誰在卡氫燃料飛機的脖子

沈海軍

燃料儲存并非易事

眾所周知，每千克氫氣的質(zhì)量能量密度為40千瓦·小時，幾乎是柴油或汽油的3倍，但氫氣需要冷卻至-253℃才可以保持液態(tài)。這給氫燃料的儲存和運輸帶來了不小的挑戰(zhàn)。

首先是氫的存儲體積過大。在常溫標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氫氣的密度很小，同等能量下，其體積約是航空煤油的2750倍。為節(jié)省空間，人們通常采用272倍大氣壓對氫氣進(jìn)行增壓儲存，或者在大氣壓下將溫度降至-253℃，使氫由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)。氫的體積能量密度非常低，這意味著，即使經(jīng)過壓縮或液化，氫燃料也會占用很大的空間。相較于傳統(tǒng)的航空燃油，在同等含能情況下，液氫燃料需要額外占據(jù)3倍體積，壓縮氫氣則需要額外占據(jù)5倍體積。從系統(tǒng)復(fù)雜程度而言，壓縮氫氣方案實施起來相對容易，但需要付出更高的空間和重量代價。低溫儲存的液氫相對密度更大，對于未來的商用航班，液氫方案更加現(xiàn)實可行。

其次是難以安全儲存。無論采用哪種儲氫方式，對儲存系統(tǒng)密封性的要求都比傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)更高、更復(fù)雜。這是因為，氫分子比航空煤油的分子小得多，更容易從管路縫隙中逃逸。儲存液氫時，還必須考慮恒溫條件的實現(xiàn)問題，否則，液氫燃料升溫氣化后，體積膨脹的氫氣有可能導(dǎo)致燃料箱因壓強驟增而直接爆炸。應(yīng)用于航天領(lǐng)域的液氫儲存系統(tǒng)相對簡單，氫氧發(fā)動機火箭在起飛前才會加注低溫液氫，火箭發(fā)射一般只需數(shù)分鐘，而飛機的飛行時間往往會持續(xù)數(shù)小時，所以，必須尋求更可靠的儲存方式。目前，氫能儲存技術(shù)主要有高壓儲氫、液化儲氫、固態(tài)儲氫和有機氫化物儲氫等形式。其中，高壓儲氫的應(yīng)用最廣，通常將氣瓶作為容器。不過，由于氫的密度小、儲氫效率低，故需加大壓力來提高儲氫量，而加壓有可能導(dǎo)致氫分子從容器壁溢出或產(chǎn)生氫脆爆炸的風(fēng)險。

如今，新型復(fù)合材料的發(fā)展為儲氫環(huán)節(jié)提供了更多支持。相較于傳統(tǒng)的金屬材料，相同強度的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所需付出的重量代價更小。就液氫儲存罐而言，新型復(fù)合材料可以極大地減輕自重并增加有效容積。例如，一些國家研制的碳纖維復(fù)合材料燃料罐，在同等容積下，可比現(xiàn)有的最先進(jìn)的航天低溫罐減重75%。

“綠氫”生產(chǎn)成本高企

目前的制氫技術(shù)主要分為化學(xué)能制氫、生物質(zhì)制氫和風(fēng)電、光電制氫技術(shù)等。

化學(xué)能制氫以石化燃料或天然氣為主要原料，是由化學(xué)鏈與蒸汽法制氫相結(jié)合的制氫技術(shù)，具有裝備簡單、污染物排放量低、投資少等優(yōu)點。它是通過燃料與反應(yīng)器、蒸汽反應(yīng)器以及空氣反應(yīng)器的互相作用，將烴類水蒸氣制成氫氣。在這一過程中會產(chǎn)生二氧化碳，但相比于傳統(tǒng)的制氫技術(shù)，化學(xué)能制氫技術(shù)排放的溫室氣體數(shù)量較少。

除了要求1000℃以上的高溫以外，生物質(zhì)制氫技術(shù)可以稱得上是一種理想的制氫技術(shù)。我國地大物博，可將城市生活垃圾和農(nóng)林廢棄物作為生物質(zhì)制氫的原料。該技術(shù)也更符合綠色環(huán)保、節(jié)能減排的生態(tài)發(fā)展理念。

風(fēng)電、光電制氫技術(shù)可實現(xiàn)零碳排放，且制出的氫氣純度高。其中，風(fēng)能、水能是可再生資源，利用風(fēng)能、水能發(fā)電，再電解水制氫，既能多元化利用可再生資源，將不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)化為氫能，又可實現(xiàn)規(guī)模化制氫，還能有效節(jié)約電力資源，一舉數(shù)得，但這種制氫方法的成本較高，與煤制氫技術(shù)相比，經(jīng)濟性較低。

目前，全球每年生產(chǎn)的7000萬噸氫中，從石化燃料中提取、伴隨有二氧化碳排放的“灰氫”工藝制得的氫占96%。由可再生能源電解制得的“綠氫”只占1.4%左右，“綠色”氫氣的生產(chǎn)成本接近航空煤油的3倍，尚難以和傳統(tǒng)石化能源制氫相比。若要用氫能完全替代傳統(tǒng)石化燃料，達(dá)到真正的零碳排放，需要大幅增加“綠氫”占比，但這對于氫生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)規(guī)模來說，都是一個巨大的挑戰(zhàn)。

基礎(chǔ)設(shè)施有待完善

氫能基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備的不完善也是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。機場的氫能基礎(chǔ)設(shè)施主要包括液氫燃料的運輸、儲存和液氫加注等基礎(chǔ)硬件。氫燃料與傳統(tǒng)石化燃料有較大差別，如何實現(xiàn)氫燃料的低成本運輸和儲存，直接影響到氫能在航空業(yè)的商業(yè)化運營。根據(jù)目前的研究，氫氣可通過現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸送至機場，并在到達(dá)機場后進(jìn)行液化處理；然而，這種方式不僅需要全面評估現(xiàn)有管網(wǎng)的安全性，而且需要考慮氫氣的產(chǎn)地與機場之間的距離以及因長距離輸運帶來的附加成本等問題。

對于新型氫能動力飛機，其推進(jìn)系統(tǒng)需要建設(shè)新的地面配套設(shè)施，而現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施是依據(jù)在用飛機的動力系統(tǒng)和配套設(shè)備所搭建，各國開發(fā)者需要研究和解決在盡量短的時間內(nèi)為飛機加注氫燃料、盡量縮短飛機的停場時間，并確保加注過程的安全性和經(jīng)濟性等問題。氫能飛機的運行需要在規(guī)劃初期就確定好基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作。目前，無論航空公司還是機場的配套設(shè)施，都不適合氫能飛機的商業(yè)化運行，新型氫能源的推廣需要重新搭建相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施及配套設(shè)施。