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氢燃料电池飞机:氢能应用的“潜力股”?
2019.09.13

提到中秋,最具节日仪式感的活动就是赏月了。而说到赏月,联盟小氢就不禁想到前段时间传得沸沸扬扬的氢燃料电池登月车(氢能人的职业病~)。据丰田介绍,这款登月车将于2029年参与日本拟定的登月任务。详情可戳☞50年登月背后那不为人知的“氢”。

在整个行业期盼氢燃料电池登月的同时,不可避免地会有人提问,氢燃料电池既然可以用在登月上,为什么还没用到普通飞机上呢?

确实和氢能在汽车、工业乃至建筑领域的快速发展相比,氢能航空似乎还只是一个概念。近日,德国总理默克尔在德国莱比锡举行的航空大会上也曾表示,氢在航空领域的潜力还远远没有被开发出来,因此德国希望在今年年底前以一种科技开放的方式来解决这个问题。

那么氢能航空究竟发展的怎么样了?氢能航空的潜力又有多少待开发?下面就跟随联盟小氢一起去探索这支氢能应用的“潜力股” .

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我们知道,氢能作为一种清洁高效的零碳能源,被世界各国看做是能源低碳改革的重要抓手。而国际上一直以来对于航空业的碳排放难题都十分重视。据测算,航空领域的碳排放占据全部人类活动碳排放的2%。近年来,全球范围内的监管机构也逐步开始推动该行业大幅减排。

尤其是在欧洲。一方面,航空是欧盟在全球市场上的关键高科技领域之一;另一方面,欧洲拥有世界领先的飞机公司(如空中客车AIRBUS、赛弗兰SAFRAN、劳斯莱斯Rolls-Royce以及DLR等研究机构)和燃料电池技术方面的专业知识,可以在推动航空转型、减少排放方面发挥至关重要的作用。

目前在航空领域降低碳排放,主要有三种手段,一是提高能源利用效率或者排放效率,二是使用替代(低碳)能源,三是使用碳捕捉、封存和利用技术(CCUS)。其中CCUS多与煤电、化工行业结合,在航空领域,前两者被视为关键的减排路径。

不过,据国际民航组织(ICAO)预测,传统的增效无法满足2020年碳中和增长目标。因此,替代燃料是一个必须的补充手段,通俗而言就是使用“新能源飞机”。

与新能源汽车采用电动化路线不同,航空领域更关注液体燃料的清洁化。另外,航空领域尤其是国际航线,对能量供给的需求大,而目前电池能量密度和电池重量还远远达不到要求,民用飞机也不太可能中途充电,因此重点便放在了氢燃料身上。


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如上所说,航空业脱碳的选择十分有限。氢燃料已经成为给无人机提供燃料的可行选择,小型客机也已经有了早期的示范。例如,Hy4是世界上第一架采用燃料电池技术的四座位客机。配备4个FC模块和一个大电池组,飞机最高速度可达200公里/小时,航程750至1500公里。

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今年年初,由一家在飞机内部设计氢燃料电动动力系统的初创公司ZeroAvia设计制造的一架小型六座飞机也曾引起行业关注。它是不使用化石燃料的最大的零排放飞机。

该公司的首席执行官Miftakhov表示,目前整个航空业都在朝着减少排放的解决方案迈进,总体目标大概是到2050年将排放量减少至2005年的一半,而氢燃料电池无疑可以在航空行业发挥巨大作用。

这主要是因为氢燃料使用的氢气所产生的推力是煤油燃料的三倍,释放出的二氧化碳为零,氮氧化物也为超低排放。

除去清洁低碳的优势,氢燃料飞机还可帮助解决机载存储与飞机减重的问题。这是因为氢燃料电池通过在经过特殊处理的板上混合氢和氧来产生电能来为电池和马达提供动力,这些板结合起来形成燃料电池堆。而燃料电池堆和电池使得工程师们可以大幅缩小这些部件,从而减轻飞机重量。

但是目前更多用于短途航段,如ZeroAvia公司正在使用的就是储存在碳纤维气瓶中的压缩氢气,和丰田Mirai使用的高压储氢罐类似。储氢罐略微增加了一些飞机重量,这意味着它们不能飞行太远。但Miftakhov说,从技术角度来看,氢燃料飞机未来是可以借助液态氢储存技术来用于长途飞行的。

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另一方面,相对电动化飞机,氢燃料电池飞机在成本上也有一定优势。对于航空公司来说,换乘氢燃料飞机进行短途飞行可以节省资金。根据估算,由于节省燃料成本,提高效率和减少维护,总运营成本约为飞行常规飞机的一半。相比之下,由于高密度电池必须经常更换,因此燃料电池技术的使用成本也比电池电动机便宜。

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据美国联邦环境局称,飞行是对环境危害最大的旅行方式,目前该行业在减排方面仍处于守势。

虽然早在2008年,波音公司就已成功试飞了以氢燃料电池为动力的一架小型飞机。当时新闻也报道,这在世界航空史上尚属首次,预示航空工业未来更加环保。 但是十年来,我们并未看到里程碑式的突破与应用。

直到近两年,国际上对氢能在航空领域的尝试逐渐积极起来。美国、欧洲和俄罗斯等国家均已启动氢燃料电池飞机的研发,以推动航空业脱碳和高效运营。

据报道,美国宇航局(NASA)正在承担一项开发低温氢燃料电池系统的项目,该系统用于为全电动飞机提供动力。该项目由伊利诺伊大学领衔,探索液态氢燃料电池作为环保能源的潜力。通过使用低温液态氢,可以在不需要重型加压储罐的情况下产生清洁动力。这种转变可能为大飞机的研发以及航空商业带来革命性变化。

本月初,俄罗斯开发的第一架环保且近乎无声的氢气驱动飞机在2019莫斯科航展上展出。氢气燃料安装在一架俄罗斯Sigma-4飞机的机身内,该机翼展9.8米,长6.2米,起飞重量600公斤,功率75千瓦,飞行距离为300公里。据工程师表示,飞机发动机中的氢气不会燃烧,而是与氧气发生电化学反应,为螺杆旋转提供电力。排放出的水蒸气则会释放到大气中。

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欧洲方面,2017年就启动了MAHEPA计划,旨在使用轻型飞机作为测试平台开发和测试模块化混合动力推进技术,通过真实的飞行数据来研究如何在2050年前将航空碳排放量减少70%。目前,该计划已先后搭建G4(电池版)和HY4(氢燃料电池版)两个平台。其中HY4 是2016年9月试飞的四座飞机,搭载德国航空航天中心(DLR)开发的氢燃料电池动力总成。最新版本的HY4混合动力系统测试将在2020年进行。

2018年,英国专家制定了“更清洁”氢燃料动力客机计划。这个项目是由贝德福德郡克兰菲尔德大学的学者和行业高层领导人一起进行的。它们将解决氢动力飞行面临的一些最大挑战,如机载存储、生产燃料的高成本以及安全问题。该大学推进工程中心的Bobby Sethi博士表示,希望在项目范围内解决液态氢的使用问题。并希望证明,氢不仅对环境有利,还可以在中长期内安全、经济地使用。

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新加坡HES公司早前也推出一款名为ELEMENT ONE的零排放、远程氢-电动力客运飞机,由分布式氢电推进装置提供动力,可以承载4名乘客飞行500公里至5000公里。这是世界上第一个区域性氢电客运飞机。

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今年3月,我国自主研制的首架有人驾驶氢燃料电池试验机在沈阳试飞成功,飞机飞行高度320米,全程零污染排放,由我国中科院大连化物所与辽宁通用航空研究院联合研制。这次成功试飞突破了多项关键技术,电池输出性能、安全性、可靠性等各方面全部达到技术要求,在零下20°环境下,氢燃料表现出优良的存放、启动和运行性能。

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可以说从填补空白到积极尝试,氢能航空的步伐走得很慢,距离真正实现客运应用也还很遥远。但是我们已经可以看到氢能作为航空未来新动能的可能性。与氢能在汽车领域的发展类似,氢能航空需要的不仅是技术突破,更重要的是国际政策与市场对航空业脱碳的决心,以及对氢能和燃料电池发展的信心与支持。

希望在未来某个中秋月圆之夜,我们可以看到氢燃料电池飞机一飞冲天的身影!




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