董幗雄

近兩年，綠色環(huán)保已經(jīng)成為了航空業(yè)的熱門話題。一方面，飛機(jī)制造商從原材料、生產(chǎn)工藝的角度不斷推行綠色制造，另一方面如何使用更環(huán)保、更低碳排放的航空燃料也成為了制造商、航空公司等多方共同關(guān)心的話題。其中，氫能源憑借獨(dú)一無二的優(yōu)勢被認(rèn)為是航空業(yè)未來實(shí)現(xiàn)零碳排放和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略能源。在歐洲，氫能源更是不僅被視為未來綠色飛機(jī)的重要技術(shù)選項(xiàng)，同時(shí)也被視為歐洲后疫情時(shí)代實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的重要手段。

脫穎而出的氫能

近年來，由于人們對于環(huán)境保護(hù)的意識不斷提升，脫碳已經(jīng)成為了航空業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球航空運(yùn)輸業(yè)每年的二氧化碳排放量超過9億噸，約占全部人類活動(dòng)碳排放的2%。因此，全球范圍內(nèi)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)近年來都在逐步推動(dòng)行業(yè)減排。

2009年，國際航空運(yùn)輸協(xié)會（IATA）為行業(yè)設(shè)定了一個(gè)艱巨的減排目標(biāo)，即2020年前燃油效率年均提高1.5%，2020年達(dá)到碳中和，2050年航空運(yùn)輸業(yè)碳排放量減少50%。此外，歐盟也通過綠色航空相關(guān)政策設(shè)定了航空減排的目標(biāo)。

從可實(shí)現(xiàn)的角度來看，航空脫碳主要依靠兩種方式。一是技術(shù)的進(jìn)步。為此，過去20年，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商通過技術(shù)的不斷改進(jìn)，來提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率平均每年可提高2%，但客觀來說，要想在現(xiàn)有的技術(shù)、材料基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率質(zhì)的飛躍已不太現(xiàn)實(shí)。因此，新燃料成為了行業(yè)脫碳的另一個(gè)重要手段，通俗地講，就是使用新能源飛機(jī)。

與新能源汽車采用電動(dòng)化的路線有所不同，航空領(lǐng)域更關(guān)注液體燃料的清潔化。此外，由于遠(yuǎn)程航線對能量供給需求大，目前的電池能量密度和電池重量還遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。在綜合考慮這兩個(gè)因素后，氫燃料被寄予厚望。這主要是因?yàn)闅錃馑a(chǎn)生的推力是航空煤油的3倍，但所釋放的二氧化碳量為零，氮氧化物也為超低排放。

此外，氫燃料飛機(jī)還可以幫助飛機(jī)制造商解決機(jī)載存儲與飛機(jī)減重的問題。氫燃料電池通過在經(jīng)過特殊處理的板上混合氫和氧來產(chǎn)生電能，為電池和馬達(dá)提供動(dòng)力，這些板結(jié)合起來形成燃料電池堆。而燃料電池堆和電池使得工程師們可以大幅減少機(jī)載部件，從而減輕飛機(jī)重量。從理論上來看，在技術(shù)成熟之后，氫燃料飛機(jī)未來還可以借助液態(tài)氫儲存技術(shù)實(shí)現(xiàn)長途飛行。

早在2008年，波音就成功試飛了一架以氫燃料電池為動(dòng)力的小型飛機(jī)。但之后，由于種種原因，行業(yè)對于氫燃料的應(yīng)用熱情并不高。近兩年，國際上對于氫能在航空領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸積極起來，包括美國、歐盟和俄羅斯、中國在內(nèi)的國家和地區(qū)都啟動(dòng)了對氫燃料電池飛機(jī)的研究，以加快推動(dòng)航空業(yè)脫碳的步伐。

氫能，未來的戰(zhàn)略資源

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年碳排放減少至2005年50%的目標(biāo)將無法實(shí)現(xiàn)。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(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)的重要任務(wù)之一。

相比傳統(tǒng)能源，氫燃料的能量密度是標(biāo)準(zhǔn)航空燃料的3倍，航空業(yè)未來如果使用氫能代替?zhèn)鹘y(tǒng)石油將不但可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，同時(shí)還能有效減少其他污染物的排放量。因此，對于航空業(yè)來說，發(fā)展氫能航空技術(shù)將成為航空運(yùn)輸業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和的主要途徑，將成為航空技術(shù)發(fā)展的重要發(fā)展趨勢。

在歐洲，氫能源技術(shù)的研發(fā)更被視為一項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)。法國國際關(guān)系研究所發(fā)布的《歐盟氫能戰(zhàn)略展望》中明確指出：“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?！痹诖吮尘跋拢▏雠_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)。

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)?？梢姡瑲W洲各國對在航空業(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，國際形勢變幻莫測，提高能源自給保障能力、提升能源戰(zhàn)略安全，對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。歐洲缺乏燃煤儲量和大量使用的社會輿論環(huán)境、北海地區(qū)的油氣儲量有限、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，開拓新的增量市場和就業(yè)機(jī)會。

氫能使用的挑戰(zhàn)

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021年全球及中國氫能飛機(jī)產(chǎn)業(yè)深度研究報(bào)告》顯示，未來隨著飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)、低溫存儲技術(shù)、氫燃料提取以及專門用于氫動(dòng)力飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域技術(shù)的不斷突破，未來全球氫能飛機(jī)市場規(guī)模將在2030年左右達(dá)到70.9億美元的規(guī)模，復(fù)合年增長率達(dá)到47%。

基于動(dòng)力源劃分，氫燃料電池氫能飛機(jī)將在2030年前成為最大的細(xì)分市場。根據(jù)航程劃分，在預(yù)測期內(nèi)20公里至100公里的航段將引領(lǐng)氫能飛機(jī)市場。根據(jù)客運(yùn)量劃分，預(yù)測期內(nèi)可乘坐10名以上旅客的細(xì)分市場規(guī)模最大。這份預(yù)測報(bào)告顯示，在預(yù)測期內(nèi)歐洲有望成為氫能飛機(jī)市場增長最快的地區(qū)，該地區(qū)的空客、GKN航空航天等都有望成為這一細(xì)分市場的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)。

以空客為例，公司發(fā)布了代號為“ZEROe”的3款零排放氫能源飛機(jī)概念設(shè)計(jì)方案。盡管這3款飛機(jī)采用了不同的空氣動(dòng)力學(xué)構(gòu)型和動(dòng)力系統(tǒng)配置形式，但都采用氫能源作為主要能源。根據(jù)計(jì)劃，空客新型氫能源飛機(jī)將于2035年投入運(yùn)營，如果這一目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，將成為全球首款零排放商用飛機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)這一既定目標(biāo)，空客計(jì)劃按照“三步走”的方式進(jìn)行推進(jìn)：2021年進(jìn)行地面演示;2023年氫燃料飛機(jī)交付;將氫燃料推廣應(yīng)用到空客全系產(chǎn)品，包括直升機(jī)產(chǎn)品和其他商用飛機(jī)產(chǎn)品。今年8月，漢莎航空表示，公司對空客這一項(xiàng)目十分感興趣，如果空客能夠成功研制氫能飛機(jī)，漢莎將有意成為其啟動(dòng)用戶。

然而，盡管氫能有許多顯而易見的優(yōu)勢，但真正要用氫能替代傳統(tǒng)燃油，不僅需要飛機(jī)制造商做大量的工作，更需要行業(yè)配套企業(yè)推進(jìn)相關(guān)的工作，以配合新能源在航空業(yè)的推廣應(yīng)用。

首當(dāng)其沖的是監(jiān)管機(jī)構(gòu)的監(jiān)管將從飛行器擴(kuò)展到航空器以外。從航空器本身來說，氫能飛機(jī)由于機(jī)體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)以及燃料存儲方式與現(xiàn)有燃料相比有著顯著差異，未來氫能飛機(jī)只有在達(dá)到同等甚至更高的適航安全標(biāo)準(zhǔn)后，才能真正投入商業(yè)運(yùn)營。除了飛行器本身之外，正如歐洲航空安全局（EASA）在一次媒體發(fā)布會上所說的那樣，“利用氫能實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型還需要更多基礎(chǔ)設(shè)施保障，甚至對于監(jiān)管機(jī)構(gòu)來說，其監(jiān)管范圍可能還需擴(kuò)大到航空器以外?！睘榇耍珽ASA已經(jīng)成為了專門的科學(xué)委員會，致力于加強(qiáng)各企業(yè)、高校之間的科研合作，以解決相關(guān)技術(shù)難題。

其次，是氫能源的生產(chǎn)和存儲問題。由于氫燃料與傳統(tǒng)石油燃料有很大的不同，對于機(jī)場來說，如何低成本實(shí)現(xiàn)氫燃料的運(yùn)輸和存儲，將直接影響到航空公司未來的運(yùn)營。

目前已有的研究表明，液氫存儲罐應(yīng)采用球形或柱形，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(jì)。因此，對于飛機(jī)制造商來說，如果要采用氫能就需要引入全新的、革命性的機(jī)體設(shè)計(jì)思路，如翼身融合設(shè)計(jì)、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。

當(dāng)然，上述這項(xiàng)工作并不是飛機(jī)制造商一家能夠解決的。幾十年來，航空行業(yè)已經(jīng)對當(dāng)前渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)所需的傳統(tǒng)燃料有了全面認(rèn)識，并在生產(chǎn)、使用、存儲等各個(gè)環(huán)節(jié)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但由于氫燃料與傳統(tǒng)燃油有著本質(zhì)區(qū)別，因此如何安全、高效地使用需要監(jiān)管機(jī)構(gòu)、機(jī)場、航空公司等多方共同協(xié)作，從而實(shí)現(xiàn)管理措施、關(guān)鍵技術(shù)等方面的創(chuàng)新突破，就目前來看，氫能源相關(guān)的理論、應(yīng)用等仍有很多未知的領(lǐng)域有待突破。