脫碳倒計(jì)時(shí)開啟 全球航空業(yè)能否“氫”裝上陣

2021年，在新冠肺炎疫情沖擊下，全球航空業(yè)經(jīng)歷了連續(xù)兩年史無前例的重創(chuàng)，同時(shí)也在苦苦尋找新的發(fā)展方向。美歐作為航空業(yè)的兩大“引擎”，都不約而同將航空業(yè)減排目標(biāo)大幅提前：明確到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。由于航空業(yè)具有跨境屬性，必然涉及國際協(xié)商，歐美在確立新目標(biāo)后隨即會(huì)著力向全球推廣……

3月22日至23日，首屆國際清潔航空論壇將在比利時(shí)布魯塞爾舉行，論壇的主題是“清潔航空起飛”。如何能飛得更清潔，已經(jīng)成為航空業(yè)發(fā)展的核心問題。

聯(lián)合國將本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)全球凈零排放作為當(dāng)前全人類最為緊迫的使命。2018年，一場名為“飛行恥辱”的運(yùn)動(dòng)自瑞典發(fā)起并很快席卷歐洲，越來越多的人開始選擇更加綠色的出行方式。大勢所趨，浩浩湯湯。航空業(yè)如果不能革新轉(zhuǎn)型，迎來的將是淘汰降級(jí)，而由此引發(fā)的新一輪技術(shù)革命和全球競爭已然拉開序幕。

航空脫碳勢在必行

2050年前碳排放要比2005年減少50%

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)報(bào)告指出，要保持全球升溫較工業(yè)化前水平控制在1.5攝氏度內(nèi)，在2050年實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放的目標(biāo)至關(guān)重要。2015年《巴黎協(xié)定》簽署以來，盡快實(shí)現(xiàn)碳中和正在全球范圍取得共識(shí)，主要行業(yè)在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)凈零排放已是大勢所趨。作為全球經(jīng)濟(jì)活動(dòng)重要組成和支撐的航空業(yè)，必然要積極變革，主動(dòng)作為。

早有遠(yuǎn)慮的航空業(yè)自2007年就已經(jīng)開始探索全行業(yè)減排，很多民航相關(guān)的國際機(jī)構(gòu)和組織都制定了相應(yīng)規(guī)劃，其中最為重要的是國際民航組織(ICAO)在2016年通過的國際航空碳抵消和減排計(jì)劃(CORSIA)，由此形成了第一個(gè)全球性行業(yè)減排市場機(jī)制，航空業(yè)也由此成為世界上第一個(gè)由各國政府協(xié)定實(shí)施全球碳中和增長措施的行業(yè)。根據(jù)該計(jì)劃，全球航空業(yè)2050年前碳排放要比2005年減少50%。

2021年，在新冠肺炎疫情沖擊下，全球航空業(yè)經(jīng)歷了連續(xù)兩年史無前例的重創(chuàng)，同時(shí)也在苦苦尋找新的發(fā)展方向。與此同時(shí)，歐盟和美國先后確定了2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。歐盟委員會(huì)于7月提出“Fit for 55”法規(guī)以確保2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。美國緊隨其后，在11月發(fā)布《邁向2050年凈零排放的長期戰(zhàn)略》，公布了實(shí)現(xiàn)2050碳中和目標(biāo)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)與技術(shù)路徑。美歐作為航空業(yè)的兩大“引擎”，都不約而同將航空業(yè)減排目標(biāo)大幅提前：明確到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。

由于航空業(yè)具有跨境屬性，必然涉及國際協(xié)商，歐美在確立新目標(biāo)后隨即會(huì)著力向全球推廣。

2021年10月，代表全球航空運(yùn)輸業(yè)的航空運(yùn)輸行動(dòng)小組(ATAG)敦促國際民航組織成員國根據(jù)行業(yè)承諾，支持在2022年第41屆國際民航組織大會(huì)上通過一項(xiàng)長期的減排目標(biāo)。

在2021年11月召開的第26屆聯(lián)合國氣候變化大會(huì)(COP26)上，英、美、法等23個(gè)國家組成“國際航空氣候雄心聯(lián)盟”，簽署《國際航空氣候宣言》，旨在加強(qiáng)政府間合作，為國際航空排放設(shè)定具有雄心的長期目標(biāo)。特別提出支持國際民航組織通過雄心勃勃的長期目標(biāo)，敦促ICAO做出2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放的具體承諾。與此同時(shí)，成員包括290家航空公司的國際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)(IATA)對(duì)2050年凈零碳排放飛行計(jì)劃表示支持。

時(shí)間轉(zhuǎn)入今年2月，在歐盟輪值主席國法國主持下，42個(gè)發(fā)達(dá)國家于歐洲航空之都圖盧茲簽署《關(guān)于航空可持續(xù)發(fā)展和脫碳的圖盧茲宣言》，呼吁全球采取措施，到2050年實(shí)現(xiàn)航空業(yè)脫碳目標(biāo)，以遏制全球變暖。歐美等國希望通過這一不具約束力的倡議引發(fā)連鎖反應(yīng)，從而推動(dòng)在第41屆國際民航組織大會(huì)上通過全球航空運(yùn)輸脫碳承諾。該倡議同時(shí)得到空客、法荷航、達(dá)索等146家行業(yè)公司的支持。各方強(qiáng)調(diào)，在ICAO框架下開展國際合作對(duì)于保證全球公平競爭至關(guān)重要。

國際民航組織理事會(huì)主席薩爾瓦托雷·夏基塔諾出席了此次活動(dòng)，他強(qiáng)調(diào)，盡管疫情及其影響仍在持續(xù)，但各國政府及航空業(yè)仍做出了雄心勃勃的決定，采取了實(shí)際行動(dòng)以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)國際航空脫碳。

以上種種，最終都“劍指”國際民航組織即將在9月召開的大會(huì)。該組織正緊鑼密鼓開展國際航空二氧化碳減排長期全球目標(biāo)(LTAG)的研究和磋商。3月底至4月初，該組織將就此召開全球航空對(duì)話，相關(guān)協(xié)商進(jìn)展將提交LTAG高級(jí)別會(huì)議，最終將在9月大會(huì)上做出表決。2050年實(shí)現(xiàn)航空業(yè)脫碳無疑將是一個(gè)極具雄心的目標(biāo)，無論國際民航組織最終做出何種承諾和約束，航空業(yè)開展脫碳都已經(jīng)箭在弦上。

航空技術(shù)醞釀巨變

要實(shí)現(xiàn)航空脫碳，技術(shù)上能否取得突破是關(guān)鍵

雖然航空業(yè)并非碳排放的超級(jí)大戶，但絕對(duì)是碳減排的“困難戶”，主要原因在于長途飛行還顯著依賴于化石燃料，要實(shí)現(xiàn)航空脫碳，技術(shù)上能否取得突破是關(guān)鍵。

法國《回聲報(bào)》認(rèn)為，當(dāng)前航空業(yè)即將迎來第三次航空革命。第一次航空革命是20世紀(jì)初萊特兄弟的第一架飛機(jī)成功試飛;第二次革命是上世紀(jì)50年代，渦輪式風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的問世宣告航空業(yè)進(jìn)入黃金時(shí)代。那么第三次航空革命究竟是什么?

德國西門子電力飛行技術(shù)負(fù)責(zé)人弗蘭克·安東博士對(duì)此毫不猶豫地給出他的答案：電。安東指出：“電力推進(jìn)技術(shù)是航空業(yè)的發(fā)展方向，否則航空業(yè)將沒有未來可言。”西門子團(tuán)隊(duì)已初步完成了油電混合推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)與試飛工作。2015年，西門子推出的電動(dòng)飛機(jī)電機(jī)，重量僅為50公斤，但功率卻高達(dá)260千瓦，實(shí)現(xiàn)了全球首架250千瓦級(jí)電動(dòng)飛機(jī)的首飛。未來，通過電力系統(tǒng)的不斷優(yōu)化和電池技術(shù)的進(jìn)步，西門子希望研發(fā)出滿足100座的混合動(dòng)力航空裝置。

對(duì)于法國同行，該問題的答案同樣是一個(gè)字：氫。法國民用航空研究委員會(huì)(Corac)今年1月發(fā)表了航空運(yùn)輸脫碳技術(shù)路線研究報(bào)告。該報(bào)告認(rèn)為，未來需要通過不斷提升氫能飛機(jī)所占比重來實(shí)現(xiàn)行業(yè)脫碳。在其規(guī)劃的路線圖中，法國可在2030年推出新一代中短途飛機(jī)，利用降低油耗和生物燃料實(shí)現(xiàn)碳中和;2035年推出短途氫能飛機(jī);2045年推出中程氫能飛機(jī);至2050年，氫技術(shù)可為航空業(yè)全部碳中和貢獻(xiàn)29%。在另外一項(xiàng)更為激進(jìn)的歐洲聯(lián)合研究報(bào)告則指出，用氫代替燃油可將航空運(yùn)輸對(duì)氣候的影響降低50%到70%。

電和氫是目前兩個(gè)主要的推進(jìn)技術(shù)研發(fā)路線。

法國蒙田研究所報(bào)告對(duì)此指出，考慮到儲(chǔ)電池和燃料電池的能量密度，純電力推進(jìn)的應(yīng)用將主要是小型飛機(jī)。對(duì)于大型飛機(jī)，混合電動(dòng)推進(jìn)可作為實(shí)現(xiàn)完全電氣化的過渡技術(shù)?；旌想娏ν七M(jìn)可以通過將傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)與電力推進(jìn)串聯(lián)或并聯(lián)組合。這一概念已在汽車行業(yè)長期應(yīng)用。

根據(jù)目前的技術(shù)展望，100座以上的全電動(dòng)飛機(jī)難以在2050年前投入使用。19座以下的小型飛機(jī)業(yè)務(wù)正在增長，但目前僅占全球航空總排放量的不到1%。對(duì)于中遠(yuǎn)程大型飛機(jī)，更為現(xiàn)實(shí)的技術(shù)選擇似乎只有氫氣和可持續(xù)航空燃料(SAF)。這里的氫推進(jìn)與依靠氫氣發(fā)電的燃料電池不同，氫推進(jìn)飛機(jī)是將氫氣燃燒作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料。

目前，歐美主要國家都將氫推進(jìn)視為飛機(jī)脫碳的最佳候選者，也是2035年可實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)解決方案之一。氫燃料的優(yōu)勢在于燃燒溫度高，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，并且是零碳排放。從發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的角度來看，用氫代替燃油并不困難，主要是解決氫燃燒帶來的材料耐高溫問題。即使有必要進(jìn)行調(diào)整，發(fā)動(dòng)機(jī)的90%都可能保持不變。選擇氫的主要困難在于飛機(jī)上的存儲(chǔ)問題，相同的機(jī)載量下，氫燃料的重量是傳統(tǒng)燃油的三分之一，但所占體積是燃油的4倍，這需要對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)做出調(diào)整。且液態(tài)氫需要在零下253攝氏度低溫儲(chǔ)存，儲(chǔ)罐材料對(duì)隔熱、抗振動(dòng)和沖擊、承重、密封有很高要求，需要專門開發(fā)一種能夠在飛機(jī)應(yīng)用要求下承受熱循環(huán)和壓力循環(huán)的液氫儲(chǔ)罐。

根據(jù)法國蒙田研究所的預(yù)測，為了實(shí)現(xiàn)2050年脫碳目標(biāo)，目前占全球航空排放約3%—4%的區(qū)域航班(主要為100座以內(nèi)小飛機(jī))可以基于混合電力推進(jìn)和氫燃料電池實(shí)現(xiàn)脫碳;占航空排放約67%的中短途航班(主要為100至250個(gè)座位的中型客機(jī))可以主要依靠氫推進(jìn)技術(shù);占航空排放約30%的長途航班(主要為250座以上的大型客機(jī))還需要依靠可持續(xù)航空燃料。

除了推進(jìn)技術(shù)外，航空脫碳還需要在改善空氣動(dòng)力學(xué)，優(yōu)化引擎性能，增加數(shù)字化等漸進(jìn)性技術(shù)領(lǐng)域取得進(jìn)展。

航空巨頭紛紛入場

歐美航空企業(yè)加快研制氫能飛機(jī)

在歐洲，2020年9月，空客推出了ZEROe零排放商用飛機(jī)項(xiàng)目，公布了三款混合氫能概念飛機(jī)，分別用渦輪螺旋槳、翼身融合和渦輪風(fēng)扇三種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)，利用燃燒氫氣作為燃料，暫定于2025年原型機(jī)試飛，2035年投入使用。

今年2月，在公布?xì)淠茱w機(jī)項(xiàng)目20個(gè)月后，空客宣布與通用和賽峰的平股合資公司CFM國際公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，雙方?jīng)Q定于2025年左右共同啟動(dòng)氫能飛機(jī)示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在對(duì)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行地面和飛行測試，為2035年推出第一款零排放飛機(jī)做好準(zhǔn)備。該示范項(xiàng)目將使用A380測試飛機(jī)作為飛行測試平臺(tái)，配備由空客在法國和德國的工廠準(zhǔn)備的液氫罐。從2026年開始，空客將在A380巡航期間對(duì)氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試。

在美國，今年2月，普惠公司被美國能源部高級(jí)能源研究計(jì)劃署選中，為商業(yè)航空開發(fā)新型、高效的氫燃料推進(jìn)技術(shù)。

普惠公司參與的“氫氣蒸汽噴射、間冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)”項(xiàng)目將使用液態(tài)氫燃料，通過回收水蒸氣大大減少飛機(jī)凝結(jié)尾跡，從而實(shí)現(xiàn)零溫室氣體排放飛行，并將氮氧化物的排放減少80%。該項(xiàng)目采用的半封閉系統(tǒng)架構(gòu)將比燃料電池具有更高的熱效率，相比使用 “滴入式”的可持續(xù)航空燃料，總運(yùn)營成本可能進(jìn)一步降低。這是普惠公司和高級(jí)能源研究計(jì)劃署之間的首次直接合作，以支持航空業(yè)在2050年實(shí)現(xiàn)飛機(jī)二氧化碳凈零排放這一戰(zhàn)略目標(biāo)。

根據(jù)法國《回聲報(bào)》報(bào)道，波音似乎仍然對(duì)2035年實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力飛機(jī)的可行性持保留態(tài)度，波音更傾向于優(yōu)先考慮使用替代燃料運(yùn)行的傳統(tǒng)機(jī)型。

在俄羅斯，俄羅斯國家技術(shù)集團(tuán)(Rostec)2021年7月宣布啟動(dòng)一項(xiàng)為航空和地面應(yīng)用開發(fā)氫動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的計(jì)劃。俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司首席設(shè)計(jì)師尤里·什莫廷稱：“為了減少航空業(yè)的碳足跡，氫燃料的使用是最有前途的發(fā)展領(lǐng)域之一。我們正在考慮兩種主要技術(shù)：在改進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)中直接燃燒氫燃料，以及使用氫燃料電池發(fā)電。”

對(duì)中國而言機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存

零碳飛機(jī)涉及新技術(shù)的開發(fā)，大家都在同一個(gè)起跑線上

法國《費(fèi)加羅報(bào)》文章稱，多位國際航空觀察家認(rèn)為，零碳排放飛機(jī)的競賽對(duì)中國來說是一個(gè)最終打入商用航空市場的歷史性機(jī)遇。全球咨詢公司AlixPartners董事總經(jīng)理尼古拉斯·博格蘭和帕斯卡·法布爾相信：“零碳飛機(jī)涉及新技術(shù)的開發(fā)，長期投資的中國當(dāng)然有牌可以打。”正如另一位專家總結(jié)的那樣：“大家都在同一個(gè)起跑線上。”

中國旅法航協(xié)會(huì)長葉偉明博士在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示：“在氫能飛機(jī)的研發(fā)方面，各國都在同一起跑線上。這對(duì)中國來說是一個(gè)重要的機(jī)會(huì)。”葉偉明稱，中國航空業(yè)和能源工業(yè)必須抓住第三次航空革命的歷史機(jī)遇，盡快起步。中國在經(jīng)典航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域仍處于追趕階段，建議中國航空制造盡早向新能源技術(shù)方向跨越，大膽轉(zhuǎn)型。

中國旅法航協(xié)副會(huì)長、空客研發(fā)工程師丁一對(duì)記者表示：“空客零碳大飛機(jī)已經(jīng)明確氫能技術(shù)路線。對(duì)于中國民機(jī)事業(yè)，氫燃料等新能源飛機(jī)架構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)，可能是彎道追趕的機(jī)遇，同時(shí)仍然是需要積累沉淀的長期挑戰(zhàn)。零碳飛機(jī)這一新賽道的本質(zhì)還是航空制造業(yè)，需要立足我國型號(hào)任務(wù)穩(wěn)中求進(jìn)，在設(shè)計(jì)理念、制造工藝和測試手段等方面努力縮小差距。”

半個(gè)多世紀(jì)以來，空客和波音通過技術(shù)進(jìn)步不斷取得領(lǐng)先，但在變革之下，曾經(jīng)的“巨無霸”并不能保證在未來持續(xù)領(lǐng)先。對(duì)于是否選擇氫能，空客和波音已經(jīng)分道揚(yáng)鑣，一個(gè)滿懷壯志，一個(gè)保守觀望。航空業(yè)要在不到30年內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫碳，必須依賴顛覆傳統(tǒng)的科技突破。未來航空業(yè)能否“氫”裝上陣，取決于大膽創(chuàng)新，也取決于膽識(shí)和遠(yuǎn)見。

相關(guān)鏈接

氫燃料與交通運(yùn)輸

作為一種綠色、高效、可持續(xù)的二次能源，氫用于燃料由來已久。

當(dāng)世界上第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)投入使用時(shí)，它所采用的燃料并非汽油或柴油，而是氫氣。1804年，法國、瑞士發(fā)明家艾薩克·德·里瓦茲在成功地設(shè)計(jì)了幾輛以蒸汽為動(dòng)力的汽車后，開始嘗試使用具有爆燃特性的燃料來取代蒸汽。他的第一個(gè)試驗(yàn)就是研究發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃料爆燃膨脹后推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的基本原理。當(dāng)時(shí)，他使用氫氣和氧氣混合點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，試驗(yàn)取得了初步成功。1807年，他將試驗(yàn)原型發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在一架四輪馬車上，驅(qū)動(dòng)馬車行駛了一段距離，此舉使這輛馬車獲得了“世界第一臺(tái)由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車”的殊榮。

在20世紀(jì)，汽車企業(yè)、大學(xué)、發(fā)明家和愛好者都在進(jìn)一步測試由氫驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)的可行性。在1970年，發(fā)明家保羅·迪格斯為燃?xì)鈩?dòng)力內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)申請(qǐng)了專利，他的設(shè)計(jì)讓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)可以依靠氫氣運(yùn)行。如今，氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)被證明具有向從小轎車到公共汽車等各種車輛提供動(dòng)力的能力。

幾十年來，航天工業(yè)一直在使用液體氫作為氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑，為太空探索提供燃料。

氫作為飛機(jī)燃料的研究同樣有相當(dāng)長的歷史。早在1957年，美國國家航空咨詢委員會(huì)(NACA)利用氫作為燃料讓馬丁B-57轟炸機(jī)飛行了20分鐘。1988年，世界上第一架使用液態(tài)氫作為燃料的實(shí)驗(yàn)性商用飛機(jī)升空。這架由蘇聯(lián)研制的圖-155共進(jìn)行了約100次試飛。30多年后的今天，航空業(yè)再次將注意力轉(zhuǎn)向氫燃料商用飛機(jī)。