杨超凡·详细解读欧洲的氢飞机 飞机如何利用氢气提供动力
航空业占全球二氧化碳排放量的 2%至 3%，占欧洲排放量的3.6%。在巴黎协议和最近的欧洲绿色协议的推动下，围绕航空可持续性的研究和讨论小组数量迅速增加。现在，对于煤油动力飞机的替代品存在着真正的争论，这些替代品可能有助于实现欧洲层面设定的 2050 年排放中立目标。
在这场辩论中，氢作为一种可能的航空燃料正在获得巨大的吸引力。虽然电池驱动飞机上有利于排放的目标，但氢可能会弥补电池的不足（即主要是其重量），并为缓解气候变化提供更大的潜力。绿色氢气尤其如此，因为它是利用可再生电力（如太阳能或风能）电解产生的，所以在生产和燃烧过程中不会排放任何二氧化碳。在这方面，由“清洁天空 2 ”研发团队和燃料电池与氢气联合企业委托麦肯锡进行的一项研究发现，到 2035 年，可靠的氢燃料飞机将是可行的。首批项目正在启动——2020 年 9 月 21 日，空客宣布将在2035 年前推出氢动力飞机。欧盟还表示将支持航空部门对氢的开发。它于 2020 年 8 月 26日发布了一份呼吁，呼吁潜在成员国对未来欧洲清洁航空伙伴关系感兴趣并提出想法。这种伙伴关系将采取由新地平线欧洲基金（2021-2027）资助的相关领域参与者之间的联合体形式。这一伙伴关系的预期成果之一是开发氢动力飞机。与此同时，在客运或货运用全氢燃料飞机成为现实之前，仍有许多挑战需要克服。下面，我们将概述飞机如何利用氢气提供动力，其主要优点以及在下一代飞机上成功部署的剩余障碍。氢似乎是零排放和无害感航空的解决方案，在 4 个主要领域正在进行进一步的工作。
1、监管
一个强有力的液氢处理和加氢法律框架对于加速绿色氢在航空中的进一步部署至关重要。监管障碍依然存在。飞机的所有部件都必须经过认证才能获准飞行。这意味着飞机内的所有新部件都必须经过欧盟航空安全局（EASA-European Union Aviation Safety Agency）的审查，包括氢罐、氢涡轮、燃料电池等。因此，必须确保这些部件的安全，不仅是单独的，而且是每个部件的相互作用以及与飞机其他技术特征的相互关系。这是一个漫长的过程，需要从原型设计阶段开始，并与技术研发同步进行。航空业正在等待新的监管举措，以建立一个强有力的液氢处理和加氢法律框架，处理各种安全问题，如新的推进系统。
2、技术
氢气可以通过三种可能的方式为飞机燃油系统提供动力：
⚫ 在燃料生产过程中，氢可以与二氧化碳一起成为一种元素；
⚫ 氢气可直接供给氢气涡轮机；
第一种选择是昂贵的，并且将继续产生大量温室气体（考虑到所涉及的 CO2元素），这使得它在碳减排方面的价值值得怀疑。这将使可持续航空燃料(SAF-Sustainable aviation fuels)仅适合作为过渡燃料。因此，研究的重点是第二和第三种选择，以及结合氢反应堆和燃料电池的中间解决方案。在氢动力飞机中， 液态氢将储存在飞机中，然后在氢涡轮中燃烧或在燃料电池中发生反应。这两种反应都会产生水蒸气（H2O）作为副产品。最终，电机由燃料电池或涡轮机提供动力。飞行过程的其余部分与煤油的现状相似。唯一重要的区别是氢动力飞机不排放任何二氧化碳。Cyrogenic 发动机、燃料电池、液态氢的储存和分配以及热挑战的管理都是技术成熟的领域，其中许多领域已经在进行中，需要大量投资才能在这十年内使液态氢飞机的飞行技术成熟。航空用氢的开发可以进一步支持其他行业的脱碳，例如加速燃料电池、储存设施和其他系统的研究。它还可能促进下游的氢气生产基础设施，并有助于降低电解槽的价格。⚫ 在飞机上，重量是一个关键特征。氢的能量密度很高，它很轻，与氧气燃烧产生大量能量。这意味着它比其他燃料/储能装置每单位重量携带更多的能量。与使用储存在电池中的电相比，这是一个关键优势。与电池所产生的能量相比，电池目前很重。因此，用电池为长途飞行提供动力目前还不可行，而以燃料电池的形式使用氢可以解决这个问题。
⚫ 氢可以暂时储存电能，因为它既可以通过电（电解）产生，也可以通过（再）发电（燃料电池）产生。这进一步加强了其支持减少长途飞行温室气体排放的能力。
⚫ 氢气在燃烧过程中不会释放二氧化碳。此外，可再生能源产生的“绿色”氢气在生产过程中也不会产生二氧化碳。相反，氢释放出的水（H2O）比二氧化碳对气候的影响要小得多。研究估计，氢可以帮助航空业减少 50%到 90%的气候影响。
⚫ 氢气燃烧不会产生 CO2，但会产生水蒸气（H2O）和 NOx（氮氧化物），尤其是在高海拔地区。就水而言，我们知道它对环境的影响不如二氧化碳那么重要。尽管如此，它仍然会影响环境，包括通过放大温室气体的变暖效应，尽管需要进一步的研究来了解确切的影响。至于氢的 NOx 生成，这可能会增加臭氧，并与 CO2一样有害。然而，研究表明，可以减少产生的 NOx 量，以保证氢气技术的安全。
4、制氢
许多挑战仍然存在，例如氢气的充足供应及其安全储存。氢有可能促进航空业的进一步发展，并有助于减少其对气候的影响。然而，氢动力飞机的实际应用并非没有挑战：
定期操作氢动力飞机需要充足稳定的氢气供应。正如已经强调的那样，绿色氢气是通过可再生电力产生的。然而，目前的可再生能源供应还不够。因此，有必要大力发展可再生电力设施（如太阳能或风能）。如果没有这样的增长，航空业可能不得不为其新型生态飞机提供灰色氢气，使用天然气生产，从而产生二氧化碳。这将大大削弱氢技术可能对气候变化产生的积极影响。尽管存在这些供应挑战，但降低绿色氢气的高生产成本至关重要，包括扩大生产设施，降低技术成本，并在必要时提供量身定制的充分政府支持。绿色氢的生产成本目前估计在 3-7 欧元/千克之间，而灰色氢的生产成本为 1.5 欧元/千克，煤油的生产成本为 0.5欧元/千克。一旦产生氢气，必须将其运输/管道输送至机场，可能储存在机场，注入飞机储罐，然后在飞行期间储存，并运输至反应堆或燃料电池。所有这些步骤都带来了新的挑战。氢是一种小分子，容易以气体的形式泄漏，有时可能到达其存在可能危险的地方。因此，更容易运输和储存液态氢。然而，这需要在整个过程中“低温”冷却至-253°C，以避免蒸发。这意味着储罐将是大而重的，因此飞机的重量必须减少。这也意味着氢动力飞机更适合取代通勤飞机、支线飞机、短程或中程飞机，而不是长途国际航班。此外，目前设计的机翼（煤油所在位置）太薄，无法容纳重型氢罐。因此，必须重新考虑飞机的结构和设计。此时最可能的选择是将氢罐放置在飞机上部、机身顶部或飞机尾部。航空中经常使用氢气的挑战不容忽视，但也并非不可逾越。鉴于氢对气候变化的积极影响，它有可能成为未来推进技术的一部分。甚至可以预期， 第一架支线飞机将在 10 至 15 年内投入商业使用。与此同时，需要大量的研发、投资和稳定的监管和法律框架，来控制一些氢的不利性质。在这方面，欧洲联盟似乎愿意支持其商业部署。它正在地平线欧洲计划的框架内为研发提供潜在资金。随着清洁氢气和清洁航空的出现，欧洲已经进行了大量投资，现在英国航空航天技术研究所将于 2021 年至 2022 年提供大量资金，以推进该技术的发展。通过现在的行动，下一代更加环保、高效和氢动力的飞机可以在 21 世纪 30 年代投入使用。与此同时，应鼓励更多可持续的燃料来源，如可持续航空燃料（SAF） 混合煤油，以尽快减少二氧化碳排放。注：原文来自互联网
杨超凡 2022.7.21
杨超凡简介：飞机制造高级专家，近年专攻民机复合材料。原航空工业部首批研究员级高级工程师，享受国务院特殊津贴。
