電氣化已成為航空產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)綠色轉型的關鍵途徑之一。隨著電動飛機產(chǎn)品研發(fā)的不斷推進，為電動飛行的市場化運營提供合適的配套支持已成為航空產(chǎn)業(yè)后續(xù)發(fā)展的又一個重點。

在綠色航空發(fā)展愿景的推動下，電動航空正處于強勁發(fā)展的新階段。得益于過去10年電池和材料等領域的巨大技術進步，電氣化進程已經(jīng)從地面交通向空中飛行快速延伸。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當前大約有100個電動飛機項目正在研發(fā)中，商業(yè)化電動飛行有望在未來5～10年成為現(xiàn)實。不過，為了使電動航空真正成為傳統(tǒng)航空的可行替代方案，僅依靠滿足適航規(guī)章要求的電動飛機產(chǎn)品是遠遠不夠的，充電設施改造和電力能源供應等相關產(chǎn)業(yè)配套支持同樣至關重要，航空電氣化轉型所伴隨的市場運營模式調(diào)整開始受到業(yè)界的廣泛關注。

電池與充電

作為民航運營不可或缺的基礎設施，機場必須確保能夠以安全和有效的方式處理電動飛機，這自然就涉及到針對電動飛機的適應性改造。事實上，在最初開展機場基礎設施設計的時候，十多種相關的飛機特性指標都被納入統(tǒng)籌考量，而為了識別電動飛機的潛在影響，應檢查這些特性較常規(guī)飛機是否發(fā)生變化，指標參數(shù)的上升則意味著機場基礎設施很可能會出現(xiàn)服務能力不足的情況。例如，在相同的推力下，較長的翼展能產(chǎn)生較低的誘導阻力和較大的升力，有助于飛行效率的提升，但這無疑會對飛機在機場的使用與存放空間提出更高的要求。

典型電動飛機研發(fā)計劃與投放市場預期

電動飛機較常規(guī)飛機的特性差異

電動飛行屬于全新的業(yè)務領域，為降低不可預期的研發(fā)和運營風險，在設計那些2030年前可能投放市場的產(chǎn)品時較為慎重，如翼身融合布局、桁架式可折疊機翼等超前的設計方案并未被采用以減輕對機場基礎設施的影響，與同尺寸常規(guī)飛機相比，電動飛機的大部分特性得以維持，甚至由于電推進系統(tǒng)自身的性能優(yōu)勢某種程度上降低了對機場運營環(huán)境的要求。然而，電動飛行的航班流量、轉場時間和電力供應卻是無法回避的問題，僅相當于航空燃料能量密度2%的電池無法支撐大負載電動飛行，目前只有小型電動飛機具備技術可行性，嚴格限制的飛行距離導致頻繁地在中轉機場起降補電，原本可以用一架常規(guī)飛機執(zhí)飛的運力被分配給多架電動飛機、多次中繼才能完成，同時機場現(xiàn)有的電源系統(tǒng)不是專門為電動飛機設計的，如果小型飛機的中轉充電時間過長，其商業(yè)前景可能面臨很大困難。

以以色列埃維亞申（Eviation）公司研發(fā)的愛麗絲（Alice）和瑞典Heart公司的ES-19電動飛機為例，前者可運載9名旅客和2名機組成員，航程約為800km，于2022年9月完成試飛，預計2027年前實現(xiàn)交付；后者可容納19名旅客完成400km的飛行，計劃2026年開始運營，已獲得數(shù)百架訂單?？紤]到電量安全裕度和電量較高時充電速度減慢的情況，電動飛機充電狀態(tài)（SOC）往往會被設定為30%～90%，根據(jù)通常情況下小型飛機轉場時間不超過30min的一般性假設，充電設施的輸出功率要達到1MW才能滿足要求，但通常機場配備的地面輸電設備（GPU）容量不過90kW，即便是當前特斯拉公司的第三代汽車超級快充功率也只有250kW。如果保守地認為5年后400kW的充電設備得到普及應用，則0.5h內(nèi)充入的電量可滿足愛麗絲飛行200km的需求，這一續(xù)航里程恰好與10年前問世的很多電動汽車持平。而對于運載能力更強的ES-19電動飛機，同樣是200km的航程需要將充電功率進一步提升到900kW以上。

先進的電池系統(tǒng)和充電基礎設施是未來航空電氣化轉型的關鍵，但即使是當前不盡如人意的電池系統(tǒng)和只針對小型飛機的短途飛行，現(xiàn)有充電基礎設施也可能無法發(fā)揮其最大效能，峰值功率要求越高，充電基礎設施系統(tǒng)就會越復雜，兆瓦級及更大功率快速充電裝置的研發(fā)顯得十分緊迫，電纜、配電板和變壓器等也需要進行調(diào)整。很多初創(chuàng)公司和汽車配套供應商已投身這一領域，其中關注度最高當屬美國能源公司CharIN面向重型車輛研發(fā)的兆瓦級充電系統(tǒng)（MCS），在2022年年中展示的原型設備峰值功率達到了驚人的3.75MW，相關制式標準預計會在2024年后正式發(fā)布。此外，未來潛在的解決方案還包括多個獨立電池組并行充電、全流程無線充電以及液態(tài)納米燃料電池（通過換液快速補電）等。當然，充電電纜冷卻、可移動充電接口和電磁屏蔽等問題也需要同步考慮。

愛麗絲和ES-19電動飛機主要參數(shù)

愛麗絲電動飛機概念

ES-19電動飛機概念

特別值得一提的是，用充滿電的電池替換耗盡能量的電池，即所謂的電池交換模式已在電動汽車領域得到了一定的應用，理論上能克服充電時間和環(huán)境溫度（鋰離子電池一般為5～45℃）的限制，這樣看起來對航空運營商非常有吸引力，但在機場建設電池交換站需要的場地空間比常規(guī)充電設備大得多，航空電池的尺寸和質(zhì)量也不可與汽車電池相提并論，安全檢查和更換電池仍然需要相當長的時間，而且為了使飛機電池容易拆卸需要對機體和電池系統(tǒng)進行標準化特定設計，這帶來了更大的適航認證挑戰(zhàn)。業(yè)界普遍認為，至少在未來幾年常規(guī)插入式充電仍是電動飛機運營最為可行的選擇。

機場能源供應

電動飛機在機場通過充電裝置補充能量，那么機場的電能又從何而來？像之前那樣從電網(wǎng)中提取電能時可能會出現(xiàn)一些新的情況，多架電動飛機同時快速充電的峰值功率將極大增加電網(wǎng)的負荷，大量計劃外的用電會引起供電質(zhì)量波動、電壓不穩(wěn)定和能量損失增加。對此，只能激勵運營商將本應在波峰時段使用的能源分配到波谷時段，白天盡可能按照依次飛行、輪序充電、適度使用和隨用隨充的方式部署，晚上可通宵進行完全充電，既為第二天的飛行任務做準備，也有助于保持電池的使用壽命。但在不顯著增加機隊規(guī)模的前提下，這無疑會增加航班規(guī)劃調(diào)度的復雜性并降低旅客的飛行舒適度體驗。

作為對電網(wǎng)供電的積極補充，未來機場也可利用周邊閑置的土地進行分布式發(fā)電，甚至還可在電動飛機不需要充電的時候為附近的社區(qū)與商圈提供服務。立足可持續(xù)發(fā)展的根本出發(fā)點，機場發(fā)電的方式可能是太陽能、風能或者水能。由于受到當?shù)貧夂蛱匦院吞鞖庾兓绊戄^大，不是每個地方都適合建設，也很難做到連續(xù)供能，因此有必要安裝配套的儲能系統(tǒng)，像“電力銀行”那樣調(diào)節(jié)機場電網(wǎng)的峰值功率。根據(jù)荷蘭機場咨詢公司（NACO）的相關報告，假設1m2的太陽能電池板產(chǎn)生的峰值功率為200W，實際應用時的轉化率取75%，則400kW充電載荷對應的太陽能充電板面積為3000 m2，若面向ES-19電動飛機900kW的快充需求，配套的太陽能充電板幾乎能覆蓋一個標準足球場。

顯然無論是沿用現(xiàn)有電網(wǎng)供電還是機場自建發(fā)電設施，這都只是應對中短期小型電動飛機市場運營的權宜之計。從后疫情時代航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來看，2030年前建設電動飛機專用的機場和發(fā)電站的可能性似乎很小，但隨著兆瓦級充電設施的成熟普及和電動飛機機隊規(guī)模的增長，機場電網(wǎng)也必須進行相當程度的更新和升級，更好地將傳統(tǒng)電能和可再生電能結合起來，具備足夠的魯棒性以應對峰值負載。這需要政府部門在城市建設中提前規(guī)劃、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)并提供足夠的資金支持。未來相當長的一段時間內(nèi)，機場可能會同時為傳統(tǒng)航空燃料/可持續(xù)航空燃料、電動乃至氫動力飛機提供運營支持，涉及的多種能源組合管理問題也應當引起足夠的重視。

經(jīng)濟性分析

目前還很難預測電動飛行市場早期的商業(yè)模式，不過較為肯定的一點是機場將比航空公司和第三方電力機構更早建設并運營充電基礎設施。瑞典運輸管理局的調(diào)查結果認為，充電站的投資成本約為500歐元/kW，即建設一個400kW的機場充電系統(tǒng)將花費200萬歐元，如果輸出功率達到900kW，那么相關費用還將翻番。2021年年底，NACO公司對荷屬加勒比小島機場電氣化改造方案進行了評估，在電纜布置和電網(wǎng)連接、充電站土方工程、整流器/配電板/接口等充電系統(tǒng)，以及儲能系統(tǒng)安裝費用的基礎上再增加30%的風險系數(shù)以反應島嶼施工的復雜性，最終形成的400kW充電站建設成本為100萬歐元。NACO公司表示，由于缺乏具體的設計文檔的支持，估算結果可能會有50%的偏差，同時這一價格也不是絕對普適的，很大程度上取決于當?shù)鼗A設施建設水平和對已有電網(wǎng)的改建需求。

從實際運營的角度出發(fā)，假設兩個相距200km的通航機場之間每年的電動飛行航班為2000架次，機隊由3架9座愛麗絲電動飛機組成，每次起飛前由410kW的充電設備充電30min，若到2035年前電價保持0.23歐元 /（kW·h）不變，則全年的直接電費約為9.43萬歐元，由于充電設備還要繳納每月8.23歐元 /（kV·A）的固定費用，機場年度電力賬單合計為13.5萬歐元。如果單次航班上座率為81%，電動飛行每人每單位距離的能源成本為0.0154歐元。作為對比，同等座級的單發(fā)渦槳飛機PC-12在巡航狀態(tài)下的燃料消耗約為6.3L/km，考慮到起飛降落階段的額外燃料消耗將該值翻一番，當航空燃料的價格為1歐元/L時，PC-12執(zhí)行同樣的航線對應的單位能源成本則為0.0217歐元。事實上，電動飛行還有一個不可忽視的間接成本就是電池更換。動力電池在全生命周期內(nèi)大概能夠完成1000次完全充電和放電循環(huán)，由于像愛麗絲這樣的電動飛機每次飛行距離不超過最大航程的25%，假定電池支持的完整電力循環(huán)能夠增加1倍。當動力電池成本為150歐元 /（kW·h）時，愛麗絲配裝的820kWh電池估價12.3萬歐元，對應單次飛行的折舊成本為61.5歐元，折合到每人每單位距離約0.011歐元，相當于直接使用成本的三分之二，基本與小型渦槳發(fā)動機的日常維護費用持平。

目前，業(yè)內(nèi)關于電動飛行的經(jīng)濟性討論還在繼續(xù)，不同研究機構基于不同的測算方法和假設，對于不同電動飛機型號在不同使用場景下的經(jīng)濟性結論存在一定的差異，特別是后疫情時代愈演愈烈的俄烏沖突極大地影響了全球能源供應形勢，起伏不定的燃油和電力價格加大了相關分析的難度。較為主流的觀點是，到2030年左右電動飛機的綜合運營成本較常規(guī)飛機能夠降低50%～70%，這固然是航空產(chǎn)業(yè)令人激賞的進步，但也必須要承認還是與人們對電動飛行的期待存在一定的差距，要知道使用電動汽車的花費可能僅相當于燃油汽車的八分之一乃至十分之一。同時，高昂的新機采購價格（如ES-19售價約為同等座級的渦槳飛機比奇1900D的1倍）、有價無市的二手產(chǎn)品交易和先期巨大的機場基礎設施改造投資進一步放大了運營電動飛機的經(jīng)濟風險，在市場運營初期如果沒有政府的政策和資金支持，很難想象只憑借航空業(yè)自身的力量如何去克服這些困難。

結束語

隨著航空業(yè)積極地探索航空電氣化的新未來，新一代航空電推進產(chǎn)品呼之欲出，電動飛行產(chǎn)業(yè)鏈開始逐步從設計生產(chǎn)到運營服務延伸拓展。一方面，現(xiàn)有電源系統(tǒng)可能無法完全滿足電動飛行的用能需求，除了優(yōu)化航班時刻表、分散充電峰值載荷外，在機場安全管理法規(guī)要求的框架下啟動專門的機場充電設備建設、電力擴容改造勢在必行，并可嘗試在機場附近配置相應的儲能系統(tǒng)；另一方面，在市場起步階段有必要加大對各個環(huán)節(jié)的補貼力度，綜合衡量電動飛行的投資成本、運營成本、收入潛力和社會影響等，盡快形成清晰的商業(yè)案例來明確其替代價值，在繁榮相關市場活動的同時達到吸引各界資本進入電動飛行領域的目的。