電動(dòng)飛行商業(yè)運(yùn)營(yíng)展望

電氣化已成為航空產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵途徑之一。隨著電動(dòng)飛機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的不斷推進(jìn)，為電動(dòng)飛行的市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)提供合適的配套支持已成為航空產(chǎn)業(yè)后續(xù)發(fā)展的又一個(gè)重點(diǎn)。

在綠色航空發(fā)展愿景的推動(dòng)下，電動(dòng)航空正處于強(qiáng)勁發(fā)展的新階段。得益于過(guò)去10年電池和材料等領(lǐng)域的巨大技術(shù)進(jìn)步，電氣化進(jìn)程已經(jīng)從地面交通向空中飛行快速延伸。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前大約有100個(gè)電動(dòng)飛機(jī)項(xiàng)目正在研發(fā)中，商業(yè)化電動(dòng)飛行有望在未來(lái)5～10年成為現(xiàn)實(shí)。不過(guò)，為了使電動(dòng)航空真正成為傳統(tǒng)航空的可行替代方案，僅依靠滿足適航規(guī)章要求的電動(dòng)飛機(jī)產(chǎn)品是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，充電設(shè)施改造和電力能源供應(yīng)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)配套支持同樣至關(guān)重要，航空電氣化轉(zhuǎn)型所伴隨的市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)模式調(diào)整開(kāi)始受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。

電池與充電

作為民航運(yùn)營(yíng)不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，機(jī)場(chǎng)必須確保能夠以安全和有效的方式處理電動(dòng)飛機(jī)，這自然就涉及到針對(duì)電動(dòng)飛機(jī)的適應(yīng)性改造。事實(shí)上，在最初開(kāi)展機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的時(shí)候，十多種相關(guān)的飛機(jī)特性指標(biāo)都被納入統(tǒng)籌考量，而為了識(shí)別電動(dòng)飛機(jī)的潛在影響，應(yīng)檢查這些特性較常規(guī)飛機(jī)是否發(fā)生變化，指標(biāo)參數(shù)的上升則意味著機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施很可能會(huì)出現(xiàn)服務(wù)能力不足的情況。例如，在相同的推力下，較長(zhǎng)的翼展能產(chǎn)生較低的誘導(dǎo)阻力和較大的升力，有助于飛行效率的提升，但這無(wú)疑會(huì)對(duì)飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)的使用與存放空間提出更高的要求。

典型電動(dòng)飛機(jī)研發(fā)計(jì)劃與投放市場(chǎng)預(yù)期

電動(dòng)飛機(jī)較常規(guī)飛機(jī)的特性差異

電動(dòng)飛行屬于全新的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，為降低不可預(yù)期的研發(fā)和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)那些2030年前可能投放市場(chǎng)的產(chǎn)品時(shí)較為慎重，如翼身融合布局、桁架式可折疊機(jī)翼等超前的設(shè)計(jì)方案并未被采用以減輕對(duì)機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的影響，與同尺寸常規(guī)飛機(jī)相比，電動(dòng)飛機(jī)的大部分特性得以維持，甚至由于電推進(jìn)系統(tǒng)自身的性能優(yōu)勢(shì)某種程度上降低了對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)環(huán)境的要求。然而，電動(dòng)飛行的航班流量、轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間和電力供應(yīng)卻是無(wú)法回避的問(wèn)題，僅相當(dāng)于航空燃料能量密度2%的電池?zé)o法支撐大負(fù)載電動(dòng)飛行，目前只有小型電動(dòng)飛機(jī)具備技術(shù)可行性，嚴(yán)格限制的飛行距離導(dǎo)致頻繁地在中轉(zhuǎn)機(jī)場(chǎng)起降補(bǔ)電，原本可以用一架常規(guī)飛機(jī)執(zhí)飛的運(yùn)力被分配給多架電動(dòng)飛機(jī)、多次中繼才能完成，同時(shí)機(jī)場(chǎng)現(xiàn)有的電源系統(tǒng)不是專門為電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)的，如果小型飛機(jī)的中轉(zhuǎn)充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，其商業(yè)前景可能面臨很大困難。

以以色列埃維亞申（Eviation）公司研發(fā)的愛(ài)麗絲（Alice）和瑞典Heart公司的ES-19電動(dòng)飛機(jī)為例，前者可運(yùn)載9名旅客和2名機(jī)組成員，航程約為800km，于2022年9月完成試飛，預(yù)計(jì)2027年前實(shí)現(xiàn)交付；后者可容納19名旅客完成400km的飛行，計(jì)劃2026年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，已獲得數(shù)百架訂單?？紤]到電量安全裕度和電量較高時(shí)充電速度減慢的情況，電動(dòng)飛機(jī)充電狀態(tài)（SOC）往往會(huì)被設(shè)定為30%～90%，根據(jù)通常情況下小型飛機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間不超過(guò)30min的一般性假設(shè)，充電設(shè)施的輸出功率要達(dá)到1MW才能滿足要求，但通常機(jī)場(chǎng)配備的地面輸電設(shè)備（GPU）容量不過(guò)90kW，即便是當(dāng)前特斯拉公司的第三代汽車超級(jí)快充功率也只有250kW。如果保守地認(rèn)為5年后400kW的充電設(shè)備得到普及應(yīng)用，則0.5h內(nèi)充入的電量可滿足愛(ài)麗絲飛行200km的需求，這一續(xù)航里程恰好與10年前問(wèn)世的很多電動(dòng)汽車持平。而對(duì)于運(yùn)載能力更強(qiáng)的ES-19電動(dòng)飛機(jī)，同樣是200km的航程需要將充電功率進(jìn)一步提升到900kW以上。

先進(jìn)的電池系統(tǒng)和充電基礎(chǔ)設(shè)施是未來(lái)航空電氣化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵，但即使是當(dāng)前不盡如人意的電池系統(tǒng)和只針對(duì)小型飛機(jī)的短途飛行，現(xiàn)有充電基礎(chǔ)設(shè)施也可能無(wú)法發(fā)揮其最大效能，峰值功率要求越高，充電基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)就會(huì)越復(fù)雜，兆瓦級(jí)及更大功率快速充電裝置的研發(fā)顯得十分緊迫，電纜、配電板和變壓器等也需要進(jìn)行調(diào)整。很多初創(chuàng)公司和汽車配套供應(yīng)商已投身這一領(lǐng)域，其中關(guān)注度最高當(dāng)屬美國(guó)能源公司CharIN面向重型車輛研發(fā)的兆瓦級(jí)充電系統(tǒng)（MCS），在2022年年中展示的原型設(shè)備峰值功率達(dá)到了驚人的3.75MW，相關(guān)制式標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)會(huì)在2024年后正式發(fā)布。此外，未來(lái)潛在的解決方案還包括多個(gè)獨(dú)立電池組并行充電、全流程無(wú)線充電以及液態(tài)納米燃料電池（通過(guò)換液快速補(bǔ)電）等。當(dāng)然，充電電纜冷卻、可移動(dòng)充電接口和電磁屏蔽等問(wèn)題也需要同步考慮。

愛(ài)麗絲和ES-19電動(dòng)飛機(jī)主要參數(shù)

愛(ài)麗絲電動(dòng)飛機(jī)概念

ES-19電動(dòng)飛機(jī)概念

特別值得一提的是，用充滿電的電池替換耗盡能量的電池，即所謂的電池交換模式已在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，理論上能克服充電時(shí)間和環(huán)境溫度（鋰離子電池一般為5～45℃）的限制，這樣看起來(lái)對(duì)航空運(yùn)營(yíng)商非常有吸引力，但在機(jī)場(chǎng)建設(shè)電池交換站需要的場(chǎng)地空間比常規(guī)充電設(shè)備大得多，航空電池的尺寸和質(zhì)量也不可與汽車電池相提并論，安全檢查和更換電池仍然需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，而且為了使飛機(jī)電池容易拆卸需要對(duì)機(jī)體和電池系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化特定設(shè)計(jì)，這帶來(lái)了更大的適航認(rèn)證挑戰(zhàn)。業(yè)界普遍認(rèn)為，至少在未來(lái)幾年常規(guī)插入式充電仍是電動(dòng)飛機(jī)運(yùn)營(yíng)最為可行的選擇。

機(jī)場(chǎng)能源供應(yīng)

電動(dòng)飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)通過(guò)充電裝置補(bǔ)充能量，那么機(jī)場(chǎng)的電能又從何而來(lái)？像之前那樣從電網(wǎng)中提取電能時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些新的情況，多架電動(dòng)飛機(jī)同時(shí)快速充電的峰值功率將極大增加電網(wǎng)的負(fù)荷，大量計(jì)劃外的用電會(huì)引起供電質(zhì)量波動(dòng)、電壓不穩(wěn)定和能量損失增加。對(duì)此，只能激勵(lì)運(yùn)營(yíng)商將本應(yīng)在波峰時(shí)段使用的能源分配到波谷時(shí)段，白天盡可能按照依次飛行、輪序充電、適度使用和隨用隨充的方式部署，晚上可通宵進(jìn)行完全充電，既為第二天的飛行任務(wù)做準(zhǔn)備，也有助于保持電池的使用壽命。但在不顯著增加機(jī)隊(duì)規(guī)模的前提下，這無(wú)疑會(huì)增加航班規(guī)劃調(diào)度的復(fù)雜性并降低旅客的飛行舒適度體驗(yàn)。

作為對(duì)電網(wǎng)供電的積極補(bǔ)充，未來(lái)機(jī)場(chǎng)也可利用周邊閑置的土地進(jìn)行分布式發(fā)電，甚至還可在電動(dòng)飛機(jī)不需要充電的時(shí)候?yàn)楦浇纳鐓^(qū)與商圈提供服務(wù)。立足可持續(xù)發(fā)展的根本出發(fā)點(diǎn)，機(jī)場(chǎng)發(fā)電的方式可能是太陽(yáng)能、風(fēng)能或者水能。由于受到當(dāng)?shù)貧夂蛱匦院吞鞖庾兓绊戄^大，不是每個(gè)地方都適合建設(shè)，也很難做到連續(xù)供能，因此有必要安裝配套的儲(chǔ)能系統(tǒng)，像“電力銀行”那樣調(diào)節(jié)機(jī)場(chǎng)電網(wǎng)的峰值功率。根據(jù)荷蘭機(jī)場(chǎng)咨詢公司（NACO）的相關(guān)報(bào)告，假設(shè)1m2的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的峰值功率為200W，實(shí)際應(yīng)用時(shí)的轉(zhuǎn)化率取75%，則400kW充電載荷對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能充電板面積為3000 m2，若面向ES-19電動(dòng)飛機(jī)900kW的快充需求，配套的太陽(yáng)能充電板幾乎能覆蓋一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)。

顯然無(wú)論是沿用現(xiàn)有電網(wǎng)供電還是機(jī)場(chǎng)自建發(fā)電設(shè)施，這都只是應(yīng)對(duì)中短期小型電動(dòng)飛機(jī)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的權(quán)宜之計(jì)。從后疫情時(shí)代航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來(lái)看，2030年前建設(shè)電動(dòng)飛機(jī)專用的機(jī)場(chǎng)和發(fā)電站的可能性似乎很小，但隨著兆瓦級(jí)充電設(shè)施的成熟普及和電動(dòng)飛機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模的增長(zhǎng)，機(jī)場(chǎng)電網(wǎng)也必須進(jìn)行相當(dāng)程度的更新和升級(jí)，更好地將傳統(tǒng)電能和可再生電能結(jié)合起來(lái)，具備足夠的魯棒性以應(yīng)對(duì)峰值負(fù)載。這需要政府部門在城市建設(shè)中提前規(guī)劃、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)并提供足夠的資金支持。未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)場(chǎng)可能會(huì)同時(shí)為傳統(tǒng)航空燃料/可持續(xù)航空燃料、電動(dòng)乃至氫動(dòng)力飛機(jī)提供運(yùn)營(yíng)支持，涉及的多種能源組合管理問(wèn)題也應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

經(jīng)濟(jì)性分析

目前還很難預(yù)測(cè)電動(dòng)飛行市場(chǎng)早期的商業(yè)模式，不過(guò)較為肯定的一點(diǎn)是機(jī)場(chǎng)將比航空公司和第三方電力機(jī)構(gòu)更早建設(shè)并運(yùn)營(yíng)充電基礎(chǔ)設(shè)施。瑞典運(yùn)輸管理局的調(diào)查結(jié)果認(rèn)為，充電站的投資成本約為500歐元/kW，即建設(shè)一個(gè)400kW的機(jī)場(chǎng)充電系統(tǒng)將花費(fèi)200萬(wàn)歐元，如果輸出功率達(dá)到900kW，那么相關(guān)費(fèi)用還將翻番。2021年年底，NACO公司對(duì)荷屬加勒比小島機(jī)場(chǎng)電氣化改造方案進(jìn)行了評(píng)估，在電纜布置和電網(wǎng)連接、充電站土方工程、整流器/配電板/接口等充電系統(tǒng)，以及儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝費(fèi)用的基礎(chǔ)上再增加30%的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)以反應(yīng)島嶼施工的復(fù)雜性，最終形成的400kW充電站建設(shè)成本為100萬(wàn)歐元。NACO公司表示，由于缺乏具體的設(shè)計(jì)文檔的支持，估算結(jié)果可能會(huì)有50%的偏差，同時(shí)這一價(jià)格也不是絕對(duì)普適的，很大程度上取決于當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平和對(duì)已有電網(wǎng)的改建需求。

從實(shí)際運(yùn)營(yíng)的角度出發(fā)，假設(shè)兩個(gè)相距200km的通航機(jī)場(chǎng)之間每年的電動(dòng)飛行航班為2000架次，機(jī)隊(duì)由3架9座愛(ài)麗絲電動(dòng)飛機(jī)組成，每次起飛前由410kW的充電設(shè)備充電30min，若到2035年前電價(jià)保持0.23歐元 /（kW·h）不變，則全年的直接電費(fèi)約為9.43萬(wàn)歐元，由于充電設(shè)備還要繳納每月8.23歐元 /（kV·A）的固定費(fèi)用，機(jī)場(chǎng)年度電力賬單合計(jì)為13.5萬(wàn)歐元。如果單次航班上座率為81%，電動(dòng)飛行每人每單位距離的能源成本為0.0154歐元。作為對(duì)比，同等座級(jí)的單發(fā)渦槳飛機(jī)PC-12在巡航狀態(tài)下的燃料消耗約為6.3L/km，考慮到起飛降落階段的額外燃料消耗將該值翻一番，當(dāng)航空燃料的價(jià)格為1歐元/L時(shí)，PC-12執(zhí)行同樣的航線對(duì)應(yīng)的單位能源成本則為0.0217歐元。事實(shí)上，電動(dòng)飛行還有一個(gè)不可忽視的間接成本就是電池更換。動(dòng)力電池在全生命周期內(nèi)大概能夠完成1000次完全充電和放電循環(huán)，由于像愛(ài)麗絲這樣的電動(dòng)飛機(jī)每次飛行距離不超過(guò)最大航程的25%，假定電池支持的完整電力循環(huán)能夠增加1倍。當(dāng)動(dòng)力電池成本為150歐元 /（kW·h）時(shí)，愛(ài)麗絲配裝的820kWh電池估價(jià)12.3萬(wàn)歐元，對(duì)應(yīng)單次飛行的折舊成本為61.5歐元，折合到每人每單位距離約0.011歐元，相當(dāng)于直接使用成本的三分之二，基本與小型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的日常維護(hù)費(fèi)用持平。

目前，業(yè)內(nèi)關(guān)于電動(dòng)飛行的經(jīng)濟(jì)性討論還在繼續(xù)，不同研究機(jī)構(gòu)基于不同的測(cè)算方法和假設(shè)，對(duì)于不同電動(dòng)飛機(jī)型號(hào)在不同使用場(chǎng)景下的經(jīng)濟(jì)性結(jié)論存在一定的差異，特別是后疫情時(shí)代愈演愈烈的俄烏沖突極大地影響了全球能源供應(yīng)形勢(shì)，起伏不定的燃油和電力價(jià)格加大了相關(guān)分析的難度。較為主流的觀點(diǎn)是，到2030年左右電動(dòng)飛機(jī)的綜合運(yùn)營(yíng)成本較常規(guī)飛機(jī)能夠降低50%～70%，這固然是航空產(chǎn)業(yè)令人激賞的進(jìn)步，但也必須要承認(rèn)還是與人們對(duì)電動(dòng)飛行的期待存在一定的差距，要知道使用電動(dòng)汽車的花費(fèi)可能僅相當(dāng)于燃油汽車的八分之一乃至十分之一。同時(shí)，高昂的新機(jī)采購(gòu)價(jià)格（如ES-19售價(jià)約為同等座級(jí)的渦槳飛機(jī)比奇1900D的1倍）、有價(jià)無(wú)市的二手產(chǎn)品交易和先期巨大的機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施改造投資進(jìn)一步放大了運(yùn)營(yíng)電動(dòng)飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，在市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)初期如果沒(méi)有政府的政策和資金支持，很難想象只憑借航空業(yè)自身的力量如何去克服這些困難。

結(jié)束語(yǔ)

隨著航空業(yè)積極地探索航空電氣化的新未來(lái)，新一代航空電推進(jìn)產(chǎn)品呼之欲出，電動(dòng)飛行產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)始逐步從設(shè)計(jì)生產(chǎn)到運(yùn)營(yíng)服務(wù)延伸拓展。一方面，現(xiàn)有電源系統(tǒng)可能無(wú)法完全滿足電動(dòng)飛行的用能需求，除了優(yōu)化航班時(shí)刻表、分散充電峰值載荷外，在機(jī)場(chǎng)安全管理法規(guī)要求的框架下啟動(dòng)專門的機(jī)場(chǎng)充電設(shè)備建設(shè)、電力擴(kuò)容改造勢(shì)在必行，并可嘗試在機(jī)場(chǎng)附近配置相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)；另一方面，在市場(chǎng)起步階段有必要加大對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的補(bǔ)貼力度，綜合衡量電動(dòng)飛行的投資成本、運(yùn)營(yíng)成本、收入潛力和社會(huì)影響等，盡快形成清晰的商業(yè)案例來(lái)明確其替代價(jià)值，在繁榮相關(guān)市場(chǎng)活動(dòng)的同時(shí)達(dá)到吸引各界資本進(jìn)入電動(dòng)飛行領(lǐng)域的目的。