氫動(dòng)力飛機(jī)載客起飛指日可待

美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的飛機(jī)高效電氣技術(shù)中心設(shè)計(jì)的概念飛機(jī)，展示了一種翼身融合的設(shè)計(jì)，其獨(dú)特的構(gòu)造增加了氫燃料裝載容量，且分布式推進(jìn)系統(tǒng)與燃料電池兼容

隨著各國(guó)為實(shí)現(xiàn)“凈零碳經(jīng)濟(jì)”而努力，商業(yè)航空將成為最難脫碳的行業(yè)之一。持該論點(diǎn)的人士認(rèn)為，化石燃料的能源密度優(yōu)勢(shì)實(shí)在難以戰(zhàn)勝，與其硬碰硬，不如繼續(xù)在客機(jī)中使用石油，并利用某些負(fù)碳排放技術(shù)來(lái)抵消其排放，可能更有意義。

盡管如此，關(guān)于低碳飛機(jī)推進(jìn)力的研究仍在進(jìn)行中。例如，一些較早采用低碳飛機(jī)推進(jìn)力的航空公司通常將生物燃料混入其航空燃料中。2018年，波音公司的一架商業(yè)客機(jī)首次100%使用生物燃料飛行。但是，生物燃料有其自身的弊端：農(nóng)作物的生長(zhǎng)、收割以及轉(zhuǎn)化為液體燃料需要消耗大量碳，并且生物燃料的應(yīng)用潛力受到農(nóng)業(yè)和其他競(jìng)爭(zhēng)性土地用途的限制。

另一種選擇是氫動(dòng)力飛行。為了實(shí)現(xiàn)碳中和，必須使用可再生能源或配備了碳捕獲和存儲(chǔ)功能的天然氣來(lái)生產(chǎn)氫氣。全球主要的兩家客機(jī)制造商不約而同都將最輕的元素作為減少客戶碳足跡的一種選擇。

空客公司美洲研究與技術(shù)副總裁阿曼達(dá)·辛普森（Amanda Simpson）表示，空客公司將在2025年之前決定市場(chǎng)是否能夠支持氫燃料客機(jī)。假設(shè)市場(chǎng)能支持，空客公司預(yù)計(jì)其首批氫燃料客機(jī)將于2035年投入使用。

波音公司在2008年制造并運(yùn)營(yíng)了首架僅靠氫動(dòng)力飛行的飛機(jī)，在起飛和上升過(guò)程中，用鋰離子電池對(duì)單人飛機(jī)上的氫燃料電池進(jìn)行了能量補(bǔ)充。4年后，波音公司推出了“幻影眼”，這是一款液氫動(dòng)力無(wú)人機(jī)（UAV），設(shè)計(jì)目的是在20 000米的高空?qǐng)?zhí)行最多長(zhǎng)達(dá)4天的偵察任務(wù)。波音公司最終沒(méi)能將這款無(wú)人機(jī)出售給軍方，現(xiàn)在它已成為博物館的陳列品。

波音公司首席可持續(xù)發(fā)展官克里斯·雷蒙德（Chris Raymond）表示，波音公司正在研究商業(yè)航空用的氫燃料，但他指出，重點(diǎn)還在可持續(xù)航空燃料（SAF）?！艾F(xiàn)實(shí)是我們現(xiàn)在必須做點(diǎn)什么，但我們的觀點(diǎn)是把多種解決方案結(jié)合在一起?！睔鋭?dòng)力更有可能填補(bǔ)航空業(yè)的短途飛行和規(guī)模較小的業(yè)務(wù)。

波音公司商用飛機(jī)部產(chǎn)品研發(fā)副總裁邁克·辛內(nèi)特（Mike Sinnett）表示，盡管波音公司已經(jīng)證明氫可以用作航空燃料，但仍需要付出更多的努力來(lái)確定飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和燃料箱是否可以建造得像今天的客機(jī)一樣安全地運(yùn)行。他估計(jì)，要在波音飛機(jī)中引入氫動(dòng)力還需要20年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。他說(shuō)，現(xiàn)在正在設(shè)計(jì)為10年后的飛機(jī)提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。

ZeroAvia是一家位于美國(guó)加利福尼亞州的小型初創(chuàng)公司，目標(biāo)是到2023年制造出10～20座的氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)。據(jù)其創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官瓦爾·米夫塔霍夫（Val Miftakhov）透露，ZeroAvia已從英國(guó)政府的3個(gè)項(xiàng)目中獲得了500萬(wàn)美元資助，并吸引了英國(guó)、美國(guó)和歐盟的12家地區(qū)航空公司的關(guān)注。

重量和能量密度

氫動(dòng)力飛行的最大障礙是燃料儲(chǔ)存所需的額外重量，無(wú)論燃料是氣體形式還是液體形式。對(duì)于液態(tài)氫，挑戰(zhàn)將是制造輕巧的真空隔熱燃料箱，將燃料溫度保持在20K的沸點(diǎn)以下。氣體的重量懲罰更大，因?yàn)檠b載氣體的燃料箱須承受25到35 兆帕的高壓。

以每千克兆焦耳來(lái)衡量，液態(tài)氫的能量密度是航空燃料的2.8倍。但就燃料和燃料箱的總重量而言，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）的氫和燃料電池研究人員拉杰什·阿盧瓦利亞（Rajesh Ahluwalia）估算，航空燃料更有優(yōu)勢(shì)，氫燃料和燃料箱的總重量是航空燃料和燃料箱的1.6倍。因?yàn)楹娇杖剂霞s占燃料箱和燃料總重量的78%，而液態(tài)氫僅占當(dāng)前存儲(chǔ)設(shè)計(jì)總量的18%。阿盧瓦利亞指出，要與化石燃料競(jìng)爭(zhēng)，氫燃料重量占總重量的比重必須達(dá)到28%以上。

與碳?xì)浠衔锵啾?，液態(tài)氫的單位體積能量要低得多。但是，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）受美國(guó)宇航局（NASA）資助的飛機(jī)高效電氣技術(shù)中心主任菲利普·安塞爾（Phillip Ansell）表示，可以通過(guò)精心定制飛機(jī)的其他部件來(lái)最大程度減少因容納更大的氫燃料箱所需增加的外部表面積，以及由此增加的空氣阻力。一種潛在的解決方案是翼身融合的設(shè)計(jì)。

ZeroAvia將在其計(jì)劃飛行約900公里或更短途的燃料電池飛機(jī)上使用壓縮至35兆帕的氫氣。阿盧瓦利亞認(rèn)為，氣態(tài)氫作為無(wú)人機(jī)的燃料也可以找到一席之地。但是，對(duì)于載客150人乃至更多人的長(zhǎng)途航班的大型客機(jī)而言，“氣態(tài)氫是行不通的?！卑踩麪枖嘌浴Ｒ?yàn)榧訅捍鎯?chǔ)系統(tǒng)需要更為堅(jiān)固的儲(chǔ)罐，并且所占據(jù)的空間大約是液態(tài)氫儲(chǔ)罐的兩倍。

到2030年，ZeroAvia預(yù)計(jì)將首次推出液態(tài)氫動(dòng)力的50到100座的燃料電池飛機(jī)。氫儲(chǔ)罐將由已有的復(fù)合材料和樹(shù)脂組合制成。米夫塔霍夫指出，不需要研發(fā)新材料。ZeroAvia目前的氣態(tài)氫燃料與儲(chǔ)罐的重量比為11%～12%，他說(shuō)，該公司目前正在測(cè)試燃料與儲(chǔ)罐的重量比大于50%的液態(tài)氫儲(chǔ)罐。

燃料電池還是燃燒？

亞音速噴氣客機(jī)（例如波音737）由渦輪風(fēng)扇提供動(dòng)力，渦輪風(fēng)扇利用燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能通過(guò)涵道風(fēng)扇式螺旋槳向后加速空氣。目前的燃?xì)廨啓C(jī)只需進(jìn)行很少的改動(dòng)就可以燃燒氫氣。安塞爾描述說(shuō)：“幾乎可以徑直將氫氣注入當(dāng)今的發(fā)動(dòng)機(jī)中?！毙疗丈蛄藗€(gè)形象的比喻，這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程就像把一個(gè)燒丙烷的烤架改裝成燒天然氣。盡管氫不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳或煤煙，但會(huì)產(chǎn)生污染物氮氧化物（由于空氣中存在氮）和水蒸氣。水蒸氣是一種溫室氣體，高海拔的水蒸氣在大氣中停留的時(shí)間比低海拔的地方長(zhǎng)，會(huì)凝結(jié)成雨。

2020年9月，ZeroAvia在英國(guó)克蘭菲爾德進(jìn)行了6座的燃料電池飛機(jī)首飛，并聲稱(chēng)這是世界上最大的氫動(dòng)力飛機(jī)

如果氫來(lái)自無(wú)碳源，則氫燃料質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池是無(wú)碳排放的，并且其廢水可以在排放前進(jìn)行冷凝。但是，安塞爾說(shuō)，PEM僅提供燃燒傳統(tǒng)燃料的現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)每單位重量3.7千瓦/千克功率的一半，不包括燃料或燃料箱的重量。不過(guò)，與15年前的0.3千瓦/千克相比，還是提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且很可能還會(huì)繼續(xù)改進(jìn)。

阿盧瓦利亞說(shuō)，為4～6座的飛機(jī)提供動(dòng)力，當(dāng)今的PEM燃料電池應(yīng)該可與活塞式航空發(fā)動(dòng)機(jī)競(jìng)爭(zhēng)。但是，它們的能量重量比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于渦輪螺旋槳和渦輪機(jī)。

渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇提供了發(fā)動(dòng)機(jī)總推力的80%，其余部分則通過(guò)燃燒傳遞。有望研發(fā)能夠用電力為渦輪風(fēng)扇提供全部推力的燃料電池系統(tǒng)；或者，在飛機(jī)起飛和上升期間，可以用蓄電池電源為燃料電池補(bǔ)充能量。

美國(guó)能源部下屬的能源高級(jí)研究計(jì)劃署的電動(dòng)飛行系統(tǒng)項(xiàng)目經(jīng)理戴夫·圖（Dave Tew）認(rèn)為：“我們很可能永遠(yuǎn)無(wú)法與燃?xì)廨啓C(jī)的特定功率競(jìng)爭(zhēng)?！暗牵剂想姵睾碗娏︱?qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率有望提高到足以匹敵甚至超過(guò)渦輪機(jī)和燃料綜合起來(lái)的能量重量比。

空客公司推出了三款氫燃料客機(jī)的概念設(shè)計(jì)，可最多容納200名乘客，航程達(dá)3 700公里或更長(zhǎng)。每款概念飛機(jī)都推薦由燃?xì)廨啓C(jī)和燃料電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力。在渦輪電動(dòng)構(gòu)造中，由氫燃料的燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，再由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。

辛普森說(shuō)：“我們認(rèn)為航程在1 600～3 200公里范圍內(nèi)將需要渦輪機(jī)，不過(guò)還需要進(jìn)行更深入細(xì)致的探究。歐洲一些國(guó)家宣稱(chēng)，將要求其境內(nèi)的飛機(jī)必須零碳排放。這些要求是否足以飛行像我們所說(shuō)的那樣更大的飛機(jī)，還有待從我們客戶的利益出發(fā)進(jìn)行考量?！?/p>

空客公司的三款概念性氫燃料客機(jī)都使用混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，既燃燒氫作為燃?xì)廨啓C(jī)的燃料，又使用氫燃料電池產(chǎn)生電能。渦輪螺旋槳飛機(jī)最多可搭載100名乘客，航程為1 850公里。其他兩款氫燃料概念飛機(jī)則最多可搭載200名乘客，航程為3 700公里

空客公司設(shè)想使用可再生能源而不是氫制成的合成燃料，為其未來(lái)的300～400座遠(yuǎn)程客機(jī)提供動(dòng)力。辛普森認(rèn)為，盡管空客公司已經(jīng)熟悉氫在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，但要使氫燃料適應(yīng)于每天要多次耗盡和填充燃料的飛機(jī)，將是全新的挑戰(zhàn)。

加強(qiáng)研發(fā)

PEM燃料電池依靠液體電解質(zhì)使質(zhì)子在電極之間穿梭，而固體氧化物燃料電池（SOFC）則使用氧化物材料（通常是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯）作為電解質(zhì)，通過(guò)燃料的氧化作用發(fā)電。燃料電池可由液態(tài)碳?xì)浠衔锘虬弊鳛槿剂?。SOFC的效率要高于PEM，但是它們的重量要大得多，而且較重的碳?xì)浠衔锶剂希ɡ缙突蛎河停┍仨毷紫扰c蒸汽或空氣反應(yīng)形成更簡(jiǎn)單的分子（例如氫和甲烷）。安塞爾認(rèn)為，對(duì)于非常長(zhǎng)距離的飛行，SOFC效率更高的優(yōu)點(diǎn)可以彌補(bǔ)其重量更大的缺點(diǎn)。

2020年8月，ARPA-E向6家公司提供了1 310萬(wàn)美元的資助，用于研發(fā)不同的航空SOFC技術(shù)。戴夫指出，減輕重量是研發(fā)主攻的方向。美國(guó)能源部的其他項(xiàng)目支持PEM研究，因此ARPA-E的項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)排除了PEM。

對(duì)于任何類(lèi)型的燃料電池，高空熱管理都是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)檩^低的空氣密度會(huì)削弱散熱能力，安塞爾指出，“問(wèn)題就在于排熱效率，而SOFC實(shí)際上在這方面非常出色”。SOFC的工作溫度很高，大約為800℃，而PEM只有100℃，由于燃料電池與環(huán)境溫度之間的差異更大，實(shí)際上改善了散熱。而且，他說(shuō)，可以用類(lèi)似于汽車(chē)渦輪增壓器的方式，引導(dǎo)SOFC產(chǎn)生的廢熱來(lái)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)。

為了獲得氧氣，燃料電池需要足夠的氣流，這在高巡航高度下可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。通過(guò)壓縮空氣可以克服這個(gè)問(wèn)題，縱然是以犧牲推進(jìn)力可用的能量為代價(jià)。

氫燃料飛機(jī)需要達(dá)到與使用煤油燃料的飛機(jī)相同的安全性和完整性?！叭绾斡脷鋪?lái)惰化燃料箱？”波音公司的辛內(nèi)特問(wèn)道，他使用了“惰化”這個(gè)行業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)指降低燃料箱的易燃性風(fēng)險(xiǎn)，“如何為飛機(jī)加油？在加油過(guò)程中如何避免靜電？如何確保燃料箱的結(jié)構(gòu)完整性？如果可以找到這些問(wèn)題的解決方案，那么下一步就是確定氫燃料飛機(jī)是否有效?！彼f(shuō)，“從工程和技術(shù)的角度來(lái)看，幾乎任何事情都是可以實(shí)現(xiàn)的，但是必須要問(wèn)結(jié)果是否切實(shí)可行?！弊詈螅w機(jī)必須按照特定的安全和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造，而針對(duì)氫燃料飛機(jī)的這些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。

基礎(chǔ)設(shè)施

沒(méi)有相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施是不可能采用氫燃料的。但是，相對(duì)而言，航空公司應(yīng)該沒(méi)有機(jī)動(dòng)車(chē)主面臨的挑戰(zhàn)那么令人生畏。如果需求得到保證，可以在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)氫燃料，從而消除分銷(xiāo)成本。ZeroAvia計(jì)劃利用附近的可再生能源為電解槽供電來(lái)做到這一點(diǎn)。米夫塔霍夫說(shuō)，ZeroAvia的計(jì)劃是，一個(gè)機(jī)場(chǎng)樞紐可以為飛機(jī)的多條往返航線提供加油服務(wù)，只要單程飛行距離不超過(guò)460公里即可，這適用于倫敦和巴黎之間或紐約和波士頓之間的航班。

米夫塔霍夫預(yù)測(cè)，燃料電池和電解槽的成本應(yīng)遵循與光伏電池類(lèi)似的軌跡——過(guò)去10年來(lái)，光伏電池的成本下降了80%以上?！?年之內(nèi)，部分通過(guò)擴(kuò)大消費(fèi)規(guī)模，我們將實(shí)現(xiàn)氫燃料成本降低到現(xiàn)在的一半。”他說(shuō)。即使是小型機(jī)場(chǎng)也能每天生產(chǎn)和分配好幾噸氫燃料；相比之下，汽車(chē)加油站一般每天售出200千克的氫燃料。居高不下的航空運(yùn)輸量將使加油站的氫燃料價(jià)格從沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力的每千克12～15美元的水平降下來(lái)，電解槽的效率也會(huì)持續(xù)顯著提高。

辛普森表示，如果空客公司決定繼續(xù)發(fā)展氫燃料，已經(jīng)有數(shù)個(gè)感興趣的相關(guān)方與空客公司接洽為機(jī)場(chǎng)提供燃料。國(guó)際能源署（IEA）預(yù)計(jì)，到2030年，歐洲的綠色氫能容量將達(dá)到40吉瓦，發(fā)展綠色能源是大勢(shì)所趨，我們預(yù)料世界其他地區(qū)也將不得不迎頭趕上。

資料來(lái)源 Physics Today