氫能航空的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

航空業(yè)的快速增長使其成為未來交通運輸領(lǐng)域溫室氣體排放的主要來源之一，對氣候和環(huán)境的影響越來越顯著。與此同時，氫能航空被認(rèn)為是航空業(yè)未來實現(xiàn)污染物零排放和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。雖然氫能具有綠色環(huán)保、能量密度高等優(yōu)點，但發(fā)展氫能航空還需要突破氫燃燒、氫燃料加注和儲存等一系列關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。根據(jù)國際民航組織（ICAO）的預(yù)測，基于現(xiàn)有傳統(tǒng)航空技術(shù)的進(jìn)步，航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及2050年碳排放量減少至2005年50％的目標(biāo)將無法實現(xiàn)（如圖1所示）。因此，發(fā)展可持續(xù)航空技術(shù)，開發(fā)包括太陽能、生物燃料和氫燃料等石化燃料以外的替代能源，將成為航空業(yè)實現(xiàn)碳減排目標(biāo)的重要任務(wù)之一。圖1

航空業(yè)碳排放及減排趨勢相關(guān)研究顯示，氫燃料的能量密度約為120MJ/kg，是標(biāo)準(zhǔn)航空燃料的3倍。航空業(yè)使用氫能源不但可以實現(xiàn)二氧化碳零排放，同時還能有效減少其他污染物的排放量，具有非常明顯的優(yōu)勢。因此，發(fā)展氫能航空技術(shù)是航空運輸業(yè)實現(xiàn)碳中和的主要途徑，將成為航空技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。近年來，美國、日本和歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)紛紛加大氫能研發(fā)的投入，重點支持乘用車、加氫站、公共汽車、電解水制氫裝置、中重型運輸（包括中型到大型乘用車、商用車、重載卡車、火車、海運、航空）等領(lǐng)域。未來氫能在航空業(yè)要完全替代傳統(tǒng)石化燃料還須面臨動力推進(jìn)系統(tǒng)、機(jī)載氫燃料儲存、機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及氫燃料生產(chǎn)等一系列關(guān)鍵技術(shù)的挑戰(zhàn)和突破。氫能推進(jìn)技術(shù)目前，氫渦輪和氫燃料電池是氫能飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)最受關(guān)注的兩個方向（如圖2所示）。圖2

氫渦輪和氫燃料電池在航空上的應(yīng)用氫渦輪一般包含氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)和氫渦輪電動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)兩種形式。前者的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)役航空渦輪發(fā)動機(jī)基本相同，氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，然后推動渦輪并帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力，后者則是通過渦輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電驅(qū)動電機(jī)帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力。使用氫燃料代替石化燃料，不會產(chǎn)生一氧化碳、二氧化碳、硫化物等溫室氣體和煙塵等污染物，僅有水蒸氣和部分氮氧化物。研究顯示，盡管水蒸氣凝結(jié)形成的尾跡云也會對氣候造成影響，但采用氫燃料仍可以將飛行過程對氣候的影響降低50%~75%。氫燃料與傳統(tǒng)石化燃料具有完全不同的物理化學(xué)屬性。在傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)中使用氫燃料時，其效果往往不如常規(guī)石化燃料。這主要是因為傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)的燃燒室?guī)缀涡螤?、結(jié)構(gòu)和尺寸不利于氫燃料和空氣進(jìn)行有效混合，從而導(dǎo)致氫燃料燃燒不充分或在燃燒過程中出現(xiàn)局部高溫并產(chǎn)生氮氧化物。因此，為了提高氫燃料發(fā)動機(jī)的效率，需要對傳統(tǒng)航空發(fā)動機(jī)的燃燒室、燃料噴射與混合裝置、熱循環(huán)和管理系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計，以滿足氫燃料的使用要求。與此同時，為進(jìn)一步降低污染物的排放量，還應(yīng)開發(fā)針對氫燃料發(fā)動機(jī)的低氮氧化合物排放技術(shù)，如貧油直噴（leandirectinjection，LDI）和微混合燃燒室（micromixcombustor，MMC）等技術(shù)。氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)零污染物排放的動力裝置。氫在燃料電池中通過電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電并排出水，電動機(jī)帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力。與氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)相比，氫燃料電池內(nèi)部氫與氧電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境純凈，極少產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)核，因此能夠大大削弱尾跡云的形成，使飛行過程對氣候的影響降低75%~90%（詳見表1）。表1

氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)和氫燃料電池動力系統(tǒng)對比近年來，由于在材料和制造領(lǐng)域取得不斷發(fā)展，氫燃料電池的能量密度相比于21世紀(jì)之初已獲得了大幅提升，但氫燃料電池仍面臨能量密度低（僅達(dá)航空渦扇發(fā)動機(jī)能量密度3.7kW/kg的一半左右）、使用壽命短和單體輸出功率低等問題。未來需要通過采用新型電極材料、電池一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，高效水、熱管理和運行控制等方法，進(jìn)一步提高電池功率密度、延長壽命（超過25000h）。同時，還需要通過提高電池工作溫度和模塊化設(shè)計，進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)輸出功率，滿足中、大型客機(jī)動力需求。飛機(jī)氫燃料儲存技術(shù)當(dāng)前航空業(yè)已掌握的儲存技術(shù)中，高壓氣體或低溫液體儲罐技術(shù)可以用于氫能飛機(jī)機(jī)載氫燃料的存貯。若以壓縮氣體形式儲氫，將對飛機(jī)質(zhì)量和體積要求提出巨大挑戰(zhàn)。相比之下，液態(tài)氫儲存具有較高的質(zhì)量能量儲存密度，成為了最有前途的技術(shù)途徑之一。液態(tài)氫燃料需要以極低溫度（低于-253℃）儲存，同時為了減少液氫沸騰導(dǎo)致的損失，需要在儲罐中維持1.429atm的恒定壓強，這將導(dǎo)致液氫儲罐結(jié)構(gòu)和配套冷卻系統(tǒng)異常復(fù)雜，進(jìn)而大大降低整體系統(tǒng)的質(zhì)量能量密度和安全性。相關(guān)研究顯示，液氫儲罐應(yīng)采用球形或柱狀，而傳統(tǒng)機(jī)翼油箱不適宜儲存液氫燃料。因此，對于中、短程客機(jī)而言，需要對現(xiàn)有機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整或重新設(shè)計，以增加液氫儲罐（如圖3所示）。儲罐大小因機(jī)身形狀、尺寸以及飛行任務(wù)和航程長短而定。增加液氫儲罐后，會導(dǎo)致機(jī)體尺寸增加或客艙空間減小，進(jìn)而增加飛行阻力或飛行成本。對于載客量超過250人，飛行距離超過10000km的遠(yuǎn)程客機(jī)，由于機(jī)載液態(tài)氫儲罐的附加質(zhì)量已使傳統(tǒng)客機(jī)結(jié)構(gòu)無法滿足設(shè)計要求，因此需要引入全新的、革命性的機(jī)體設(shè)計思路，如翼身融合設(shè)計、箱式機(jī)翼結(jié)構(gòu)等，以達(dá)到提高飛機(jī)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)利用率的目的。圖3

中、短程氫能飛機(jī)上氫燃料布置方案機(jī)場氫能基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)機(jī)場的氫能基礎(chǔ)設(shè)施主要包含液氫燃料的運輸、儲存和液氫加注等設(shè)備。氫燃料與傳統(tǒng)石化燃料有很大的不同，如何低成本實現(xiàn)氫燃料的運輸和儲存，將會直接影響到氫能飛機(jī)能否真正投入商業(yè)運營。相關(guān)研究表明，可通過現(xiàn)有天然氣網(wǎng)絡(luò)管路向機(jī)場輸送氫氣并在到達(dá)機(jī)場后進(jìn)行液化處理，然而這需要對現(xiàn)有管路安全性進(jìn)行全面評估，還需要考慮到氫氣產(chǎn)地和機(jī)場之間長距離輸運帶來的附加成本和安全性問題。當(dāng)然，也可以采用現(xiàn)場制氫的方式，通過使用機(jī)場附近的可再生能源為電解池供電來進(jìn)行水解制氫，從而消除氫燃料長距離輸運帶來的成本和安全性問題。但這種方式由于產(chǎn)能有限，僅適用于為短程航班提供“綠色”氫燃料。與傳統(tǒng)石化燃料相比，液氫燃料具有溫度低、易蒸發(fā)、易燃等特點，其加注過程復(fù)雜、耗時長且安全風(fēng)險較高，大大增加了飛機(jī)在機(jī)場停靠加注燃料的時間，提高了飛機(jī)運營的成本。因此，應(yīng)針對液氫燃料開發(fā)高效的加注技術(shù)和加注系統(tǒng)，如采用具有自動閉合功能的管路快速接頭，確保氫燃料加注系統(tǒng)與液氫儲罐之間實現(xiàn)安全、可靠的連接，在保證系統(tǒng)可操作性的同時增大液氫加注流量，提高機(jī)場和飛機(jī)的使用效率。氫燃料生產(chǎn)和氫能飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性當(dāng)前，全球每年生產(chǎn)7000萬t氫，其中96％是通過有二氧化碳排放的“灰色”氫工藝，從石化燃料中提取獲得，排放約8.3億t的二氧化碳，其余4%的氫則通過電解獲得，其中有100萬t氫是使用可再生能源電解工藝獲得的“綠色”氫。未來若要采用氫能完全替代傳統(tǒng)石化燃料，則需要大幅增加“綠色”氫或是基于碳捕獲與封存（carboncaptureandstorage，CCS）的“藍(lán)色”氫的生產(chǎn)，這對于氫能生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模都是一個巨大挑戰(zhàn)。比較樂觀的是，2014—2019年期間，全球風(fēng)能發(fā)電量增長了1倍，太陽能發(fā)電量增長3倍。國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）預(yù)測，在未來10年，可再生能源（尤其是太陽能和風(fēng)能）產(chǎn)量將成倍快速增長，進(jìn)而促進(jìn)“綠色”氫電解槽的發(fā)展。預(yù)計到2030年，歐盟國家電解槽容量將達(dá)到40GW，這將帶動世界其他航空業(yè)發(fā)達(dá)的主要國家和地區(qū)增加投入，提高“綠色”氫產(chǎn)量。伴隨產(chǎn)量的增加，氫燃料的成本將會逐漸降低。盡管如此，到2040年，氫能飛機(jī)的短程飛行成本仍較傳統(tǒng)航空石化燃料飛機(jī)要高約25%（如圖4所示），其中9%來自燃料成本，其余13%來自飛機(jī)維護(hù)成本，3%來自液氫加注時間延長導(dǎo)致飛機(jī)使用效率下降帶來的成本。預(yù)計到2050年，“綠色”氫使用成本將基本上與傳統(tǒng)石化燃料持平，這將為氫能航空業(yè)降低成本和增強可持續(xù)發(fā)展能力奠定基礎(chǔ)。圖4

2040年短程2000km、165座氫能客機(jī)飛行成本（每位乘客每千米飛行成本）氫安全自20世紀(jì)中葉開始，隨著氫燃料在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對其安全性進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，相比于汽油、航空煤油等石化燃料，氫燃料的危險性并未明顯增加（見表2）。相反，由于氫氣密度低，開放空間中泄漏的氫氣會迅速上升，從而使得泄漏引起的危險區(qū)域較小。此外，氫的燃燒速度快，產(chǎn)生的輻射熱非常低，同時燃燒產(chǎn)物基本無毒。因此，在諸如熱輻射、毒性等方面，氫燃料的安全性甚至要高于現(xiàn)役的航空煤油等石化燃料。盡管如此，現(xiàn)役石化燃料飛機(jī)在設(shè)計、制造和飛行操作的各個環(huán)節(jié)，已經(jīng)形成了廣泛且完整的安全標(biāo)準(zhǔn)和保障措施，從而能夠保證飛行的安全性。氫能飛機(jī)由于機(jī)體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)以及燃料儲存方式均與現(xiàn)役石化燃料飛機(jī)存在顯著差異，未來氫能飛機(jī)只有在達(dá)到同等或甚至更高的適航安全標(biāo)準(zhǔn)之后，才能夠真正投入實際運營。表2

氫燃料與航空煤油安全性對比（●代表該安全性評價指標(biāo)更好）結(jié)束語《2019年國務(wù)院政府工作報告》中首次寫入了氫能源，自此氫能源被納入了我國能源體系。預(yù)計到2050年，氫能在我國能源體系中的占比約為10%，氫能產(chǎn)業(yè)鏈中制氫、儲運、加氫站、氫燃料電池應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)將會獲得大幅發(fā)展，并能夠滿足商業(yè)化