氫能飛機 離我們還有多遠

孫敏

新冠肺炎疫情持續(xù)蔓延令歐洲航空業(yè)遭遇空前的挑戰(zhàn)。6月，作為歐洲航空工業(yè)領(lǐng)頭羊的法國出臺了一項耗資150億歐元的航空工業(yè)支持計劃。在這份計劃中，除了優(yōu)先保障就業(yè)、為企業(yè)提供援助和動員公共訂單尤其是軍用訂單這些“常規(guī)動作”外，法國政府還特別強調(diào)了將在未來5年內(nèi)每年投資15億歐元資助企業(yè)持續(xù)創(chuàng)新。而在所有的創(chuàng)新項目中，最具優(yōu)先權(quán)的是計劃2035年實現(xiàn)零排放的綠色飛機項目。對此，法國經(jīng)濟部長在發(fā)布這一援助計劃時表示，政府的這一投資旨在將法國航空業(yè)打造成低碳航空運輸和能源轉(zhuǎn)型的全球領(lǐng)導(dǎo)者。

在這個宏偉的計劃中，氫能被寄予厚望。法國能源過渡和運輸部長表示，氫能不僅是未來綠色飛機的主要技術(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。

一個月后，在范堡羅航展的虛擬研討會上，歐洲航空工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)空客表示，公司已經(jīng)將氫能源視為實現(xiàn)未來十年將零排放商用客機推向市場的主要能源，公司計劃在2030年左右推出首款零排放的商用飛機。一時間，氫能飛機成為了行業(yè)的熱門話題。

脫碳的挑戰(zhàn)

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。

因此，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。

初步的嘗試

作為全球航空航天業(yè)新技術(shù)研發(fā)的前沿機構(gòu)，NASA過去幾年一直在承擔一項開發(fā)低溫氫燃料電池系統(tǒng)的項目，該項目計劃為一架全電動飛機提供動力。項目由伊利諾伊大學(xué)牽頭，探索液態(tài)氫燃料電池作為環(huán)保能源的潛力。這項研究規(guī)劃使用低溫液態(tài)氫，可以在不需要重型加壓儲罐的情況下產(chǎn)生清潔動力。如果這項技術(shù)取得進展，那么未來氫能源將為商用飛機的發(fā)展帶來革命性的變革。

2017年，歐洲啟動了一個研發(fā)模塊化串聯(lián)混合電推進系統(tǒng)的項目——MAHEPA。該項目由輕型電動飛機制造商斯洛文尼亞的蝙蝠飛機公司主持，旨在使用輕型飛機作為測試平臺開發(fā)和測試模塊化混合動力推進技術(shù)，通過真實的飛行數(shù)據(jù)來研究如何在2050年前將航空碳排放量減少70%。目前，該項目已先后搭建G4（電池版）和HY4（氫燃料電池版）兩個平臺。其中，HY4是2016年9月試飛的一款四座飛機，搭載德國航空航天中心（DLR）開發(fā)的氫燃料電池動力總成。根據(jù)計劃，最新版本的HY4混合動力系統(tǒng)測試將在2020年進行。

2018年，由英國幾所高校發(fā)起的一個名為“清潔氫燃料商用飛機”計劃啟動。該計劃是由克蘭菲爾德大學(xué)的學(xué)者和行業(yè)高層領(lǐng)導(dǎo)人發(fā)起的。這一計劃旨在解決氫動力飛行所面臨的一些主要難題，如機載存儲、燃料的生產(chǎn)成本以及安全問題。

在歐美國家之外，中國、俄羅斯和新加坡也開始了在氫能源飛機領(lǐng)域的探索。

在2019年的莫斯科航展上，俄羅斯研發(fā)的第一架環(huán)保且近乎無聲的氫能源動力飛機——Sigma-4首次亮相。這架飛機翼展9.8米，長6.2米，起飛重量600公斤，功率75千瓦，飛行距離為300公里。工程師介紹，飛機發(fā)動機中所使用的氫氣并不會燃燒，而是與氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，排放出的水蒸氣則會釋放到大氣中。

新加坡的HES公司則研發(fā)出了一款名為ELEMENT ONE的零排放、遠程氫電動力飛機。這架飛機由分布式氫電推進裝置提供動力，可以承載4名乘客飛行500～5000公里。

在中國，中國商飛北研中心與國家電投集團氫能科技發(fā)展有限公司發(fā)起了“靈雀H”新能源驗證機的研制，共同探索飛機動力匹配、氫燃料電池動力技術(shù)、動力系統(tǒng)集成、能量管理及安全保障等技術(shù)。

“靈雀H”驗證機翼展6米，創(chuàng)新性地采用了氫燃料電混合動力技術(shù)，旨在驗證以氫燃料電池為主、鋰電池為輔的混合動力技術(shù)在飛機上的使用。“靈雀H”驗證機共有4個構(gòu)型，涵蓋固定式和可收放2種起落架及V尾、T尾、常規(guī)尾3種不同尾翼構(gòu)型，均采用了大展弦比支撐翼氣動布局，有效提升了包括飛機飛行航時在內(nèi)的飛行性能。經(jīng)過迭代改進，“靈雀H”驗證機航時超過24小時。

2019年3月10日，“靈雀H”新能源驗證機在鄭州上街機場試飛成功。飛機飛行平穩(wěn)，全系統(tǒng)狀態(tài)良好，符合仿真預(yù)期，作為動力源的氫燃料電池動力系統(tǒng)得到了充分驗證。

此外，2019年3月，由中科院大連化物所與遼寧通用航空研究院聯(lián)合研制的首架有人駕駛氫燃料電池試驗機在沈陽試飛成功，飛機飛行高度320米，全程零污染排放。這次試飛突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，電池輸出性能、安全性、可靠性等各方面全部達到技術(shù)要求，在零下20℃的環(huán)境下，氫燃料表現(xiàn)出優(yōu)良的存放、啟動和運行性能。

氫能飛機的未來探索

經(jīng)過過去幾年的初步探索，如今歐洲各國迫不及待地希望加快推進氫能源在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是在商用航空領(lǐng)域。

歐盟的“凈潔天空3”計劃明確強調(diào)，如果要在2050年實現(xiàn)凈零碳排放目標的話，那么環(huán)保型的綠色飛機就必須在2035年投入使用。在此背景下，2020年5月，在歐盟“凈潔天空2”和“燃料電池與氫氣”計劃的支持下，著名咨詢公司麥肯錫發(fā)布了一份名為《2050年前氫動力航空的技術(shù)、經(jīng)濟和氣候影響》的報告。該報告預(yù)測了氫氣燃燒和燃料電池動力推進的技術(shù)發(fā)展，評估了相關(guān)技術(shù)和經(jīng)濟可行性，并將它們與合成燃料進行了比較，考慮了對飛機設(shè)計、機場基礎(chǔ)設(shè)施和燃料供應(yīng)鏈的影響。

報告認為，顛覆性的飛機、航空發(fā)動機及機載系統(tǒng)創(chuàng)新與氫能源技術(shù)的結(jié)合，可使航空運輸對全球變暖的影響降低50%～90%。報告認為2035年前可以引入采用氫能源的短程干線飛機（81～165座級），到2050年，氫能源飛機將占所有在役機隊的40%。歐盟委員會對這樣的研究結(jié)論表示了支持。而作為“凈潔天空”計劃重要參與者的企業(yè)們，無論是初創(chuàng)型公司還是空客這樣的行業(yè)巨頭，都已經(jīng)在積極行動。

2020年7月，飛行器設(shè)計制造公司ZeroAvia宣布完成了目前全球最大的氫動力飛機的第一階段試飛。該試飛驗證機是一架六座Piper M350飛機。該項目由英國政府出資，6月在英國克蘭菲爾德機場完成了首飛。根據(jù)計劃，ZeroAvia公司將在2023年前進行10～20座級500英里航程的氫動力飛機的取證工作。

在法國，政府已經(jīng)將氫能視為未來經(jīng)濟復(fù)蘇的重要支柱。法國政府認為，氫能不僅是未來綠色飛機的主要技術(shù)選項，同時也將是法國，乃至整個歐洲后疫情時代實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的重要手段。為此，法國國際關(guān)系研究所日前發(fā)布的《歐盟氫能戰(zhàn)略展望》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(fù)蘇計劃”的支柱，并加速歐洲經(jīng)濟體的脫碳進程。對此，法國《回聲報》評論說，“如果每一次危機都蘊含著機會，那么航空業(yè)史上最嚴重的危機也可能是實現(xiàn)重大技術(shù)變革的機會。”

今年7月6日，法國政府正式發(fā)布了“綠色飛機計劃”。按照這一計劃，包括空客在內(nèi)的法國國內(nèi)航空企業(yè)將在2035年左右推出零排放的綠色飛機，這一計劃將有1300多家企業(yè)參與。

2020年4月，宣布取消與羅羅公司聯(lián)合的E-Fan X混合動力驗證項目后，空客首席技術(shù)官格拉齊亞·維塔蒂尼就暗示未來公司會將研發(fā)重點轉(zhuǎn)向氫動力飛機?？湛土闩欧偶夹g(shù)副總裁格倫·利韋林在6月中旬向媒體解釋了這一轉(zhuǎn)變的原因，他表示：“我們在（E-Fan X）項目中發(fā)現(xiàn)了個別有價值的技術(shù)，但是就串行混合電推進構(gòu)型整體而言，并未帶來支撐未來航空發(fā)展的顛覆性（碳排放）降低。”

在7月的范堡羅航展虛擬研討會上，空客終于揭開了其氫能飛機研發(fā)的面紗。公司披露了其氫能飛機研發(fā)的時間表，即在2024～2025年完成氫動力相關(guān)技術(shù)的選擇（主要是燃料電池推進、氫氣燃料燃氣輪機、燃料電池+燃氣輪機混合動力），在2020年代后期完成小尺寸技術(shù)驗證機研制，并啟動全尺寸原型機研制工作，以確保在2030～2035年間，實現(xiàn)百座級以上氫動力客機的商業(yè)化運營。

目前，空客尚未在渦輪雙引擎中燃燒氫氣或在機身中安裝燃料電池之間做出選擇，盡管后者通常被視為最有效的氫能源使用方式。使用液態(tài)氫還是氣態(tài)氫仍然在考慮之中，相應(yīng)地，選擇燃料電池還是渦輪發(fā)動機，最終的技術(shù)方案將對氫能源飛機及整個配套生態(tài)系統(tǒng)（從機場設(shè)施到空中交通管理）產(chǎn)生重大影響。

氣態(tài)氫和液態(tài)氫各自的優(yōu)點正在被徹底評估，法國政府資助的Hyperion研究計劃將評估氫氣飛機推進的風險，包括低溫系統(tǒng)。這表明空客正在考慮液態(tài)氫，而不是壓縮氫——前者的儲存方式看起來更適合航空業(yè)對能量密度的需求，但在技術(shù)和效率上都更具挑戰(zhàn)性。

空客在進行氫動力飛機驗證機的相關(guān)技術(shù)開發(fā)的同時，也進行了氫動力飛機生態(tài)建設(shè)的初步探索?？湛鸵雅c易捷航空和Scandinavian Airlines等航空公司簽署了諒解備忘錄，共同探討將氫能源飛機引入民航生態(tài)系統(tǒng)的問題與途徑，包括運營現(xiàn)實的變化、航空公司愿意做出的妥協(xié)與改變，以及潛在的不同商業(yè)模式等?？湛歪槍淠茉纯蜋C創(chuàng)建的運營模型顯示，通過采用“輪輻式”運營網(wǎng)絡(luò)，可以使氫能源客機滿足數(shù)量驚人的歐洲民航航班，而這種模式下氫能源的基礎(chǔ)設(shè)施可僅在樞紐機場提供。

從填補空白到積極嘗試，我們已經(jīng)可以看到氫能作為航空未來新動能的可能性，但距離大量使用還有很多難關(guān)需要攻克。雖然氫氧燃料電池的發(fā)展前景很好，但是氫氣制取的成本卻是普通汽油的數(shù)倍，這個價格是市場難以承受的。即使世界各國都將目光投向了利用太陽能來分解水這種廉價、低成本的方式，但是目前仍缺少一種在價格、效率等方面都適合推廣的催化劑來實現(xiàn)這一目標。

此外，由于制氫地與用氫地往往存在一定的空間距離，在沒有完整的輸氫管網(wǎng)的情況下，需要通過高壓氣態(tài)等方式運輸至用氫地，成本較高。同時，如何保證氫氣在儲運過程中的安全也是制約氫能行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

從1520年瑞典人帕拉塞爾蘇斯首次發(fā)現(xiàn)氫氣，到1954年科學(xué)家研究制造出世界上第一款實用性氫氧燃料電池，其間經(jīng)歷了400多年。如今，盡管科技的發(fā)展日新月異，但要想在短時間內(nèi)找到一種新能源并投入商用，難度不可謂不大。不過，筆者相信，伴隨著行業(yè)對于脫碳的決心以及對氫能發(fā)展的信心與支持，氫能在航空業(yè)的應(yīng)用值得期待！