實現(xiàn)航空業(yè)脫碳仍要面對諸多挑戰(zhàn)。

一是氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模和經(jīng)濟性有待提升。目前，氫能作為建筑和交通運輸業(yè)的燃料仍在試驗階段，未能形成大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。在生產(chǎn)成本上，可再生能源制氫也難以和化石能源制氫相匹敵。2018年，天然氣制氫、采用碳捕捉和封存技術(shù)的天然氣制氫、煤炭制氫的成本分別為0.9～3.2美元/kg、1.5～2.9美元/kg、1.2～2.2美元/kg，而可再生能源制氫成本的最低值接近化石能源制氫成本的最高值。

二是內(nèi)部市場環(huán)境條件有待改善。在能源市場運行和監(jiān)管制度方面，各國缺乏統(tǒng)一的規(guī)范，需要打破各國內(nèi)部市場障礙和壁壘。2020年8月，歐盟能源監(jiān)管合作署（ACER）發(fā)布報告指出，當(dāng)前歐盟為氫能另行建造管道并不現(xiàn)實，將氫氣混合在天然氣管道中使用是一種可行選擇，但僅有少數(shù)成員國允許將氫氣注入天然氣管道實行混合運輸。

三是氫燃料難以在飛機上大量且安全儲存。雖然氫燃料能量密度高，但體積能量密度很低，產(chǎn)生相同能量需要5倍于航空煤油的體積。在航空業(yè)已掌握的儲存技術(shù)中，只有高壓氣體或低溫液體儲罐技術(shù)可以用于氫燃料的存儲。若以高壓氣體形式儲氫，將占飛機較大的機體空間。相比之下，低溫液體形式儲氫具有較高的質(zhì)量能量儲存密度，但存儲條件很高，即極低溫度（-253℃）和恒定壓強（1.429atm），這將導(dǎo)致液氫罐結(jié)構(gòu)和配套冷卻系統(tǒng)異常復(fù)雜，進而大大降低整體系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度。同時，氫在高濃度下，容易被極小的火花或空氣中的多種混合物引發(fā)燃燒，并且因氫燃燒時具有不可見、無熱量釋放（能量通過紫外線輻射釋放）的特點，泄漏時很難被檢測，這些都給飛行安全帶來了嚴重隱患。

四是現(xiàn)有航空動力技術(shù)及研發(fā)設(shè)備需進一步完善提升?，F(xiàn)有航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)不適合燃氫，氫燃料燃燒時與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)迅速，燃燒溫度更高、火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，容易產(chǎn)生過量氮氧化物且容易發(fā)生回火現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)有航空發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)氫的穩(wěn)定燃燒。設(shè)備設(shè)施不完善也是嚴重制約氫能應(yīng)用的關(guān)鍵因素。氫能作為一種未在航空業(yè)正式投入使用的新能源，相關(guān)氫能航空動力試驗設(shè)備及安全試驗條件建設(shè)相當(dāng)匱乏，如果無法安全進行氫能源航空動力試驗、低成本實現(xiàn)氫燃料的運輸與儲存，將會直接影響到氫能飛機的商業(yè)運營。

對我國氫能航空動力發(fā)展的啟示

2019年，我國首次將氫能源寫入政府工作報告中并正式納入能源體系，氫能在其中的占比將進一步提升，同時氫能產(chǎn)業(yè)鏈中制氫、儲運、加氫站、氫燃料電池應(yīng)用等各環(huán)節(jié)也將獲大幅發(fā)展，為氫能航空動力的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)，可進一步在核心技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施、商業(yè)化等方面加大推進力度。

一是建立健全頂層規(guī)劃、法規(guī)與政策體系。可加強頂層牽引，堅持政府引導(dǎo)，制定適應(yīng)國情的氫能發(fā)展的中長期目標，將氫能放在生態(tài)綠色生產(chǎn)和消費體系中進行立法，積極發(fā)揮國家規(guī)劃引導(dǎo)和政策激勵作用，鼓勵地方政府和企業(yè)結(jié)合自身優(yōu)勢，科學(xué)制定政策和規(guī)劃，并給予相應(yīng)政策和資源支持。

二是加大氫能航空動力核心技術(shù)研發(fā)支持。研究制定航空氫能動力頂層發(fā)展戰(zhàn)略，明確航空氫能動力發(fā)展目標、重點任務(wù)和技術(shù)發(fā)展路線圖，為我國航空氫動力發(fā)展提供頂層指導(dǎo)。同時，通過國家相關(guān)政策支持、創(chuàng)新管理機制保障，吸引全球優(yōu)秀人才，集中優(yōu)勢力量持續(xù)、深入地開展基礎(chǔ)研究，突破航空氫能動力技術(shù)瓶頸。

三是重視氫源供應(yīng)及儲運的發(fā)展?？煽康土臍湓垂?yīng)、儲運及加氫站運維是氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的限制環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)與氫能下游應(yīng)用的協(xié)同發(fā)展，應(yīng)根據(jù)各地區(qū)氫源及制氫方式的不同，因地制宜地發(fā)展多元化氫源供應(yīng)及儲運，健全加氫站建設(shè)、規(guī)范審批機制，積極探索盈利模式。

四是整合優(yōu)勢力量。目前，氫能已在汽車和能源行業(yè)得到一定程度的應(yīng)用，具備了較為實用化的技術(shù)基礎(chǔ)，其底層共性技術(shù)與航空氫能動力技術(shù)可實現(xiàn)互通、互用。我國可利用在新能源汽車等產(chǎn)業(yè)形成的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，扶持一批具有發(fā)展?jié)摿Φ膶I(yè)化企業(yè)，培育創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈，加強對國內(nèi)優(yōu)勢研發(fā)資源和產(chǎn)業(yè)資源的整合，加快氫能航空動力技術(shù)發(fā)展。