通向碳中和的航空新能源動(dòng)力發(fā)展路徑分析

■ 韓玉琪 王則皓 劉英杰 王永梅 / 中國(guó)航發(fā)研究院

當(dāng)前基于傳統(tǒng)石化燃料的航空動(dòng)力，燃油效率平均每年提高不足2%，未來采用新能源的航空動(dòng)力可顯著降低航空業(yè)的碳排放。

航空碳中和

航空運(yùn)輸業(yè)的碳排放主要源于航空煤油的燃燒，約占其總排放量的79%。而與20世紀(jì)50年代投入使用的早期噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比，目前的燃油效率已提升了80%以上，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)提升效率的技術(shù)難度極大，采用低碳排放的新能源航空動(dòng)力可助力航空運(yùn)輸業(yè)奔向零碳。航空運(yùn)輸業(yè)在2050年前實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的新能源動(dòng)力主要有3個(gè)發(fā)展方向：可持續(xù)航空燃料（SAF）、氫燃料和電推進(jìn)。需要說明的是，在未來的航空動(dòng)力產(chǎn)品中，這3種新能源動(dòng)力可能會(huì)以要素組合的形式出現(xiàn)，如混合電推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)采用了可持續(xù)航空燃料或者氫燃料。

航空新能源動(dòng)力的主要方向

可持續(xù)航空燃料

國(guó)際民航組織（ICAO）在國(guó)際航空碳抵消和減排（CORSIA）計(jì)劃中，定義可持續(xù)航空燃料為“滿足可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)的來自生物質(zhì)或廢棄物的航空燃料”。作為新型航空燃料，可持續(xù)航空燃料需要滿足適航審定的要求，美國(guó)對(duì)新燃料的性能驗(yàn)證主要按照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）的ASTM D4054標(biāo) 準(zhǔn) 進(jìn) 行（分為全流程審批和快速審批，全流程審批所需時(shí)間一般為3年以上，快速審批所需時(shí)間為1年左右），ASTM D7566標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通過審批的技術(shù)途徑進(jìn)行說明，中國(guó)民航局前期已發(fā)布《含合成烴的噴氣燃料》（CTSO-2C701），對(duì)可持續(xù)航空燃料的性能驗(yàn)證，也主要借鑒ASTM D4054的方式進(jìn)行。

SAF仍屬于航油，適用于絕大部分現(xiàn)役飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，無須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)做出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改變，只需替換油品即可且可與航空煤油混合使用。當(dāng)前制約SAF大范圍使用的主要挑戰(zhàn)是成本和產(chǎn)能問題，目前SAF成本為航空煤油的2.5～8倍，產(chǎn)量?jī)H占全球商用航空燃料的0.1%。航空油料占航空公司營(yíng)業(yè)成本的30%左右，加氫脂和脂肪酸（HEFA）因其可以較早實(shí)現(xiàn)較低的生產(chǎn)成本，將是SAF早期主要的生產(chǎn)方式，當(dāng)前階段HEFA的成本為1400～1500美元/t。

氫燃料

氫的能量密度約為120MJ/kg，大約是傳統(tǒng)航空煤油的3倍，但由于液氫的密度僅為煤油的1/11，儲(chǔ)存同等能量的燃料箱體積約為常規(guī)飛機(jī)油箱的4倍。航空氫動(dòng)力主要有兩種基本技術(shù)路徑：氫燃料電池，利用氫化學(xué)能發(fā)電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇/螺旋槳/旋翼產(chǎn)生動(dòng)力；氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，用氫燃料替代發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)用的航空煤油，還可以進(jìn)一步與電池（鋰電池、氫燃料電池等）組成混合動(dòng)力。除航空發(fā)動(dòng)機(jī)外，氫燃料也可用于其他類型的內(nèi)燃機(jī)。

氫燃料電池動(dòng)力和氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)兩種技術(shù)路徑都在積極推進(jìn)。美國(guó)20世紀(jì)60年代即開展了氫燃料電池研究并應(yīng)用于阿波羅飛船，近些年各國(guó)的氫燃料電池飛機(jī)研發(fā)更是風(fēng)生水起；美國(guó)和蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代就開始了氫燃料渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)研究，近些年各國(guó)的研發(fā)活動(dòng)加強(qiáng)，重點(diǎn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)更換氫燃料和采用氫燃料進(jìn)氣預(yù)冷等方面。

氫是一種極難儲(chǔ)存的物質(zhì)，且其分子穿透力極強(qiáng)，很容易發(fā)生泄漏且對(duì)金屬還有一定的腐蝕性，對(duì)氫儲(chǔ)罐與運(yùn)輸管道（特別是接縫位置）的材料提出了很高的要求，同時(shí)氫易燃易爆，自燃濃度范圍非常寬（4%～75%）。航空氫燃料電池還面臨低成本、長(zhǎng)壽命、高環(huán)境適應(yīng)性、高功重比、大功率等挑戰(zhàn)。氫動(dòng)力飛機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)以及燃料儲(chǔ)存方式均與傳統(tǒng)的航空燃料飛機(jī)存在顯著差異，未來的氫動(dòng)力飛機(jī)需通過更高的適航標(biāo)準(zhǔn)后才能投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)。

電推進(jìn)

電推進(jìn)是以電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳/風(fēng)扇/旋翼等推進(jìn)器產(chǎn)生動(dòng)力的推進(jìn)方式，包括純電推進(jìn)和混合電推進(jìn)。以能量來源區(qū)分，僅采用電能作為能源時(shí)為純電推進(jìn)，同時(shí)采用燃?xì)廨啓C(jī)和電能作為能量來源時(shí)為混合電推進(jìn)。在純電推進(jìn)系統(tǒng)中，電池是飛機(jī)的唯一動(dòng)力來源，電池給電機(jī)供電以驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇/螺旋槳/旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，通過電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能?；旌想娡七M(jìn)系統(tǒng)主要包含5種構(gòu)型，根據(jù)構(gòu)型不同還包括燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)等部件，同時(shí)還需要控制系統(tǒng)進(jìn)行能量的分配與管理。

當(dāng)前純電推進(jìn)系統(tǒng)主要用于10座以下的小型飛行器，已有產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，混合電推進(jìn)系統(tǒng)還處于技術(shù)攻關(guān)階段，未來的大范圍應(yīng)用還需要攻克高能量密度電池、高效高功率密度電機(jī)、高效高功率密度轉(zhuǎn)換器、高功率小尺寸的燃?xì)鉁u輪核心機(jī)、飛發(fā)一體化和熱管理等關(guān)鍵技術(shù)。

氫燃料電池飛機(jī)及氫渦輪飛機(jī)概念

混合電推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)型

航空新能源動(dòng)力的減碳潛力對(duì)比分析

能量密度對(duì)比

從能量密度角度對(duì)3種航空新能源途徑的對(duì)比分析，詳見表1。由表可以看出：可持續(xù)航空燃料與當(dāng)前的航空煤油相當(dāng)；氫燃料的質(zhì)量能量密度是航空煤油的3倍，但體積能量密度為航空煤油的1/4且氫燃料的儲(chǔ)罐更大，未來的飛機(jī)設(shè)計(jì)需要提升液氫的體積儲(chǔ)量；當(dāng)前電池的能量密度僅為航空煤油的1/40，且電能使用后電池的質(zhì)量并不會(huì)減輕，其技術(shù)發(fā)展水平直接決定了純電動(dòng)和混合電動(dòng)飛機(jī)的未來。

表1 新能源的能量密度比較

氣候影響及技術(shù)創(chuàng)新對(duì)比

從氣候影響及技術(shù)創(chuàng)新的角度，對(duì)上述3種航空新能源途徑的對(duì)比分析，詳見表2。由表中可以看出，與傳統(tǒng)的航空煤油相比：可持續(xù)航空燃料在全生命周期內(nèi)可減少80%的二氧化碳排放，減少30%～60%的溫室氣體（包括二氧化碳、氮氧化物、水蒸氣等）排放，且無須對(duì)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)做出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改變，只需替換油品即可，因此在更換使用上具有一定的便捷性，根據(jù)實(shí)際操作，SAF在能源效能、駕駛、操控性等方面均不遜色于傳統(tǒng)的航空煤油；氫燃料完全消除了二氧化碳排放，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可減少50%～75%的溫室氣體（水蒸氣和氮氧化物）排放，氫燃料電池可減少75%～90%的溫室氣體（水蒸氣）排放，飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改變，機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施方面需要液氫燃料的運(yùn)輸、儲(chǔ)存和加注等設(shè)備；純電推進(jìn)沒有溫室氣體排放，混合電推進(jìn)系統(tǒng)可減少20%～70%的二氧化碳排放，減少10%～50%的溫室氣體排放，飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改變，機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施方面需要快充或換電系統(tǒng)。

新能源動(dòng)力投入使用的時(shí)間及適用飛機(jī)對(duì)比

綜合考慮當(dāng)前的技術(shù)成熟度、能量密度及未來技術(shù)發(fā)展，新能源動(dòng)力投入使用的時(shí)間及適用飛機(jī)對(duì)比見表3：SAF目前已投入使用，且未來適用于所有飛機(jī)；受到能量密度的限制，純電推進(jìn)系統(tǒng)僅適用于通勤飛機(jī)；氫燃料電池動(dòng)力適用于通勤、支線飛機(jī)，最早可于2030年進(jìn)入市場(chǎng)；氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、混合電推進(jìn)系統(tǒng)將競(jìng)爭(zhēng)支線、近程和中程飛機(jī)市場(chǎng)，可能于2035年左右進(jìn)入市場(chǎng)（混合電推進(jìn)系統(tǒng)可能早于氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)）；由于氫動(dòng)力和電推進(jìn)系統(tǒng)的能量密度限制，2050年前遠(yuǎn)程飛機(jī)可能依賴于SAF。

表3 新能源動(dòng)力投入使用的時(shí)間及適用飛機(jī)對(duì)比

結(jié)束語

面對(duì)我國(guó)的2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)，采用低碳排放的新型能源，包括SAF、氫燃料和電推進(jìn)，可顯著減少燃油燃燒產(chǎn)生的碳排放，助力未來航空業(yè)的低碳發(fā)展和國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。