董幗雄
今年9月,歐洲航空工業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)空客召開新聞發(fā)布會(huì),公布了一份宏偉的氫能航空發(fā)展規(guī)劃和三個(gè)零排放的商用飛機(jī)概念方案,公司表示最快將于2035年開始向客戶交付使用氫能源的零排放商用飛機(jī)。
空客的這一方案一經(jīng)發(fā)布就引起了業(yè)界的熱議。這些熱議不僅僅圍繞空客這一宏偉規(guī)劃展開,更重要的是,業(yè)界普遍意識(shí)到,空客發(fā)布的這份規(guī)劃,不單單是一個(gè)簡單的新機(jī)型規(guī)劃,更是歐盟能源結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型這一重大戰(zhàn)略布局中非常重要的組成部分。從這個(gè)角度來看,此次空客發(fā)布的氫能源飛機(jī)計(jì)劃,體現(xiàn)的是歐盟的雄心,即將歐洲打造成低碳航空運(yùn)輸和能源轉(zhuǎn)型的全球領(lǐng)導(dǎo)者。
空客的宏偉規(guī)劃
航空業(yè)正在尋找一種方法來彌補(bǔ)其“碳足跡”早已不是什么秘密?;趪H航空碳抵消和減排計(jì)劃(CORSIA)的承諾以及進(jìn)一步可持續(xù)發(fā)展的愿望,制造商一直希望能夠利用更加環(huán)保的清潔能源來替代傳統(tǒng)的航空煤油。
此次,空客將目光聚焦到了氫能源上,公司發(fā)布的全球首款零排放商用飛機(jī)的三個(gè)概念機(jī)型分別代表了實(shí)現(xiàn)零排放飛行的不同方法,探索不同的技術(shù)途徑和空氣動(dòng)力學(xué)構(gòu)型,以支持空客在領(lǐng)導(dǎo)全行業(yè)實(shí)現(xiàn)脫碳方面的雄心壯志。空客發(fā)布的零排放飛機(jī)概念機(jī)的代號(hào)為ZEROe,包括三個(gè)不同類型的產(chǎn)品。
第一款概念機(jī)的外觀類似于傳統(tǒng)機(jī)型,但機(jī)身更長,載客量為120~200人,相當(dāng)于目前A220或A320機(jī)型的載客量,航程超過3500公里。這款飛機(jī)依靠氫能驅(qū)動(dòng)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,而氫能則儲(chǔ)存在位于飛機(jī)后部的燃料倉內(nèi)。該機(jī)型只需在現(xiàn)有機(jī)型基礎(chǔ)上做小幅改動(dòng),加裝一塊同樣使用氫能的燃料電池,以便在需要時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)提供額外動(dòng)力。
第二款概念機(jī)是使用渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的支線飛機(jī),載客量為100人左右,航程為1800公里。渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)同樣由氫燃料驅(qū)動(dòng),適用于短途飛行任務(wù)。
第三款概念機(jī)采用翼身融合的方案,航程可達(dá)到3700公里。翼身融合的構(gòu)型可以靈活設(shè)計(jì)客艙布局與氫燃料存儲(chǔ),載客量可達(dá)到200人左右。
根據(jù)空客的規(guī)劃,2035年左右其氫能源飛機(jī)就要投入商業(yè)運(yùn)營。為了配合這個(gè)計(jì)劃,空客細(xì)化了具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間表。即在2021年進(jìn)行地面技術(shù)演示;2023年氫燃料技術(shù)驗(yàn)證機(jī)實(shí)現(xiàn)首飛;2024年確定氫燃料飛機(jī)選型;2025年氫燃料驗(yàn)證機(jī)首飛。
從技術(shù)層面來看,空客此次發(fā)布的這三款氫能源飛機(jī),前兩個(gè)機(jī)型的設(shè)計(jì)是基于現(xiàn)有支線和干線機(jī)型的動(dòng)力改裝,與完全使用電驅(qū)動(dòng)的一些預(yù)研設(shè)計(jì)相比,技術(shù)難度明顯降低。正因?yàn)槿绱?,空客在發(fā)布會(huì)上也提到,實(shí)現(xiàn)這個(gè)氫能航空計(jì)劃最大的難點(diǎn)并不是在技術(shù)上,而是希望得到政府更多的支持,如基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)等。以機(jī)場(chǎng)為例,如果氫能飛機(jī)投入使用,就需要機(jī)場(chǎng)為之配套相應(yīng)的氫氣運(yùn)輸和補(bǔ)給設(shè)施,以滿足航空公司的運(yùn)營需要。
除了希望得到政府的支持,空客還在積極尋找合作伙伴共同推動(dòng)氫能飛機(jī)的研發(fā)。今年10月,空客宣布與德國著名的汽車產(chǎn)品供應(yīng)商愛爾鈴克鈴鈴爾公司(ElringKlinger)合作成立合資公司,進(jìn)行大功率氫燃料電池的研制。在雙方合作的第一階段,燃料電池的大功率輸出是主要目標(biāo)。
此外,空客還與賽峰集團(tuán)以及二者的合資公司阿麗亞娜集團(tuán)(Arianegroup)、法國航空航天研究院共同組成了聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì),共同進(jìn)行航空氫能源利用的研究。
歐盟的傾力支持
對(duì)于歐洲來說,氫能不僅僅是未來綠色飛機(jī)的主要技術(shù)選項(xiàng),更是歐洲在后疫情時(shí)代實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的重要手段。法國國際關(guān)系研究所發(fā)布的《歐盟氫能戰(zhàn)略展望》中更是明確指出:“一項(xiàng)穩(wěn)健、成本效益高的歐洲氫能戰(zhàn)略將成為歐盟經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇計(jì)劃的支柱,并加速歐洲經(jīng)濟(jì)體的脫碳進(jìn)程?!痹诖吮尘跋?,此次空客所發(fā)布的氫能飛機(jī)計(jì)劃勢(shì)必將得到歐盟的傾力支持。
事實(shí)上,在空客發(fā)布?xì)淠茱w機(jī)計(jì)劃的3個(gè)月前,法國就已經(jīng)出臺(tái)了高達(dá)150億歐元的航空業(yè)支持計(jì)劃。計(jì)劃明確提到,政府在未來5年內(nèi)將每年投入15億歐元資助企業(yè)進(jìn)行技術(shù)研發(fā),而最具優(yōu)先權(quán)的項(xiàng)目就是2035年實(shí)現(xiàn)零碳排放的綠色飛機(jī)計(jì)劃。法國政府希望這一計(jì)劃不僅能夠幫助法國航空業(yè)領(lǐng)先其美國競爭對(duì)手,更能夠帶動(dòng)該領(lǐng)域所涉及的1300多家企業(yè)的發(fā)展。
這一“綠色飛機(jī)”發(fā)展計(jì)劃希望空客能夠在2030年左右推出A320系列飛機(jī)的繼任者,技術(shù)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)燃油消耗降低30%,2035年左右推出零排放的氫能飛機(jī)。而空客此次推出的氫能飛機(jī)計(jì)劃則完全契合了政府的要求。
此外,德國政府也將為其“國家氫氣戰(zhàn)略”投入70億歐元,該戰(zhàn)略將支持在飛機(jī)推進(jìn)和混合動(dòng)力飛行中使用氫氣。同時(shí),德國政府還考慮在航空燃料中強(qiáng)制規(guī)定氫能的使用比例,不過該計(jì)劃目前尚未有明確的時(shí)間表。
與此同時(shí),歐盟也在區(qū)域內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)全面建設(shè)氫能經(jīng)濟(jì),包括地面交通、工業(yè)制造等。2019年,西門子和阿爾斯通已經(jīng)開始試運(yùn)行氫燃料電池火車,奔馳公司也在今年9月公布了新的車型計(jì)劃,計(jì)劃在2023年與合作伙伴開始試運(yùn)行氫燃料電池重卡,2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)??梢?,歐洲各國對(duì)在航空業(yè)使用氫能已經(jīng)達(dá)成了一致。
而氫能源的利用之所以如此受到重視,除了節(jié)能環(huán)保方面的考慮之外,能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型或許是更深層次的考慮。當(dāng)今,國際形勢(shì)變幻莫測(cè),提高能源自給保障能力、提升能源戰(zhàn)略安全對(duì)于歐盟來說重要性不言而喻。如果仔細(xì)分析歐洲現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu),不難發(fā)現(xiàn),氫能源似乎是提高歐洲能源自給保證能力的唯一選擇。歐洲缺乏燃煤儲(chǔ)量和大量使用的社會(huì)輿論環(huán)境、北海地區(qū)的油氣儲(chǔ)量有限、缺乏鋰電池原材料和供應(yīng)鏈、耕種面積和氣候難以滿足生物燃料作物的大規(guī)模種植,綜合考慮上述因素后,歐盟選擇氫能進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型也就不難理解了。此外,對(duì)于歐洲各國來說,如果此次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型能夠獲得成功的話,將帶動(dòng)區(qū)域內(nèi)相關(guān)科技研發(fā)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和GDP的增長,開拓新的增量市場(chǎng)和就業(yè)機(jī)會(huì)。
在此背景下,空客所進(jìn)行的氫能飛機(jī)計(jì)劃只是負(fù)責(zé)了歐盟能源替代計(jì)劃的一部分,而歐盟各國的技術(shù)研發(fā)成果未來也可以被其所借鑒和使用。因此,空客氫能飛機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用勢(shì)在必行,而這也將對(duì)未來商用航空市場(chǎng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
前路仍充滿挑戰(zhàn)
從20世紀(jì)初發(fā)明飛機(jī)以來,人類就沒有停止過新技術(shù)的探索與應(yīng)用。不過,氫能飛機(jī)盡管從理論上來講具備一系列顯而易見的優(yōu)點(diǎn),但真正要投入商業(yè)應(yīng)用,還有許多問題有待解決。
從工作機(jī)理來看,氫動(dòng)力飛機(jī)從壓縮液態(tài)氫獲得動(dòng)力。該過程通過將氫和氧結(jié)合在燃料電池中而起作用,這兩種元素的反應(yīng)形成三種產(chǎn)物——水、熱和電力。與燃燒化石能源相比,此過程的不同之處在于,沒有二氧化碳釋放到大氣中。因而,氫能飛機(jī)更加環(huán)保,并使航空公司能夠履行其對(duì)“碳中和”增長的承諾。
當(dāng)今最好的鋰電池組的能量密度為200Wh/kg,循環(huán)壽命為1000至2000次,充電時(shí)間為45分鐘以上。相比之下,液態(tài)氫燃料電池系統(tǒng)可達(dá)到3000Wh/kg以上的循環(huán)功率和15000多次循環(huán)壽命,并且在20分鐘內(nèi)即可加滿燃料。在舊金山到洛杉磯的航線上,一架737飛機(jī)一天最多可以往返4次,但目前鋰電池技術(shù)還無法滿足需求。未來即便是鋰電池技術(shù)的進(jìn)步可以將循環(huán)壽命提升至4~8個(gè)月,一架飛機(jī)在全生命周期內(nèi)也需要更換50多次電池,這對(duì)于航空公司來說是一筆相當(dāng)沉重的成本。
相比之下,氫燃料電池系統(tǒng)的使用壽命長了10倍,而能量密度高了5~20倍,但如何安全地存儲(chǔ)和運(yùn)輸這些氫能源是一個(gè)較為棘手的難題。對(duì)此,波音曾公開表示,雖然氫能源具有獨(dú)特的應(yīng)用前景,但是該技術(shù)的推廣仍面臨很多的困難,主要的難題就是氫燃料的生產(chǎn)和儲(chǔ)存問題。
幾十年來,航空業(yè)已經(jīng)對(duì)渦輪、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的航空煤油有了全面的認(rèn)識(shí),對(duì)安全存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用這些傳統(tǒng)燃料積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是,氫燃料與傳統(tǒng)燃料有著本質(zhì)的區(qū)別。因此,波音認(rèn)為,如何安全、有效地使用氫燃料,還需要政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)、廠商等共同協(xié)作,實(shí)現(xiàn)管理措施、關(guān)鍵技術(shù)等方面的創(chuàng)新突破。從目前來看,波音認(rèn)為氫能源的相關(guān)理論、知識(shí)、應(yīng)用等研究課題還都存在著很多未知的領(lǐng)域。
波音的這些擔(dān)憂不無道理。目前,推廣氫能源的主要難題就是缺乏基礎(chǔ)設(shè)施,畢竟,無論是航空公司還是機(jī)場(chǎng)的配套設(shè)施,都是為航空煤油所準(zhǔn)備的。
以美國為例,85%的商業(yè)航班集中在40個(gè)機(jī)場(chǎng),剩余的15%的航班則分布在450多個(gè)機(jī)場(chǎng)。能源加注的網(wǎng)絡(luò)越大,整體更換它的難度就越大,成本也就越高,各個(gè)更小的站點(diǎn)需要更復(fù)雜的燃料后勤保障體系,并且每分配1千克燃料將產(chǎn)生更高的攤銷成本。同時(shí),燃料系統(tǒng)的整體更新?lián)Q代需要大量資金投入和人力投入,沒有地方政府的支持,是很難想像的。
今年9月,一架名為“派珀·馬里布”、完全由氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的六座飛機(jī)從英國倫敦北部的克蘭菲爾德機(jī)場(chǎng)起飛,用零排放的氫燃料驅(qū)動(dòng)完成了20分鐘的飛行,這是世界上首次氫燃料電池飛機(jī)的飛行。為了實(shí)現(xiàn)此次飛行,制造商與歐洲海洋能源中心在克蘭菲爾德機(jī)場(chǎng)專門配備了氫燃料加油生態(tài)系統(tǒng)(HARE),囊括了綠色氫生產(chǎn)、儲(chǔ)存、加油和驅(qū)動(dòng)等一系列環(huán)節(jié),這也是世界上首個(gè)配備了該設(shè)施的機(jī)場(chǎng)。未來,如果要在商用飛機(jī)上使用氫能的話,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將是首個(gè)需要解決的問題,同時(shí)也更需要政府未雨綢繆地進(jìn)行提前規(guī)劃。