深入分析：氫動(dòng)力飛機(jī)，更可持續(xù)的航空之路

　　2019年，航空業(yè)排放了9.15億噸二氧化碳，占當(dāng)年全人類二氧化碳排放量的2%。

　　在接下來的幾年里，ATAG(航空運(yùn)輸行動(dòng)小組)制定了2050年航空業(yè)減排目標(biāo)，目標(biāo)是將二氧化碳排放量在2005年的水平上減少50%。

　　《巴黎協(xié)定》簽署后，航空運(yùn)輸是第一個(gè)致力于應(yīng)對氣候變化的行業(yè)。然而，近幾十年來，由于飛機(jī)數(shù)量的逐年增長，僅靠飛機(jī)能源效率的提升是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，我們需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案，從根本上減少航空業(yè)對氣候的影響。

　　使用氫作為航空燃料，有可能在飛行過程中完全消除二氧化碳排放。因此，這一有希望的能量載體已經(jīng)成為替代傳統(tǒng)航空煤油的主要探索方向之一，其他兩種可行的方案是：由電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)馬達(dá)和可持續(xù)航空燃料(SAFs)。

　　不同類型的氫動(dòng)力系統(tǒng)

　　目前有兩種用于飛機(jī)的氫推進(jìn)模式：第一種是利用氫通過燃料電池產(chǎn)生電能，為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。第二種方式是在內(nèi)燃機(jī)中的直接燃燒氫氣，類似于目前飛機(jī)上使用的那套系統(tǒng)。

兩種用于飛機(jī)的氫推進(jìn)模式。來源：Ferrovial Airports

　　這兩種解決方案都在研發(fā)中，它們提供的主要優(yōu)勢是完全消除飛行過程中的二氧化碳排放。但它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：直接燃燒氫需要排放NOx和水蒸氣；而燃料電池效率更高，運(yùn)行過程中只排放出水蒸氣。

　　據(jù)估計(jì)，使用氫燃料可以在飛行過程中減少對氣候的影響：使用燃?xì)錃獍l(fā)動(dòng)機(jī)可以減少50%-75%，使用氫燃料電池可以減少75%-90%。

　　由于受到目前電池技術(shù)水平的限制，使用氫燃料電池僅限于支線飛機(jī)和短程飛行。而采用燃?xì)浒l(fā)動(dòng)機(jī)能夠在中型和大型飛機(jī)上取代航空煤油，飛行里程可達(dá)10,000公里。

　　氫：具有巨大潛力的動(dòng)力能源

　　除了在飛行過程中不排放二氧化碳外，氫是地球上最豐富的元素，使其在可持續(xù)能源中獨(dú)一無二。

　　然而，生產(chǎn)、儲(chǔ)存和分配的困難阻礙了氫氣在飛機(jī)上的廣泛應(yīng)用。

　　在氫的生產(chǎn)過程中，會(huì)消耗大量的能源，而這些能源必須來自可再生資源，這樣氫才能作為一種可持續(xù)的燃料使用。為了滿足飛機(jī)推進(jìn)對氫的高需求，這種被認(rèn)為對環(huán)境友好的藍(lán)色和綠色元素的產(chǎn)量必須大幅增加。

　　另一方面，用于儲(chǔ)存供飛機(jī)使用的氫氣需要相當(dāng)大的儲(chǔ)氣罐。如果我們還考慮到氫經(jīng)常以液體狀態(tài)使用以減少其體積，那么這些儲(chǔ)氣罐必須是加壓的，并且能夠承受很低的溫度。因此，需要外壁更厚的儲(chǔ)罐，這意味著更大的重量。

　　飛機(jī)上攜帶氫氣的影響

　　航空業(yè)碳排放的約72%來自大中型飛機(jī)，這些飛機(jī)大多用于商用航空。此外，在高海拔飛行意味著這些排放對環(huán)境的影響更大。在這些飛機(jī)上通過內(nèi)燃機(jī)實(shí)施氫動(dòng)力，或?qū)?nèi)燃機(jī)與燃料電池系統(tǒng)混合使用，意味著可以減少大部分排放。

　　用液態(tài)氫取代航空煤油需要將現(xiàn)有的飛機(jī)燃料箱體積增加四倍，于此同時(shí)燃料重量將減少70%。通過這些改動(dòng)，就能夠使氫燃料達(dá)到與航空煤油相同的飛行距離。

　　由于儲(chǔ)存遠(yuǎn)程飛行所需的氫氣量，燃料箱會(huì)比使用航空煤油大許多，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將不得不進(jìn)行修改。目前的替代方案包括：增加機(jī)翼體積以增加存儲(chǔ)容量，或增加機(jī)身長度以增加額外的儲(chǔ)罐。

　　為了達(dá)到像A350這樣的飛機(jī)目前的最大航程，需要將機(jī)翼面積增加2.5倍，并增加一個(gè)燃料箱，占機(jī)身長度的5%。

使用氫燃料，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將不得不進(jìn)行修改。來源：Ferrovial Airports

　　至于飛機(jī)的重量，這一設(shè)計(jì)變化將意味最終起飛重量將減少11%。

　　因此，將氫作為內(nèi)燃機(jī)燃料不僅可以減少二氧化碳排放；它還將提供增加有效載荷的機(jī)會(huì)。

　　氫動(dòng)力VS其他替代動(dòng)力

　　除了氫燃料，航空業(yè)正致力于開發(fā)100%電動(dòng)飛機(jī)，或使用可持續(xù)航空燃料(SAFs)。

　　SAFs目前與航空煤油一起混合使用的比例可以高達(dá)50%，最終預(yù)計(jì)將達(dá)到100%。它們可以用于任何類型的飛機(jī)，直接替代而沒有限制。高昂的成本和飛行過程中二氧化碳排放的部分減少，使其成為現(xiàn)階段的一個(gè)過渡選擇，但不是最終的解決方案。

　　配備燃料電池和電動(dòng)馬達(dá)的飛機(jī)將使零排放飛行成為可能。然而，該技術(shù)的應(yīng)用僅限于小型飛機(jī)和1000公里以下的航程，還需要進(jìn)一步的技術(shù)發(fā)展。

　　根據(jù)三種推進(jìn)方式在機(jī)場和飛機(jī)上的實(shí)施效果比較，氫和電力推進(jìn)需要更多的投資。這是因?yàn)闄C(jī)場需要新的配送和儲(chǔ)存系統(tǒng)，以及新的飛機(jī)設(shè)計(jì)。另一方面，使用SAFs則不需要任何重大的改變，因?yàn)樗鼈兪褂玫南到y(tǒng)與航空煤油相同。

3種替代動(dòng)力的優(yōu)缺點(diǎn)比較。來源：Ferrovial Airports

　　考慮到各種替代方案對環(huán)境的影響以及與實(shí)施它們的成本，每一種方案都有其最佳適用里程。通過結(jié)合不同的替代方案，并在效率最高的航班上實(shí)施，我們可以實(shí)現(xiàn)最大程度的減排。盡管如此，開發(fā)這三種替代能源仍需要大量投資。此外，這一切都取決于這些推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和未來替代方案的發(fā)展，比如牛津大學(xué)提出的基于二氧化碳的新型航空燃料。

注：與傳統(tǒng)燃料(100%)相比，效率是總成本和獲得的動(dòng)力的組合。來源：Ferrovial Airports

　　根據(jù)這些現(xiàn)有替代品的特點(diǎn)，我們可以得出結(jié)論，氫動(dòng)力的多功能性使其能夠覆蓋廣泛的飛機(jī)類型和飛行距離。因此，致力于氫動(dòng)力飛機(jī)將實(shí)現(xiàn)最大的環(huán)境效益，減少高達(dá)89%的航空業(yè)二氧化碳排放。

　　（原文來自：Ferrovial Airports 全球氫能網(wǎng)、中國新能源網(wǎng)綜合）