英國零碳飛行發(fā)展愿景分析

■ 王翔宇 / 中國航發(fā)研究院

2022年3月17日，英國航空航天技術(shù)研究院（ATI）發(fā)布了“零碳飛行”（FlyZero）項目研究報告，明確了綠色液氫是未來零碳飛行最為可行的燃料選項，給出了在2050年前氫動力支線飛機、窄體飛機和中型寬體飛機的設(shè)計概念，確立了6項關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)和7項橫向交叉技術(shù)的發(fā)展路徑，從設(shè)計挑戰(zhàn)、制造要求、運營標準和市場機會等維度對航空業(yè)零碳飛行發(fā)展愿景進行了詳盡的闡述。

英國零碳飛行項目研究總報告

作為第一個將2050年溫室氣體排放總量降至凈零目標進行國內(nèi)立法的主要經(jīng)濟體，英國在推動航空業(yè)綠色轉(zhuǎn)型上表現(xiàn)得非常積極。基于盡快將零碳排放從通用短途飛行擴展到大規(guī)模航空客貨運輸?shù)目剂浚?021年年初英國發(fā)起了“零碳飛行”（FlyZero）項目，探尋實現(xiàn)完全零碳排放大型民用飛行的可行性。這一為期12個月的研究項目對潛在的零碳排放飛機及其動力系統(tǒng)概念的設(shè)計挑戰(zhàn)、制造要求、運營標準和市場機遇進行了詳細和全面的闡述，通過獨立公允地評估各種先進航空技術(shù)應(yīng)用方案，最終形成了以綠色液氫能源為基礎(chǔ)的新一代民用航空產(chǎn)業(yè)零碳排放發(fā)展愿景。

零碳排放燃料

在技術(shù)層面、操作層面和經(jīng)濟層面切實可行的前提下，為了能夠更快速、更顯著地實現(xiàn)碳中和預(yù)期，確定未來綠色飛行的最佳燃料來源是至關(guān)重要的第一步。無論是氫、氨，或者電池等任何一種備選零碳能源，衡量其市場應(yīng)用能力（最大航程和有效載荷）的核心指標就是能量密度。

雖然電池不會在飛行中產(chǎn)生任何排放、產(chǎn)生每單位推進功率的可再生電力需求也比制備液氫要少得多，但過低的能量密度是制約其在民用航空市場應(yīng)用的最大瓶頸。按照較為樂觀的技術(shù)攻關(guān)進度，電池的質(zhì)量能量密度到2030年約為2 MJ/kg，相當于航空煤油的1/20，若假設(shè)飛機起飛質(zhì)量的20%為燃料，則全電池飛行的最大航程在400km以內(nèi)。另外，由于鈷、鋰和鎳等電池原材料的循環(huán)回收工藝還有待進一步的成熟和商業(yè)化，在強大完整的回收供應(yīng)鏈建立之前過分依賴電池系統(tǒng)可能會導(dǎo)致新的環(huán)境污染問題。

氫的質(zhì)量能量密度約為航空煤油的3倍，這也意味著當燃料載荷的占比為20%時，氫動力飛行的理論航程在10000km以上。氫燃料以氣態(tài)方式儲存能夠降低隔熱以及低溫燃料管理系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，但700atm的高壓環(huán)境意味著燃料箱的厚度和質(zhì)量大大增加，其應(yīng)用場景主要是中短途飛行。相比之下，液態(tài)氫的存儲難點不在于高壓（略高于大氣壓）而在于低溫（-253℃），為盡可能減少表面積并起到更好的隔熱效果，液氫燃料箱一般被設(shè)計為球體，同時由于較低的密度，同等航程液氫燃料的體積大約是航空煤油的4倍。盡管如此，F(xiàn)lyZero項目經(jīng)測算后認為，就算在機翼外掛單獨的燃料箱、較大的存儲空間需求以及額外隔熱設(shè)計等三重不利影響下，液態(tài)氫的質(zhì)量效率仍舊相當于氣態(tài)氫的6倍，在飛行航程上比航空煤油有優(yōu)勢。

與液態(tài)氫相比，液態(tài)氨的存儲溫度要高得多，對隔熱燃料箱的要求遠低于液態(tài)氫，基于現(xiàn)有技術(shù)在機翼內(nèi)直接儲存氨氣是可能的，較氫氣和電池具有更好的運輸承載能力。但必須注意到氨的毒性和腐蝕性，一旦泄漏可能釀成重大安全事故，而直接燃燒氨不但會有未參與反應(yīng)的組分排放出來，氮氧化物的生成也遠超過氫燃燒。工業(yè)界正在積極開發(fā)高效輕量化的裂解技術(shù)，將氨分解為氫和氮后再用于燃氣渦輪（30%裂解）或燃料電池（100%裂解），此時的氨更像是氫燃料的一個中間媒介。

FlyZero項目的研究表明，液氫燃料有潛力為絕大部分飛行活動（100%的短途航線和93%的遠程航線）提供動力支持。同時，F(xiàn)lyZero也認可漸進式碳中和的發(fā)展路徑，中短期內(nèi)以可持續(xù)航空燃料（SAF）為代表的全生命周期低碳/凈零碳方案對航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實價值。SAF可以直接摻混到航空煤油中，機場基礎(chǔ)設(shè)施以及在役的民用飛機/發(fā)動機所需適應(yīng)性改動很少，但在具備如此高可操作性的同時，困擾SAF應(yīng)用的供應(yīng)問題也始終存在，主要生產(chǎn)原料（生物質(zhì)或廢品）有限、也無法通過大規(guī)模投資改觀（這與建設(shè)可再生發(fā)電廠和制氫廠迅速提升產(chǎn)能不同），預(yù)計到2040年只能提供全球機隊所需SAF的20%，剩余的缺口只能通過從大氣或工業(yè)煙氣中收集的碳與氫氣合成，不僅效率低，與直接制氫相比，此時生產(chǎn)出具有相同能量的SAF要多花費45%的電能和22%的氫氣。FlyZero項目預(yù)計，到2035年左右，液氫的單位能量成本將低于SAF。

氫動力支線飛機設(shè)計概念

氫動力窄體飛機設(shè)計概念

氫動力飛機

在確定低溫液態(tài)氫作為最適宜的零碳飛行燃料后，有必要針對不同的飛行場景選用不同的推進方式使其應(yīng)用價值最大化。基于研發(fā)進度和經(jīng)濟成本考量，到2050年前全球航空業(yè)只能承受一次大規(guī)模的機隊更新，因此目前的零碳飛機/發(fā)動機設(shè)計方案可能會對未來30年航空產(chǎn)業(yè)的走勢產(chǎn)生深遠影響。FlyZero項目的基本觀點是：常規(guī)電池驅(qū)動是通航飛行的重要潛在選擇；受限于能量密度等因素，氫燃料電池主要針對航程較短的小型民用飛機的動力需求；氫燃料發(fā)動機在中遠程航空運輸上更有優(yōu)勢；而SAF則很可能會是航程10000km以上大型寬體飛機的首選。

支線飛機

為了評估氫燃料電池飛行的最大潛力，F(xiàn)lyZero項目在認可以氫燃料發(fā)動機為動力的支線飛行的可行性的同時，還是選擇了以氫燃料電池為動力的支線飛機設(shè)計方案。這種判斷的依據(jù)是：隨著未來質(zhì)子交換膜（PEM）技術(shù)的進一步發(fā)展，到2030年氫燃料電池推進系統(tǒng)在保持55%～60%效率（氫燃氣渦輪約為44%）的同時，其功率能量密度有望達到2kW/kg左右，相當于CFM56發(fā)動機的一半。此時結(jié)合6個獨立的兆瓦級電推進裝置的分布式設(shè)計，該方案能夠搭載75名乘客以600km/h的巡航速度飛行1500km，超過了當前支線市場主流的ATR72渦槳飛機的運輸能力，由于液氫儲存在機體后部的燃料箱中，飛機機體看起來比ATR72更寬，分布式架構(gòu)下的機翼也要長15%左右。

窄體飛機

根據(jù)FlyZero項目的預(yù)測，2030—2050年窄體飛機的交付量達到航空運輸市場總量的2/3，也是未來航空業(yè)實現(xiàn)零碳發(fā)展最為關(guān)鍵的一個細分市場。不過面對如此廣闊的市場空間，貿(mào)然啟動過于激烈的產(chǎn)品變革會帶來很大的商業(yè)風險，這也意味著窄體飛機不太可能成為氫動力飛行走向市場的最初切入點。FlyZero項目設(shè)計的氫動力窄體飛機概念可搭載179名旅客，航程約4500km，巡航速度為833km/h左右，基本上與空客A320和波音737保持一致。從總體布局上看該方案與當前最為常見的翼吊式飛發(fā)布局有較大差異，燃料箱和推進器均位于機體后部，好處是燃料運輸管道更短更緊湊、氫泄漏的風險得以降低，但是也帶來了飛機重心偏后的新問題，為此似乎有必要在機頭附近增加一個鴨翼，借助三升力面構(gòu)型強化俯仰飛行控制能力。

中型寬體飛機

FlyZero項目給出的氫動力寬體飛機方案重點瞄準之前備受業(yè)界關(guān)注的處于產(chǎn)品換代斷檔期的中間級市場，可搭載279名旅客、飛行航程在8000km左右，雖然對標的是波音767，但出于質(zhì)量和平衡方面的考量，除了在機翼附近的機體位置還要有額外的液氫燃料箱，這樣一來其機體直徑已接近A350或波音777等大型寬體飛機。雖然氫動力寬體飛機的開發(fā)成本要高于支線飛機，但一方面由于寬體飛行市場是高度集中化的，只要在那些較大的樞紐機場建設(shè)完善的氫燃料加注、儲存以及運輸基礎(chǔ)設(shè)施，就能為為洲際航班提供“最小可行”的航空網(wǎng)絡(luò)；另一方面氫能寬體飛機和窄體飛機都是基于相同的動力架構(gòu)，相關(guān)技術(shù)在寬體飛機上的應(yīng)用和認證有助于降低后續(xù)開發(fā)窄體飛機的風險。因此，F(xiàn)lyZero項目更傾向于氫動力中型寬體飛機率先進入市場，在這種情境下樂觀預(yù)測到2050年，氫動力飛機總交付量接近30000架，市場價值20000萬億美元左右，可以減少約50%的航空二氧化碳排放。

氫動力中型寬體飛機設(shè)計概念

表1 氫動力飛行橫向交叉技術(shù)

氫動力關(guān)鍵技術(shù)

在對飛機/發(fā)動機設(shè)計制造、市場運營以及支撐保障等進行廣泛調(diào)研評估的基礎(chǔ)上，F(xiàn)lyZero項目確定了對未來實現(xiàn)零碳飛行至關(guān)重要的13個技術(shù)領(lǐng)域，包括氫燃料發(fā)動機、氫燃料電池、電推進系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、低溫液氫儲存系統(tǒng)和飛發(fā)氣動結(jié)構(gòu)設(shè)計6個變革性航空基礎(chǔ)技術(shù)群，以及機載系統(tǒng)、可持續(xù)機艙設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)施運營、全生命周期影響分析、快速設(shè)計驗證以及先進材料和制造7個確保氫動力飛行商業(yè)可行并使之持續(xù)完善的橫向交叉技術(shù)。

FlyZero項目確信這13個重點領(lǐng)域的發(fā)展將為實現(xiàn)氫動力飛行愿景鋪平道路。除單純的技術(shù)因素外，F(xiàn)lyZero項目還強調(diào)了3個潛在的航空氫能市場風險點：一是確保氫燃料具備一定程度的長期價格確定性，政府部門有責任履行兌現(xiàn)其對擴大氫能生產(chǎn)的承諾，并形成專門的機制限制航空公司在短期氫燃料價格波動中的風險敞口；二是氫動力飛行市場繁榮與否將取決于氫燃料的可用性，航空公司對飛機的需求可能只會集中在那些在航班始發(fā)地和目的地都有充足氫燃料供應(yīng)的航線上；三是原始設(shè)備制造商（OEM）及其供應(yīng)鏈可能沒有興趣或能力為航空氫動力如此巨大的“賭注”投入全部資金，除了來自政府的支持外，F(xiàn)lyZero項目更看好未來有創(chuàng)紀錄的私人資本部署到氫動力飛行領(lǐng)域。

零碳飛行的建議

全球航空業(yè)正處于一個轉(zhuǎn)折點，在對當前航空產(chǎn)品和技術(shù)產(chǎn)生顛覆性的變化與沖擊的同時，氫能航空產(chǎn)業(yè)也可能會帶來極為豐厚的市場回報。FlyZero項目分析顯示，英國如果在航空氫動力領(lǐng)域領(lǐng)先于其他國家或基本與其他國家同步行動，其在全球民航市場的份額將從2019年的12%增加到2050年的19%，對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)總增加值（GVA）會由110億英鎊上升到360億英鎊、工作崗位由11.6萬個上升到15.4萬個。相反，若不采取積極行動，屆時英國的航空市場份額將降至5%，行業(yè)就業(yè)崗位僅剩7.4萬個。

在2050年前啟動氫動力飛機開發(fā)計劃的機會窗口很短，可能會在2025年關(guān)閉，一旦錯過，只能鎖定下一代傳統(tǒng)動力飛機，而這些飛機很有可能會用到21世紀末。FlyZero項目認為，當下的重中之重就是加速氫動力飛行技術(shù)的發(fā)展以及集成驗證，到2025年左右將大多數(shù)相關(guān)技術(shù)的成熟度從1～3級提升到6級。在對那些高風險高回報的概念技術(shù)探索的同時，來自政府的支持計劃應(yīng)更多偏重于背景需求較為明確的定向研發(fā)和試驗測試基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，并對綠色能源供應(yīng)鏈進行緊急追加投資，強化氫燃料的生產(chǎn)保障能力。

根據(jù)FlyZero項目的構(gòu)想，未來航空氫動力的發(fā)展，政府機構(gòu)既是前期資金的重要提供者，又是釋放全社會投資潛力的推動者。隨著政府和工業(yè)界的資本投入并取得階段性技術(shù)成果，可以鼓勵私人資本參與該行業(yè)并成為技術(shù)研發(fā)和型號項目之間的紐帶。在政府的牽線搭橋下，私人投資者和工業(yè)界展開正式對話以評估投資意愿，采取特殊目的載體（SPV）的股權(quán)資本化合作形式并達成風險分擔協(xié)議。這將是嶄新的航空研發(fā)商業(yè)模式，獲得私人融資對零碳排放氫動力發(fā)展有著前所未有的意義。

為進一步營造零碳排放飛行的有利外部環(huán)境，一方面應(yīng)大力推動全球范圍航空碳定價、碳稅收政策法規(guī)的出臺，產(chǎn)生的經(jīng)濟收益將主要用來支持零碳飛行技術(shù)的開發(fā)，逐步將新的市場需求轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的航空形式，同時提高飛行碳排放的透明度，鼓勵引導(dǎo)乘客做出更理智的市場選擇；另一方面要激勵對機場氫能基礎(chǔ)設(shè)施投資，這其中涉及接收、儲存和加注氫燃料等多方面內(nèi)容，據(jù)FlyZero項目估算，一個大型機場氫能設(shè)施建設(shè)將花費8.5億～14億英鎊，相關(guān)成本問題很可能會依托目前較為熱門的受監(jiān)管資產(chǎn)基礎(chǔ)（RAB）融資模式解決。

此外，航空業(yè)應(yīng)與其他行業(yè)聯(lián)合建立氫能技術(shù)研究中心，分享市場需求、試驗設(shè)備和技術(shù)成果，加快標準和法規(guī)、材料性能和測試規(guī)范等共性技術(shù)研究。政府機構(gòu)和整個工業(yè)界要形成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，有權(quán)根據(jù)國家利益的戰(zhàn)略優(yōu)先事項分配研發(fā)資金，同時還要積極推動相關(guān)國際協(xié)作，制定新的全球航空政策、條例、認證和業(yè)務(wù)要求，盡快在氫動力飛行的國際監(jiān)管以及航跡云的氣候影響、改善空中交通管理和零碳機場網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等問題上達成共識。

結(jié)束語

FlyZero項目的研究成果無疑對我國氫能航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一個很好的參考與借鑒。整體判斷，未來幾年將是我國氫能產(chǎn)業(yè)開始從上游（生產(chǎn)供應(yīng)氫燃料）向中游（研發(fā)制造氫能產(chǎn)品）延伸拓展的關(guān)鍵時期，航空裝備制造商投身相關(guān)技術(shù)研發(fā)的外部條件已經(jīng)基本具備，既不存在未來有產(chǎn)品能力卻無市場需求、無運營條件的后顧之憂，也無須為早期產(chǎn)品可能經(jīng)濟性較差所困擾，曾經(jīng)的新能源汽車補貼政策就是打消行業(yè)疑慮的最好例證。當然也必須認識到氫能航空的很多關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，還有很多瓶頸問題需要解決，F(xiàn)lyZero項目所構(gòu)想的宏偉愿景能否如期實現(xiàn)存在很多未知，我國在確立氫能航空戰(zhàn)略大方向的同時一定要保持細節(jié)與節(jié)奏調(diào)整的靈活性。