歐洲航空工業(yè)的氫能布局

杜婷

歐盟圍繞未來氫能在各行業(yè)的應(yīng)用制定了詳細的發(fā)展規(guī)劃，并將氫能定位為戰(zhàn)略能源之后，歐洲航空業(yè)也快速跟進，圍繞從氫能的生產(chǎn)、存儲和應(yīng)用到飛機設(shè)計、技術(shù)整合、機場運營開始了全產(chǎn)業(yè)鏈研究。

近年來，全球應(yīng)對氣候變化的壓力日益突出，氫能作為一種有望在多領(lǐng)域有效替代化石燃料的清潔能源受到了歐洲的高度關(guān)注。歐盟圍繞未來氫能在各行業(yè)的應(yīng)用制定了詳細的發(fā)展規(guī)劃，并將氫能定位為戰(zhàn)略能源之后，歐洲航空業(yè)也快速跟進，圍繞從氫能的生產(chǎn)、存儲和應(yīng)用到飛機設(shè)計、技術(shù)整合、機場運營開始了全產(chǎn)業(yè)鏈研究。

空客看好氫能源

2020年，空客發(fā)布了一組氫能源飛機概念圖，并計劃在2035年左右將氫能源飛機投入市場。此后，歐洲其他產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)和美國一些初創(chuàng)公司也陸續(xù)表示，有意進軍氫能源飛機市場。隨著飛機制造商開始參與到供應(yīng)鏈之中，巴黎的機場運營商開始選擇合作伙伴進行基礎(chǔ)設(shè)施裝備的測試，歐洲航空安全局（EASA）開始關(guān)注這一新興的研發(fā)領(lǐng)域。

針對氫能飛機研發(fā)，空客計劃在2020～2024年進入為期5年的技術(shù)成熟期，在2025～2027年尋找資本和供應(yīng)商并建立生產(chǎn)系統(tǒng)，在2027～2028年啟動飛機生產(chǎn)計劃，目標是在2035年將氫能飛機投入使用。同時，空客也表示，氫能源飛機的應(yīng)用意味著產(chǎn)業(yè)鏈的重構(gòu)，不僅需要空客投入研發(fā)資源，更需要產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)共同參與。

阿麗亞娜集團在其控股股東空客和賽峰的支持下也已開始了氫能源飛機的相關(guān)研發(fā)工作，并啟動了一個名為Hyperion的項目。該項目主要用于研發(fā)飛機上的液氫分配系統(tǒng)等，部分資金來自法國政府對航空業(yè)的援助計劃，公司計劃在2023年對小型氫推進系統(tǒng)進行地面測試。

但是，氫能的利用還面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。例如為了達到適合的能量密度必須使用液態(tài)氫，而氫在-252℃以下才能液化，因此在液氫儲存方面面臨巨大挑戰(zhàn)。另外，航空業(yè)作為全球性產(chǎn)業(yè)，氫能全球可用性就是關(guān)鍵問題，特別是如何以環(huán)保的方式制備氫氣。例如，氫燃料是在全球范圍內(nèi)提供供給還是只在某些地區(qū)提供等。

對此，空客表示，相比航天業(yè)，航空業(yè)使用氫能源的環(huán)境更復(fù)雜。但盡管如此，考慮到航空業(yè)在常規(guī)燃料的使用中已經(jīng)掌握了一些運營經(jīng)驗，因此相信未來也完全可以安全使用氫燃料。此外，空客對于未來氫能在支線飛機或中短程窄體客機的使用上持樂觀態(tài)度。以A320系列飛機為例，空客認為除了常規(guī)的設(shè)計更改之外，未來利用氫能來提高飛機的使用效率也是一條值得探索的發(fā)展路徑。

EASA關(guān)注氫能的應(yīng)用

作為行業(yè)監(jiān)管方，歐洲航空安全局認為，盡管氫能在航空業(yè)的大范圍使用還需要時日，但有一些工作需要提前謀劃。

目前，EASA已經(jīng)成立了科學(xué)委員會用來加強氫能應(yīng)用方面的學(xué)術(shù)合作。EASA預(yù)計，制定氫能使用的相關(guān)規(guī)章至少需要四五年時間，因此前期的認證分析工作需要盡早啟動。同時，EASA還十分關(guān)注氫能的運輸鏈等問題。例如在加注燃料的時候，氫燃料的風(fēng)險與目前Jet-A1燃料有著顯著不同，因此必須對地面氫燃料運輸網(wǎng)絡(luò)進行認證，加注時間可能也需要監(jiān)管，加注時必須與機場運營商進行溝通。這也意味著航空業(yè)向氫能轉(zhuǎn)型，不僅涉及飛機產(chǎn)品，還需要機場在戰(zhàn)略層面提前規(guī)劃。在這方面，巴黎的一些機場已經(jīng)開始著手進行嘗試。

日前，巴黎機場運營商——Groupe ADP領(lǐng)導(dǎo)11家公司開始了一個名為“H2樞紐機場項目”的研究工作，該項目包括研究以氫作為航空燃料的一些實地測試。目前，這一研究工作從收到的124份意向征集書中篩選出了11個項目，主要涉及3個領(lǐng)域，即氫能的生產(chǎn)、儲存、運輸和分配;氫能應(yīng)用的多樣化;氫能和其他副產(chǎn)品的回收。有不少法國當?shù)仄髽I(yè)已經(jīng)開始參與這一項目，法國Absolut系統(tǒng)公司就是其中一家。

法國Absolut系統(tǒng)公司專門從事低溫系統(tǒng)的研發(fā)，特別是用于科研、衛(wèi)星和超導(dǎo)的系統(tǒng)。此前該公司已經(jīng)開始與空客合作，進行商用飛機設(shè)計超導(dǎo)系統(tǒng)的研發(fā)。公司認為，其已有的研發(fā)經(jīng)驗可應(yīng)用在未來氫能飛機的運營中，解決諸如氣化傾向強烈的問題。

液氫在儲罐中儲存時，有一部分會氣化，因此Absolut系統(tǒng)公司正在研究如何回收低溫的氣體氫。目前公司已經(jīng)用多種氣體進行了測試，技術(shù)處于4級成熟度（TRL4）的水平，估計在經(jīng)過大量試驗驗證后，當技術(shù)成熟度達到TRL 6之后，該技術(shù)才能用于產(chǎn)品開發(fā)。

創(chuàng)新的制氫方案

2017年，法國綠色能源供應(yīng)商Sakowin表示已經(jīng)具備了一種生產(chǎn)氫氣的綠色解決方案。如果對氫氣制取采用集中生產(chǎn)的方式，就必須對氫氣進行運輸和儲存，那么氫能與石油能源相比就沒有競爭力。天然氣的儲量預(yù)計還能維持數(shù)百年，是目前制取氫氣最有效的來源。

天然氣主要由甲烷（CH4）構(gòu)成，雖然燃燒甲烷的能效也很高，但會釋放二氧化碳，而Sakowin公司的技術(shù)可以在不產(chǎn)生CO2的情況下從甲烷中提取氫氣。Sakowin公司采用低能等離子體技術(shù)，工藝過程與從石油制品中生產(chǎn)“灰色”氫的重整過程相近，產(chǎn)生的碳則可以用于電池電極和輪胎。

制氫的緊湊型反應(yīng)裝置設(shè)置在一個獨立的隔間內(nèi)，通過2個或多個隔間的組合使系統(tǒng)模塊化，由于反應(yīng)裝置可以安裝在靠近使用氫能的地方，因此這種模塊化的生產(chǎn)模式可實現(xiàn)分布式生產(chǎn)。其中一個反應(yīng)裝置的功率需求約80千瓦，每天可以產(chǎn)生1噸的氫氣，而且無需運輸和儲存環(huán)節(jié)。Sakowin公司已經(jīng)建成了一個在實驗室環(huán)境下運行的原型設(shè)備，當前達到了TRL4的水平，有望在2025年上市量產(chǎn)型設(shè)備。

美國Ways2H公司成立于2019年，該公司也研發(fā)了一套系統(tǒng)用于氫能源生產(chǎn)。該公司使用的原料主要是各種有機廢物，采用熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝。日本藍色能源公司（JBEC）和美國投資集團清潔能源公司是Ways2H的兩大股東，其中JBEC從21世紀初開始研發(fā)相關(guān)技術(shù)，并在日本建造了4座測試設(shè)備來改進技術(shù)。

Ways2H公司表示，最新版的反應(yīng)設(shè)備自2018年以來一直在東京附近成功運行，公司在此基礎(chǔ)上還設(shè)計了一種更緊湊、更便于運輸?shù)男吞枺O(shè)備制造已于2021年3月完成建設(shè)。該技術(shù)的原理是將有機物分解成分子，如甲烷、水、碳氧化物和氫，其中氫的含量達到50%以上，再使用氣體分離技術(shù)來提取氫氣。該技術(shù)的重要特征是溫度管理，系統(tǒng)能夠自穩(wěn)定反應(yīng)溫度，防止溫度過高而轉(zhuǎn)化為危險的高壓，也防止溫度過低而導(dǎo)致焦油的形成。

可以用Ways2H公司這一技術(shù)處理的原料很多，包括木屑、城市垃圾、污水污泥或醫(yī)療廢物等，該公司正準備在洛杉磯地區(qū)安裝一個反應(yīng)裝置，每天可以用1噸城市垃圾生產(chǎn)40～50千克氫氣。當然Ways2H公司的技術(shù)也能夠處理機場中的可用垃圾。由于機場擁有自己的專屬車隊，是發(fā)展氫能基礎(chǔ)設(shè)施的理想場所。Ways2H預(yù)計巴黎戴高樂機場修建的設(shè)施每天將能夠處理24噸垃圾，從中可以提取1.5噸氫氣，足以供300輛氫燃料汽車使用。盡管目前這種設(shè)備還不能產(chǎn)生足夠的氫來給飛機使用，但可為地面運營的車輛提供燃料。

此外，該制氫設(shè)施還具有分布式的特點，可將垃圾處理和制氫裝置打造成微型網(wǎng)絡(luò)，機場也不再需要付費運輸垃圾，由此可見，Ways2H公司提供的是一種循環(huán)經(jīng)濟的理念。

更安全的氫能儲運和管理方案

Air Liquide是一家專門為航天發(fā)射制造液氫和液氧的公司，公司目前正在研發(fā)“高容量、高輸出和可快速連接的”液氫加注車。該車的成熟度已經(jīng)達到了TRL 5的水平，預(yù)計在2025年可以投入市場，為機場的地面車輛加氫站提供燃料。由于公司也在運用冷凝蒸汽技術(shù)，因此能與法國Absolut系統(tǒng)公司的技術(shù)實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。

其他的氫燃料地面支援設(shè)施近期可能就會出現(xiàn)在機場，有地面動力裝置、飛機拖車、行李拖車或裝載機等類型，技術(shù)成熟度等級為TRL6～9不等。一家法德合資財團和Engie能源集團正在設(shè)計此類系統(tǒng)和車輛，并界定裝備用途及培訓(xùn)駕駛員等。美國初創(chuàng)公司環(huán)球氫氣公司計劃將支線飛機改裝為氫燃料電池飛機，使用模塊化儲氫罐對氫進行儲存和運輸。

法國民航局（DGAC）、國家工業(yè)環(huán)境與風(fēng)險研究所（Ineris）和古斯塔夫埃菲爾大學(xué)聯(lián)合成立了H2應(yīng)用聯(lián)盟。由于氫將在機場內(nèi)用于多種用途，因此必須解決一些安全和安保問題，并及早識別重要風(fēng)險。

例如裝滿易燃易爆性原料的儲氫罐不應(yīng)位于控制塔臺旁邊，且氫也可能面臨Jet-A1燃料目前面臨的問題，例如在加氫過程中可能會被其他車輛扯掉加氫管導(dǎo)致氫燃料泄漏等。要為這些風(fēng)險做好準備，就需要設(shè)計一個安全系統(tǒng)來防止大面積泄漏。

因此，總體來看，很多氫能項目的成熟度還很低，整體可能只有TRL2水平，距離真正的運營還有很長的路要走。

DLR主導(dǎo)的示范工程

德國漢堡正著手籌建氫能源相關(guān)開發(fā)平臺，為新能源航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用做準備。根據(jù)規(guī)劃，未來兩年內(nèi)，由德國漢堡市出資，德國航空航天研究中心（DLR）、漢莎航空技術(shù)公司、應(yīng)用航空研究中心（ZAL）和漢堡機場將基于各自專業(yè)優(yōu)勢，聯(lián)合開展一項制氫/儲氫/用氫示范工程，進行氫能維護/地面處理過程的設(shè)計和測試，為全球航空產(chǎn)業(yè)氫能源安全、高效應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

研發(fā)團隊由DLR領(lǐng)導(dǎo)，其中DLR負責(zé)氫能應(yīng)用虛擬環(huán)境的開發(fā)，漢莎航空技術(shù)公司負責(zé)商用飛機平臺維修和改裝，ZAL負責(zé)燃料電池和數(shù)字化驗證，漢堡機場作為主要運營商負責(zé)定義未來液氫動力飛機的地面處理要求。

德國漢堡作為世界上最大的3個航空運輸樞紐之一，在2020年提出了成為主要的氫能運用大都市的愿景。目前，漢堡港口、能源部門、工業(yè)界、航空界都參與其中，為氫能技術(shù)突破做準備。

DLR的氫能應(yīng)用項目第一階段工作目標是在2021年底，由研發(fā)團隊評估出最急需的研究領(lǐng)域，以確定攻關(guān)方向，在此基礎(chǔ)上開展概念研究和相關(guān)測試。2022年初開始概念驗證實施，包括對一架退役的空客A320飛機進行改裝。該機將配備液態(tài)氫制備所需的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，作為漢莎技術(shù)公司漢堡基地的一個功能齊全的固定實驗室。

同時，DLR還將創(chuàng)建一個虛擬平臺，通過參數(shù)化的高精度虛擬模型，驗證在地面上使用氫能對飛機平臺運行維護的具體要求。這些數(shù)字化過程可直接用于面向未來需求的飛機配置設(shè)計。

漢堡機場將基于專業(yè)技術(shù)儲備，重點攻關(guān)解決氫能在機場的儲存和輸送問題。通過該試驗項目，漢堡機場能夠最終確定氣體氫能源和液態(tài)氫能源之間的協(xié)同效應(yīng)，并盡可能充分利用這種新能源。根據(jù)先期構(gòu)想，氣態(tài)氫將用作行李牽引車，液態(tài)氫將用作飛機能源。