高空中的氢革命——全球首架氢动力飞机

Daphane

來源:新浪科技

新浪科技讯 北京时间4月13日消息，全球首架商业规模的氢动力飞机去年刚从英国起飞，不久还将有更多飞机加入这一行列。那么，在航空业节能减排这一方面，这些飞机究竟能走多远呢？　　随着飞机顺利离开跑道，整个团队忍不住松了一口气。这架六座的派珀M系列飞机此前在英国克兰菲尔德机场的一座研发中心接受了整修，在美国加州的初创公司ZeroAvia与英国等地的合作伙伴们的共同努力下，成为了一架氢动力飞机。2020年夏末的这次处女航进行得十分顺利，标志着ZeroAvia公司已经做好准备，即将向实现零碳航空的下一步进发。

HyFlyer I飞机只有六个座位，但下一代飞机的载客量将增至20人


　　如果要用一个词来概括向低碳或零碳经济的过渡，那便是“一切皆电”。也就是说，从制造业到施工业、从交通业到旅游业，全世界的一切人类活动都靠利用风能、太阳能或核能等低碳或零碳能源产生的电能运作。但目前还存在一个问题：部分领域在中短期内都难以实现电气化，而航空业堪称其中最难攻克的一关。
　　在疫情爆发前，商业航空的二氧化碳排放量约占全球总量的2.5%。这个比例看似很小，但已经超过了整个德国的排放量（2.2%）。在航空业的有效辐射强迫（即对实际导致全球平均气温上升的因素造成的影响）中，二氧化碳也占到了一半。除此之外，飞机排出的水蒸气尾气造成的影响也不容小觑。
　　好在商业航空一直在努力提高能量效率。由于飞机引擎和操作技术的改进，自1990年来，平均每位乘客相关的二氧化碳排放量已经降低了50%以上。但坏消息是，由于航空业业务量激增，抵消掉了这些成就。过去五年来，航空业乘客数量增加了至少五分之一。等到2050年，每年乘客数量预计将达到100亿。


等到2037年，航空客运量预计将会翻番。这意味着，除非能找到可持续性的解决方案，否则温室气体排放量将大量增加


　　乍看之下，氢似乎是个很好的解决方案。无论使用氢来支持燃料电池、还是直接燃烧产生动力，产物都只有水。并且在飞行场景下，每单位质量的氢包含的能量高达传统喷气机燃料的三倍以上，比锂离子电池更是高出百倍之多。
　　政府与企业都正在这方面进行投资。ZeroAvia公司2020年研发的氢动力飞机HyFlyer I就得到了英国政府的资助。英国政府的零排放飞行理事会承诺，“将专注于实现可持续的航空燃料，以及加速零排放飞机的设计、制造与商业运营”。
　　在英国政府、私人投资者与商业合作伙伴的共同支持下，ZeroAvia公司正在开发一款能够携带20名乘客、飞行距离约350海里（约合648公里）的氢电（燃料电池）飞机。ZeroAvia的创立者及董事长瓦尔•米夫塔克霍夫表示，该公司计划最早于2023年开始提供采用此类飞机的商业飞行业务，并且等到2026年，飞机航程将达到500海里以上，载客量也将达到80人。不仅如此，“等到2030年，我们还将造出有100个座位的单过道飞机。”
　　欧洲大陆对此也是野心勃勃。全球最大的飞机制造商空客公司首席技术官格拉齐亚•瓦塔蒂尼指出：“氢是最具潜力的技术板块之一，既能继续满足人类对移动能力的基本需求，又能更好地与环境和谐共存。”2020年9月，空客宣布将把氢燃料推进系统作为新一代零排放商业飞机的核心。这项名叫ZeroE（零排放）的项目如今是欧盟数十亿欧元绿色经济刺激计划的旗舰项目。


空客公司计划在2035年前，将三架氢动力概念机投入运营


　　空客已经发布了三架概念机，准备于2035年进行部署。首先是一架螺旋桨飞机，可搭载约100名乘客，航程约为1000海里（约合1850公里）。其次是一架喷气式飞机，可搭载200名乘客，航程也是前者的两倍。这两架飞机的外观都与现有飞机很类似，但第三架概念机则充满了未来感，采用翼身融合式设计，与当今的商业飞机大相径庭。空客表示，这架飞机的载客量和续航距离都超过前两架飞机，不过目前暂未公布更多细节。这三架都属于氢混合动力飞机，既采用以液氢为燃料的燃气涡轮引擎，又通过氢燃料电池产生电能。
　　ZeroAvia与空客的研发工作引起了很多人的兴趣，但并非所有航空业人士都相信，氢将在向低碳或零碳飞行的过渡中发挥主要作用。
　　首先，氢在物理和化学方面具有弱势。氢的单位质量能量虽然比喷气机燃料要高，但如果按单位体积来算，就不如后者了。这是因为氢在普通气压和温度下以气态存在，而气体必须被压缩、或通过冷却至零下253摄氏度转化为液体，才能保证足够的存储量。“压缩氢气或液氢的储罐既复杂又沉重。”前劳斯莱斯飞机引擎设计师、可持续航空探索平台Green Sky Thinking创始人芬利•阿什尔指出。
　　除此之外还有其它挑战。液氢的能量密度只有航空煤油的四分之一左右，这意味着，要想提供同样的能量，液氢所需的储罐体积将是航空煤油的四倍。这样一来，飞机要么减少载客空间、给储罐腾地方，要么增加体积。空客的前两架概念机采用的便是第一种方案，这将造成机票收入减少，但其它都保持不变。第三架概念机采用的则是第二种方案，这需要更大的机身，而更大的机身就意味着更大的拖曳力。此外，机场还需要搭建全新的基础设施，用于氢的运输和储存。


生物燃料可以作为航空燃料的替代方案，但需要大量土地用于种植


　　另外还有一个问题：氢能否实现大规模生产？是否能在不产生大量碳足迹的前提下保证价格竞争力？如今工业中使用的绝大多数氢都是用化石燃料甲烷生产的，过程中会产生二氧化碳。氢也可以借助可再生能源、通过水的电解反应生成，但这一过程目前成本很高，并且十分耗能，如今只有约1%的氢是通过这种方法生产的。
　　就目前来看，液氢的成本超过传统航空煤油的四倍。在接下来几十年间，随着基础设施规模增加、效率提高，液氢的价格会有所下降。但据英国皇家学会与管理咨询集团麦肯锡表示，就今后几十年而言，液氢的价格仍将至少高达化石燃料的两倍。
　　考虑到这些因素，再加上其它一些原因，部分航空业巨头的脚步有所迟疑。空客的主要对手波音公司的环境策略总监肖恩•纽森最近表示：“我们认为，氢推进系统所需的技术和元素还需要再过一段时间才能……用于商业用途。”此外，英国政府的关键顾问团队之一对此也抱有疑虑。英国气候变化委员会的戴维•乔菲指出：“要想直接使用氢能，还需数十年时间进行过渡。”
　　那么，我们还有哪些替代方案呢？2020年9月，航空交通行动组织（ATAG）发布了一组场景模拟，提出即使航空客运量继续增加，全球航空业也有可能做到二氧化碳零排放，只不过要到2060年后才能实现。根据这些场景，直接用氢只是“小打小闹”，真正改变形势的还是所谓的“可持续航空燃料”。
　　这个笼统的词汇包含了一系列产品，比如生物燃料，其产生的二氧化碳净排放、以及与传统航空燃料相关的其它污染物水平都很低。可持续航空燃料的支持者指出，与纯氢相比，它们具有很多显而易见的优势。由于它们在化学组成上与现有的航空燃料完全相同，因此几乎不需要重新设计、不需要投入时间、也不需要氢动力飞机所需的大量附加投资，便可用于现有系统中。劳斯莱斯首席技术官保罗•斯坦称，可持续航空燃料是实现可持续未来的关键所在。“等到2050年，航空业每年需要的燃料将多达5亿吨。如果可持续航空燃料能实现规模化生产，我们将对地球做出巨大贡献。”
　　可持续航空燃料可分为两类。一是通过对农业废弃物等生物质进行化学处理或热处理产生的生物燃料，二是所谓的“电燃料”。借助这些燃料，氢终将在航空业中发挥关键作用。
电燃料通过氢与二氧化碳反应产生，产物名叫“合成气”。接着，这些合成气通过“费托工艺”转化为“电原油”，可作为原油替代品，提纯加工成为航空煤油及其它燃料。假如各生产阶段所需的大量能量都来自零碳能源，那么整个过程便可实现碳平衡，即在生产这些燃料后，大气中的二氧化碳没有增加。
　　位于奥斯陆的Norsk e-Fuel公司利用瑞士公司Climeworks研发的空气直接捕捉技术收集二氧化碳，又借助可再生能源电解水产生氢气。该公司计划于2023年在挪威开设全球首家电燃料工厂，每年为挪威和欧洲市场生产1千万升燃料。等到2026年，生产目标将达到每年1亿升。该公司总经理卡尔•霍普梅尔指出，一家全规模运作的工厂可以为挪威国内使用最频繁的五条航线提供一半的燃料，将排放量减少一半。
　　就目前而言，有一件事是几乎可以肯定的：在接下来数年、乃至数十年间，氢和电燃料的成本仍将远远高于传统航空燃料，导致它们在航空业“绿色化”中的作用受到限制，除非航空业其它成本的权重发生变化。环保人士利奥•穆里指出，使用传统燃料的航空业务必须将其对环境的破坏体现在价格中。这样做尽管会导致机票价格上涨，但可以舍小利而保全球。