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氢动力航空 不只是波音和空客的角逐

北极星氢能网 来源:拉瓦锡1787  作者:氢能首席观察员  2020/8/11 10:27:09 我要投稿

北极星氢能网讯:目前,全球排名前10大的机场都在探索或已经部署了加氢基础设施,用于辅助交通和物流。欧美中短途的小型氢动力飞机项目方兴未艾。最近,波音领衔的研究表明,商用航空领域氢最早在2025年可为机场应用提供机会。空客领衔的研究表明,首批商用飞机可能会在2035年进入欧洲市场。

(来源:微信公众号“拉瓦锡1787”ID:Hydrogen2050 作者:氢能首席观察员 )

当你目送飞机起飞,很少人会注意到飞机发动机所排出的黑烟;当你置身机舱,飞行时间的轰鸣声却让大多数人难以平息。氢动力飞机将完美解决这两个问题,20多年来,以波音和空客为代表的航空公司进行了大量探索。随着可再生能源利用成本的大幅下降以及燃料电池等氢能装备可靠性和耐久性的大幅提升,这一解决方案已具备可操作性。

8月初,波音公司与澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)联合发布了一份《商用航空中的氢能机会》报告。该报告概述了氢能在商用航空的短期、中期和长期中的应用路线图,随着时间推移,每种应用都具有显著的碳减排潜力。

·短期采用的方法包括用氢燃料电池替换目前使用液体燃料和电池的机场设备。虽然机场不是该行业的主要排放源,但代表了直接引入清洁氢的机会。

·从中期来看,氢气可以与二氧化碳结合,产生一种不需要改变现有飞机基础设施的“过渡”燃料。考虑到航空部门的低资产周转率,氢基燃料是航空业在2050年前实现有意义脱碳的主要途径。

·展望未来,日益严格的环境法规可能迫使业界到2050年完全放弃传统的航空燃料,即使是氢基燃料。鉴于其独特的性能,氢气可以在替代飞机非推进和推进系统应用的创新和新兴基础设施过渡方面发挥关键作用。

这并非波音公司心血来潮蹭热点。早在2003年,波音公司就已经启动氢动力飞机研究项目(Theator Airplane),并于2008年成功首飞。该项目采用燃料电池方案,起飞仅需要45 kW,而保持空降仅需要20 kW。2010年7月,波音公司还发布了其氢动力无人机(Phantom Eye),该机能够在高空航行长达四天,由两台使用氢气运行的普通福特汽车发动机提供动力。期间,波音公司还与NASA合作开发一种小型的轻量级系统,从喷气燃料中提取氢气和一氧化碳用于固体氧化物燃料电池为飞机提供电力。

简单来讲,氢能在飞机上的应用有以下四种途径:

直接在燃气轮机中燃烧

通过燃料电池用于推进或非推进能源系统

燃料电池和燃气轮机(而不是电池和燃气轮机)的混合动力组合

氢基合成燃料

四种路径各有所长,但都需要克服重量,可靠性等方面的挑战。其中,前两种最为直接,但要克服氢气体积能量密度的短板,对大型远距离客机可能会直接改变飞机设计的结构。氢动力飞机本质上有四个主要组成部分:安全的储氢系统,稳定高效的燃料电池系统,控制电池功率的装置以及使螺旋桨旋转的电动机。为了制造完整的氢动力商用飞机,必须充分开发这四个领域。

空中客车公司基本与波音公司同期开展氢动力飞机研究。2008年,空中客车公司在A320试验飞机上对基于氢和氧的燃料电池系统进行了测试,探索为飞机的后备液压和电力系统提供动力。除了燃料电池,空中客车公司还尝试过纯电动飞机。2015年,空中客车公司E-Fan X混合动力示范飞机曾成功首飞英吉利海峡,并计划于2020年正式启动商运试点。但目前该项目已取消,空中客车公司首席技术官格拉齐亚·维塔蒂尼(Grazia Vittadini)表示,公司将重点转向氢能源,以进行可持续发展。

5月,Clean Sky发布了由空中客车领衔参与的欧洲《氢动力航空》研究报告。该报告指出,2035年氢可用于为长达3,000公里的商用客机提供动力(81-165座),燃料电池可将航空对气候的影响降低75%至90%,同时每位乘客的飞行成本仅增加5-10美元;到2040年或以后,中距离飞行也将可能达到7,000公里,仅保留传统航空的远程飞行。

美国氢动力总成系统初创公司ZeroAvia的首席执行官Val Miftakhov更为乐观。他认为,氢燃料不仅可以实现零排放,而且还可以在2023年与小型飞机的煤油燃料相竞争。2019年,ZeroAvia已成功在加州试飞一款六座的Piper M350,通过气态氢驱动燃料电池为电动马达供能。2016年,德国航空研究中心(DLR),乌尔姆大学和H2FLY公司已德国斯图加特实现第一架四人座氢动力飞机成功首飞。

对于未来,氢动力飞机如何向大型远距离客机扩展?“造机新势力”们的底气在于液氢以及氢气的就地生产。毕竟相对于陆地车辆依赖于星罗棋布的加氢网路,机场在基础设施方面的要求相对简单。全球最早实现液氢动力飞机上天的是前苏联Tu-155实验飞机。该项目由前苏联飞机制造商图波列夫基于Tu-144机型开发,并在1989年成功首飞。

疫情冲击下,法国发布的170亿美元救助计划包括对本国航空公司的要求:到2024年将与国内航班相关的碳排放量减少一半,以及加速现有的向可持续燃料过渡的计划,其中17亿美元的资金用于开发新型燃料——碳中性飞机。法国生态与包容性转型部(MTES)官员Elisabeth Borne在宣布救助计划时谈到:“在2033年至2035年之间,我们预计提前十年设计出碳中和飞机……这将使我们能够为低碳飞机设定新的全球标准。”

鉴于大型机场及客机的长资产周期,要想实现航空业绿色可持续发展,现在必须行动起来。7月2日,国际能源署负责人Fatih Birol发布了IEA《能源技术前景》特别报告,紧迫感前所未有。IEA研究了400种能源技术的市场可行性和成熟度,其结果“很不乐观”——仅确定了减少碳排放量最大的四个方向:性能更好的电池、生物燃料、氢和CCS。

与波音和空客角逐不仅是“造机新势力”,更大的对手是气候变化。

原标题:氢动力航空丨不只是波音和空客的角逐

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