歐洲計(jì)劃在2035年實(shí)現(xiàn)氫能源客機(jī)商業(yè)化

低碳化是民用航空業(yè)面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。全球民用航空業(yè)每年排放的二氧化碳超過9億噸，假設(shè)每年增長(zhǎng)3%至4%，燃油效率每年提高2%，到2050年排放量將增加一倍以上。為此，國(guó)際民航組織(ICAO)、國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IATA)等國(guó)際組織近年來不斷提高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，促使航空企業(yè)的發(fā)展必須與之相適應(yīng)。2009年，IATA設(shè)定了航空業(yè)艱巨的減排目標(biāo)：2020年前燃油效率年均提高1.5%，2020年達(dá)到碳中和，2050年航空運(yùn)輸業(yè)碳排放減少50%。歐盟也通過綠色航空相關(guān)政策設(shè)定了碳排放的目標(biāo)。

與日常所見的電動(dòng)汽車類似，綠色新能源客機(jī)的發(fā)展也呈現(xiàn)多條技術(shù)路徑。近期歐洲政府與工業(yè)界正共同加速氫能源客機(jī)的發(fā)展，力爭(zhēng)在2035年實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力干線客機(jī)商業(yè)化，實(shí)現(xiàn)極為激進(jìn)的民用飛機(jī)降低碳排放時(shí)間表。

歐洲雄心勃勃推動(dòng)航空業(yè)向氫能源轉(zhuǎn)型

2020年6月9日，法國(guó)政府宣布將為民用航空制造業(yè)提供80億歐元的救助計(jì)劃(另有70億歐元用于救助法航)，用于應(yīng)對(duì)新冠肺炎疫情給航空業(yè)帶來的殘酷影響。同時(shí)，著眼化危為機(jī)，法國(guó)政府計(jì)劃通過氫能源轉(zhuǎn)型實(shí)現(xiàn)民用航空運(yùn)輸綠色化的驚人加速，要求到2024年本國(guó)航空公司國(guó)內(nèi)航班相關(guān)的二氧化碳排放量減少一半，并加速現(xiàn)有向可持續(xù)燃料過渡的計(jì)劃。為此，法國(guó)政府在80億歐元救助計(jì)劃中劃撥專門劃撥15億歐元(部分來自歐盟委員會(huì)經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃)用于氫能源客機(jī)為期3年的研發(fā)項(xiàng)目，要求主制造商開發(fā)一款氫能源動(dòng)力窄體客機(jī)，實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，并計(jì)劃在2033~2035年投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

歐洲航空業(yè)的另一核心德國(guó)政府也為計(jì)劃其“國(guó)家氫氣戰(zhàn)略”投入70億歐元，該戰(zhàn)略將支持在飛機(jī)推進(jìn)和混合動(dòng)力飛行中使用氫氣燃料。同時(shí)，德國(guó)政府也在考慮在航空燃料中強(qiáng)制實(shí)行動(dòng)力與液體的比例(該過程將利用陽(yáng)光作為動(dòng)力源，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為噴氣燃料)，不過該計(jì)劃尚未確定。

歐盟在將要實(shí)施的“潔凈天空”3計(jì)劃中強(qiáng)調(diào)，如果要實(shí)現(xiàn)2050年二氧化碳排放目標(biāo)，那么環(huán)保型飛機(jī)需要在2035年開始投入使用。2020年5月，在歐盟“潔凈天空”2和“燃料電池與氫氣”計(jì)劃支持下，著名咨詢公司麥肯錫公司發(fā)布了《2050年前氫動(dòng)力航空的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和氣候影響：一項(xiàng)基于事實(shí)的研究》(簡(jiǎn)稱《氫動(dòng)力航空》)報(bào)告，預(yù)測(cè)了氫氣燃燒和燃料電池動(dòng)力推進(jìn)的技術(shù)發(fā)展，評(píng)估了相關(guān)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性，將它們與合成燃料進(jìn)行了比較，并考慮了對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)、機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和燃料供應(yīng)鏈的影響。報(bào)告認(rèn)為顛覆性的飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)載系統(tǒng)創(chuàng)新與氫能源技術(shù)的結(jié)合，將使民航飛行對(duì)全球變暖的影響減少50~90%。報(bào)告認(rèn)為2035年前可以引入采用氫能源的短程干線飛機(jī)(81~165座級(jí))，到2050年，氫能源飛機(jī)將占所有飛機(jī)的40%。歐盟委員會(huì)對(duì)這樣的研究結(jié)論表示了支持，并將其與今年7月將要通過的“氫戰(zhàn)略”聯(lián)系起來。該戰(zhàn)略旨在加速歐洲工業(yè)的低碳化和數(shù)字化。

歐洲工業(yè)界正穩(wěn)步推進(jìn)氫能源航空實(shí)用化

歐洲工業(yè)屆對(duì)于氫能源飛機(jī)技術(shù)已經(jīng)開展了多方面的研究，涉及中小型企業(yè)和行業(yè)巨頭。2020年6月，氫能源航空初創(chuàng)公司ZeroAvia在英國(guó)克蘭菲爾德機(jī)場(chǎng)進(jìn)行了首次成功的氫動(dòng)力商用飛機(jī)試飛。ZeroAvia計(jì)劃在2023年前進(jìn)行10~20座級(jí)500英里(805千米)航程飛機(jī)的認(rèn)證。創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官米夫塔霍夫認(rèn)為相較電池解決方案，基于氫動(dòng)力的飛機(jī)架構(gòu)是監(jiān)管機(jī)構(gòu)更熟悉的。

空客公司也開始將重心轉(zhuǎn)向氫動(dòng)力飛機(jī)，并制定了氫動(dòng)力客機(jī)發(fā)展路線圖。2020年4月，在宣布取消與羅羅公司聯(lián)合的E-Fan X混合動(dòng)力驗(yàn)證項(xiàng)目后，空客公司首席技術(shù)官格拉齊亞·維塔蒂尼就暗示公司將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向氫動(dòng)力飛機(jī)?？湛凸玖闩欧偶夹g(shù)副總裁格倫·利韋林在6月中旬向媒體解釋了這一轉(zhuǎn)變的原因：“我們?cè)?E-Fan X)項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)了個(gè)別有價(jià)值的技術(shù)，但是就串行混合電推進(jìn)構(gòu)型整體而言，并未帶來支撐未來航空發(fā)展的顛覆性(碳排放)降低。”

根據(jù)空客公司披露的氫動(dòng)力飛機(jī)發(fā)展時(shí)間表，將在2024~2025年完成氫動(dòng)力相關(guān)技術(shù)的選擇(主要是燃料電池推進(jìn)、氫氣燃料燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池+燃?xì)廨啓C(jī)混合動(dòng)力)，在2020年代后期完成小尺寸技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制，相應(yīng)的啟動(dòng)全尺寸原型機(jī)研制工作，以確保2030~2035年間，實(shí)現(xiàn)百座級(jí)以上氫動(dòng)力客機(jī)的商業(yè)化。

目前，空客公司尚未在渦輪雙發(fā)燃燒氫氣或在機(jī)身中安裝燃料電池之間做出選擇，盡管后者通常被視為最有效的氫能源使用方式。使用液態(tài)氫還是氣態(tài)氫仍舊在考慮之中，相應(yīng)的選擇燃料電池還是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，最終的技術(shù)方案將對(duì)氫能源飛機(jī)及整個(gè)配套生態(tài)系統(tǒng)(從機(jī)場(chǎng)設(shè)施到空中交通管理)產(chǎn)生重大影響。氣態(tài)氫和液態(tài)氫各自的優(yōu)點(diǎn)正在被徹底評(píng)估，法國(guó)政府資助的Hyperion研究計(jì)劃將評(píng)估氫氣飛機(jī)推進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)，包括低溫系統(tǒng)。這表明空客正在考慮液態(tài)氫，而不是壓縮氫——前者的儲(chǔ)存方式看起來更適合航空業(yè)對(duì)能量密度的需求，但在技術(shù)和效率上都更具挑戰(zhàn)性。

法國(guó)國(guó)家航空航天研究院(Onera)推進(jìn)和環(huán)境項(xiàng)目主任菲利普·諾維利認(rèn)為，氣態(tài)氫可能只適合在小尺寸飛機(jī)上使用。“潔凈天空”計(jì)劃的首席科學(xué)官讓·弗朗索瓦·布勞卡爾特也認(rèn)為，對(duì)于一架載客量超過19人的飛機(jī)而言，使用氣態(tài)氫進(jìn)行加油將是非常困難的。麥肯錫的報(bào)告也持相同的觀點(diǎn)，認(rèn)為液態(tài)氫更適合大多數(shù)航空業(yè)，但它并沒有排除氣體的可能性。它指出：“氣體儲(chǔ)存可以適合較短的飛行，并且可以商業(yè)化使用。”使用氣態(tài)氫可能會(huì)使飛機(jī)更快地進(jìn)入市場(chǎng)，但是可能飛機(jī)大小將限制在19座級(jí)。同時(shí)，燃料電池的效率為55%~60%，與燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的40%~45%相比，效率更高，將燃料電池和螺旋槳結(jié)合起來非常適合航空推進(jìn)。雖然技術(shù)進(jìn)步很快，但目前燃料電池的功率密度較低，對(duì)于A320級(jí)別的短程干線客機(jī)而言，僅使用燃料電池可能難以滿足10兆瓦級(jí)的功率需求，更好的方案可能是燃料電池和(使用氫氣燃料的)渦輪風(fēng)扇的組合，后者只在起飛時(shí)使用。此外，與在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒氫氣相比，使用燃料電池還有額外的好處：燃料電池排放的水蒸氣溫度較低，在飛機(jī)內(nèi)部完全可以控制，從而最大限度地減少尾跡，意味著可進(jìn)一步優(yōu)化巡航高度。

空客公司在進(jìn)行氫動(dòng)力飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)的相關(guān)技術(shù)開發(fā)的同時(shí)，也已進(jìn)行了氫動(dòng)力飛機(jī)生態(tài)建設(shè)的初步探索?？湛凸疽雅cEasyJets等航空公司簽署了諒解備忘錄，共同探討將氫能源飛機(jī)引入民航生態(tài)系統(tǒng)的問題與途徑：包括運(yùn)營(yíng)方式的變化、航空公司愿意做出的妥協(xié)與改變、以及潛在的不同商業(yè)模式?？湛凸踞槍?duì)氫能源客機(jī)運(yùn)營(yíng)模型顯示，通過采用“輪輻式”運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)可以使氫能源客機(jī)滿足“數(shù)量驚人”的歐洲民航航班需求，而這種模式下氫能源的基礎(chǔ)設(shè)施可僅在樞紐機(jī)場(chǎng)提供。

氫能源航空應(yīng)用前景分析

作為新能源動(dòng)力而言，在傳統(tǒng)電池技術(shù)未出現(xiàn)革命性創(chuàng)新之前，氫能源顯然具有更多的優(yōu)勢(shì)，類似結(jié)果已經(jīng)在新能源汽車領(lǐng)域出現(xiàn)。法國(guó)政府也并未將賭注僅壓在氫能源航空上。針對(duì)航空業(yè)的救助計(jì)劃，法國(guó)政府為加速綠色航空的發(fā)展還在實(shí)施其它更具可行性的項(xiàng)目，包括：研制一款預(yù)計(jì)于2030年代初投入使用的空客A320替代機(jī)，將采用涵道比20~25的超高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體-發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)降低30%的油耗;另一個(gè)名為“Majestic”的研究項(xiàng)目是研究一種大展弦比機(jī)翼，將降低30%的燃油消耗。