“氫”裝上陣的綠色飛機(jī)

董幗雄

今年9月，歐洲航空工業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)空客召開新聞發(fā)布會(huì)，公布了一份宏偉的氫能航空發(fā)展規(guī)劃和三個(gè)零排放的商用飛機(jī)概念方案，公司表示最快將于2035年開始向客戶交付使用氫能源的零排放商用飛機(jī)。

空客的這一方案一經(jīng)發(fā)布就引起了業(yè)界的熱議。這些熱議不僅僅圍繞空客這一宏偉規(guī)劃展開，更重要的是，業(yè)界普遍意識(shí)到，空客發(fā)布的這份規(guī)劃，不單單是一個(gè)簡(jiǎn)單的新機(jī)型規(guī)劃，更是歐盟能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型這一重大戰(zhàn)略布局中非常重要的組成部分。從這個(gè)角度來看，此次空客發(fā)布的氫能源飛機(jī)計(jì)劃，體現(xiàn)的是歐盟的雄心，即將歐洲打造成低碳航空運(yùn)輸和能源轉(zhuǎn)型的全球領(lǐng)導(dǎo)者。

空客的宏偉規(guī)劃

航空業(yè)正在尋找一種方法來彌補(bǔ)其“碳足跡”早已不是什么秘密。基于國(guó)際航空碳抵消和減排計(jì)劃（CORSIA）的承諾以及進(jìn)一步可持續(xù)發(fā)展的愿望，制造商一直希望能夠利用更加環(huán)保的清潔能源來替代傳統(tǒng)的航空煤油。

此次，空客將目光聚焦到了氫能源上，公司發(fā)布的全球首款零排放商用飛機(jī)的三個(gè)概念機(jī)型分別代表了實(shí)現(xiàn)零排放飛行的不同方法，探索不同的技術(shù)途徑和空氣動(dòng)力學(xué)構(gòu)型，以支持空客在領(lǐng)導(dǎo)全行業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳方面的雄心壯志。空客發(fā)布的零排放飛機(jī)概念機(jī)的代號(hào)為ZEROe，包括三個(gè)不同類型的產(chǎn)品。

第一款概念機(jī)的外觀類似于傳統(tǒng)機(jī)型，但機(jī)身更長(zhǎng)，載客量為120～200人，相當(dāng)于目前A220或A320機(jī)型的載客量，航程超過3500公里。這款飛機(jī)依靠氫能驅(qū)動(dòng)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，而氫能則儲(chǔ)存在位于飛機(jī)后部的燃料倉(cāng)內(nèi)。該機(jī)型只需在現(xiàn)有機(jī)型基礎(chǔ)上做小幅改動(dòng)，加裝一塊同樣使用氫能的燃料電池，以便在需要時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外動(dòng)力。

第二款概念機(jī)是使用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的支線飛機(jī)，載客量為100人左右，航程為1800公里。渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)同樣由氫燃料驅(qū)動(dòng)，適用于短途飛行任務(wù)。

第三款概念機(jī)采用翼身融合的方案，航程可達(dá)到3700公里。翼身融合的構(gòu)型可以靈活設(shè)計(jì)客艙布局與氫燃料存儲(chǔ)，載客量可達(dá)到200人左右。

根據(jù)空客的規(guī)劃，2035年左右其氫能源飛機(jī)就要投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。為了配合這個(gè)計(jì)劃，空客細(xì)化了具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間表。即在2021年進(jìn)行地面技術(shù)演示;2023年氫燃料技術(shù)驗(yàn)證機(jī)實(shí)現(xiàn)首飛;2024年確定氫燃料飛機(jī)選型;2025年氫燃料驗(yàn)證機(jī)首飛。

從技術(shù)層面來看，空客此次發(fā)布的這三款氫能源飛機(jī)，前兩個(gè)機(jī)型的設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有支線和干線機(jī)型的動(dòng)力改裝，與完全使用電驅(qū)動(dòng)的一些預(yù)研設(shè)計(jì)相比，技術(shù)難度明顯降低。正因?yàn)槿绱耍湛驮诎l(fā)布會(huì)上也提到，實(shí)現(xiàn)這個(gè)氫能航空計(jì)劃最大的難點(diǎn)并不是在技術(shù)上，而是希望得到政府更多的支持，如基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)等。以機(jī)場(chǎng)為例，如果氫能飛機(jī)投入使用，就需要機(jī)場(chǎng)為之配套相應(yīng)的氫氣運(yùn)輸和補(bǔ)給設(shè)施，以滿足航空公司的運(yùn)營(yíng)需要。

除了希望得到政府的支持，空客還在積極尋找合作伙伴共同推動(dòng)氫能飛機(jī)的研發(fā)。今年10月，空客宣布與德國(guó)著名的汽車產(chǎn)品供應(yīng)商愛爾鈴克鈴鈴爾公司（ElringKlinger）合作成立合資公司，進(jìn)行大功率氫燃料電池的研制。在雙方合作的第一階段，燃料電池的大功率輸出是主要目標(biāo)。

此外，空客還與賽峰集團(tuán)以及二者的合資公司阿麗亞娜集團(tuán)（Arianegroup）、法國(guó)航空航天研究院共同組成了聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，共同進(jìn)行航空氫能源利用的研究。

歐盟的傾力支持

對(duì)于歐洲來說，氫能不僅僅是未來綠色飛機(jī)的主要技術(shù)選項(xiàng)，更是歐洲在后疫情時(shí)代實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的重要手段。法國(guó)國(guó)際關(guān)系研究所發(fā)布的《歐盟氫能戰(zhàn)略展望》中更是明確指出：“一項(xiàng)穩(wěn)健、成本效益高的歐洲氫能戰(zhàn)略將成為歐盟經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃的支柱，并加速歐洲經(jīng)濟(jì)體的脫碳進(jìn)程。”在此背景下，此次空客所發(fā)布的氫能飛機(jī)計(jì)劃勢(shì)必將得到歐盟的傾力支持。

事實(shí)上，在空客發(fā)布?xì)淠茱w機(jī)計(jì)劃的3個(gè)月前，法國(guó)就已經(jīng)出臺(tái)了高達(dá)150億歐元的航空業(yè)支持計(jì)劃。計(jì)劃明確提到，政府在未來5年內(nèi)將每年投入15億歐元資助企業(yè)進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，而最具優(yōu)先權(quán)的項(xiàng)目就是2035年實(shí)現(xiàn)零碳排放的綠色飛機(jī)計(jì)劃。法國(guó)政府希望這一計(jì)劃不僅能夠幫助法國(guó)航空業(yè)領(lǐng)先其美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，更能夠帶動(dòng)該領(lǐng)域所涉及的1300多家企業(yè)的發(fā)展。

這一“綠色飛機(jī)”發(fā)展計(jì)劃希望空客能夠在2030年左右推出A320系列飛機(jī)的繼任者，技術(shù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)燃油消耗降低30%，2035年左右推出零排放的氫能飛機(jī)。而空客此次推出的氫能飛機(jī)計(jì)劃則完全契合了政府的要求。

此外，德國(guó)政府也將為其“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。同時(shí)，德國(guó)政府還考慮在航空燃料中強(qiáng)制規(guī)定氫能的使用比例，不過該計(jì)劃目前尚未有明確的時(shí)間表。

與此同時(shí)，歐盟也在區(qū)域內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)全面建設(shè)氫能經(jīng)濟(jì)，包括地面交通、工業(yè)制造等。2019年，西門子和阿爾斯通已經(jīng)開始試運(yùn)行氫燃料電池火車，奔馳公司也在今年9月公布了新的車型計(jì)劃，計(jì)劃在2023年與合作伙伴開始試運(yùn)行氫燃料電池重卡，2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。可見，歐洲各國(guó)對(duì)在航空業(yè)使用氫能已經(jīng)達(dá)成了一致。

而氫能源的利用之所以如此受到重視，除了節(jié)能環(huán)保方面的考慮之外，能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型或許是更深層次的考慮。當(dāng)今，國(guó)際形勢(shì)變幻莫測(cè)，提高能源自給保障能力、提升能源戰(zhàn)略安全對(duì)于歐盟來說重要性不言而喻。如果仔細(xì)分析歐洲現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，不難發(fā)現(xiàn)，氫能源似乎是提高歐洲能源自給保證能力的唯一選擇。歐洲缺乏燃煤儲(chǔ)量和大量使用的社會(huì)輿論環(huán)境、北海地區(qū)的油氣儲(chǔ)量有限、缺乏鋰電池原材料和供應(yīng)鏈、耕種面積和氣候難以滿足生物燃料作物的大規(guī)模種植，綜合考慮上述因素后，歐盟選擇氫能進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型也就不難理解了。此外，對(duì)于歐洲各國(guó)來說，如果此次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型能夠獲得成功的話，將帶動(dòng)區(qū)域內(nèi)相關(guān)科技研發(fā)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和GDP的增長(zhǎng)，開拓新的增量市場(chǎng)和就業(yè)機(jī)會(huì)。

在此背景下，空客所進(jìn)行的氫能飛機(jī)計(jì)劃只是負(fù)責(zé)了歐盟能源替代計(jì)劃的一部分，而歐盟各國(guó)的技術(shù)研發(fā)成果未來也可以被其所借鑒和使用。因此，空客氫能飛機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用勢(shì)在必行，而這也將對(duì)未來商用航空市場(chǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

前路仍充滿挑戰(zhàn)

從20世紀(jì)初發(fā)明飛機(jī)以來，人類就沒有停止過新技術(shù)的探索與應(yīng)用。不過，氫能飛機(jī)盡管從理論上來講具備一系列顯而易見的優(yōu)點(diǎn)，但真正要投入商業(yè)應(yīng)用，還有許多問題有待解決。

從工作機(jī)理來看，氫動(dòng)力飛機(jī)從壓縮液態(tài)氫獲得動(dòng)力。該過程通過將氫和氧結(jié)合在燃料電池中而起作用，這兩種元素的反應(yīng)形成三種產(chǎn)物——水、熱和電力。與燃燒化石能源相比，此過程的不同之處在于，沒有二氧化碳釋放到大氣中。因而，氫能飛機(jī)更加環(huán)保，并使航空公司能夠履行其對(duì)“碳中和”增長(zhǎng)的承諾。

當(dāng)今最好的鋰電池組的能量密度為200Wh/kg，循環(huán)壽命為1000至2000次，充電時(shí)間為45分鐘以上。相比之下，液態(tài)氫燃料電池系統(tǒng)可達(dá)到3000Wh/kg以上的循環(huán)功率和15000多次循環(huán)壽命，并且在20分鐘內(nèi)即可加滿燃料。在舊金山到洛杉磯的航線上，一架737飛機(jī)一天最多可以往返4次，但目前鋰電池技術(shù)還無法滿足需求。未來即便是鋰電池技術(shù)的進(jìn)步可以將循環(huán)壽命提升至4～8個(gè)月，一架飛機(jī)在全生命周期內(nèi)也需要更換50多次電池，這對(duì)于航空公司來說是一筆相當(dāng)沉重的成本。

相比之下，氫燃料電池系統(tǒng)的使用壽命長(zhǎng)了10倍，而能量密度高了5～20倍，但如何安全地存儲(chǔ)和運(yùn)輸這些氫能源是一個(gè)較為棘手的難題。對(duì)此，波音曾公開表示，雖然氫能源具有獨(dú)特的應(yīng)用前景，但是該技術(shù)的推廣仍面臨很多的困難，主要的難題就是氫燃料的生產(chǎn)和儲(chǔ)存問題。

幾十年來，航空業(yè)已經(jīng)對(duì)渦輪、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的航空煤油有了全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)安全存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用這些傳統(tǒng)燃料積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是，氫燃料與傳統(tǒng)燃料有著本質(zhì)的區(qū)別。因此，波音認(rèn)為，如何安全、有效地使用氫燃料，還需要政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)、廠商等共同協(xié)作，實(shí)現(xiàn)管理措施、關(guān)鍵技術(shù)等方面的創(chuàng)新突破。從目前來看，波音認(rèn)為氫能源的相關(guān)理論、知識(shí)、應(yīng)用等研究課題還都存在著很多未知的領(lǐng)域。

波音的這些擔(dān)憂不無道理。目前，推廣氫能源的主要難題就是缺乏基礎(chǔ)設(shè)施，畢竟，無論是航空公司還是機(jī)場(chǎng)的配套設(shè)施，都是為航空煤油所準(zhǔn)備的。

以美國(guó)為例，85%的商業(yè)航班集中在40個(gè)機(jī)場(chǎng)，剩余的15%的航班則分布在450多個(gè)機(jī)場(chǎng)。能源加注的網(wǎng)絡(luò)越大，整體更換它的難度就越大，成本也就越高，各個(gè)更小的站點(diǎn)需要更復(fù)雜的燃料后勤保障體系，并且每分配1千克燃料將產(chǎn)生更高的攤銷成本。同時(shí)，燃料系統(tǒng)的整體更新?lián)Q代需要大量資金投入和人力投入，沒有地方政府的支持，是很難想像的。

今年9月，一架名為“派珀·馬里布”、完全由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的六座飛機(jī)從英國(guó)倫敦北部的克蘭菲爾德機(jī)場(chǎng)起飛，用零排放的氫燃料驅(qū)動(dòng)完成了20分鐘的飛行，這是世界上首次氫燃料電池飛機(jī)的飛行。為了實(shí)現(xiàn)此次飛行，制造商與歐洲海洋能源中心在克蘭菲爾德機(jī)場(chǎng)專門配備了氫燃料加油生態(tài)系統(tǒng)（HARE），囊括了綠色氫生產(chǎn)、儲(chǔ)存、加油和驅(qū)動(dòng)等一系列環(huán)節(jié)，這也是世界上首個(gè)配備了該設(shè)施的機(jī)場(chǎng)。未來，如果要在商用飛機(jī)上使用氫能的話，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將是首個(gè)需要解決的問題，同時(shí)也更需要政府未雨綢繆地進(jìn)行提前規(guī)劃。