绿色天空思考:氢能飞行的兴起

在不断推动更清洁、低碳客机的过程中，工程师们近年来探索了各种各样的技术途径:从改进现有的涡轮技术，到开发新的可持续燃料，甚至是应用混合动力电池系统。

但去年，在一个因COVID-19肆虐而陷入低迷的行业展望未来之际，力量平衡坚定地向一种能源载体倾斜，这种能源载体被视为我们未来能源结构中越来越重要的组成部分:氢。

虽然人们对氢的兴趣已经增长了一段时间，但最引人注目的迹象是在2020年9月空中客车公司世界上最大的飞机制造商宣布，氢燃料推进系统将是一项雄心勃勃的计划的核心，该计划将在2035年推出新的零排放商用飞机。

在一份引人注目的意向声明中，这家航空巨头公布了三架氢燃烧动力客机的概念，让人们得以一窥未来的面貌。

氢气具有与煤油相同的能量水平，产生相同类型的范围和性能，重量仅为煤油的三分之一

Grazia Vittadini，空客首席技术官

代号为“ZEROe”的三个概念包括:针对2000海里、120 - 200名乘客的涡轮风扇设计;一种较小的涡轮螺旋桨概念机，适合1000海里左右的飞行;最引人注目的是，一架看起来很有未来感的混合翼飞机展示了对低碳航空的追求可能会引发一场机身设计的革命。

空中客车公司首席技术官Grazia Vittadini在飞机的在线发布会上表示，尽管该公司对各种低碳技术仍然感兴趣，但氢现在正成为实现零排放航空的最有希望的途径。事实上，她声称，由于其令人信服的能量密度，它最终可能占民航脱碳的50%。她说:“氢气的能量水平与煤油相同，重量只有煤油的三分之一，但续航里程和性能却相同。”

当然，问题在于数量。事实上，在等能条件下，氢的体积是煤油的四倍。正如Vittadini所解释的那样，这意味着未来面临的一大挑战是坦克的设计和集成。

具体如何克服这个问题还有待决定，但空中客车的三个概念都为如何实现这一目标提供了一些建议:涡轮螺旋桨和涡轮风扇概念将机身尾部部分留出用于燃料储存，而混合机翼概念说明了未来的机身设计如何围绕这一要求发展。

Vittadini说，另一个需要降低风险并进行研究的基本组成部分是氢低温。“氢气是一种气体，在零下25c时变成液体，”她说，“所以把氢气带到这个温度，并在飞行的所有阶段保持这个温度是关键。”

她说，这些挑战和其他挑战已经在调查中，并补充说，空客的目标是在今年某个时候从零排放演示中获得初步结果。据该公司的工程副总裁Jean-Brice Dumont说，公司还需要三到五年的时间才能确定可能的候选人。

至关重要的是，空客对地球上最丰富的元素投出了信任票，这反映出整个行业的观点正在增强。克兰菲尔德大学(Cranfield University)航空航天主任、英国航空航天业资深人士伊恩·格雷(Iain Gray)教授最近告诉《工程师》杂志(the Engineer)，他越来越认为氢燃料是主要的竞争者。他说:“我非常相信氢燃料，我确实认为氢燃料在航空航天领域的时代已经到来，空客已经做出了坚定的承诺。”

他说，在航空领域，氢气也比电池有一些明显的优势，去年空客和劳斯莱斯(Rolls-Royce)联合开发的E-Fan X混合动力飞机项目被取消的决定就证明了这一点。他说:“我认为空客得出的一个有用的结论是，它表明电池和电动电池不会是A320替代型产品的长期解决方案。”“我认为他们取消它是一个勇敢的步骤，但经过反思，这可能是得出积极结论并转向氢的正确时机。”

空客零排放飞机副总裁格伦·卢埃林(Glenn Llewellyn)也认为，氢燃料现在似乎已经占据了低碳燃料的首位。他说:“我们需要一种可以使用可再生能源制造的能源载体，然后搭载在飞机上。”“我们在电池方面的经验告诉我们，电池技术并没有按照我们想要的速度发展——这就是氢的来源——它每公斤的能量是现在电池的几倍。”

与此同时，尽管空客历史上雄心勃勃的计划还需要数年时间才能实现，但作为第一家将商业规模的氢燃料客机送上天空的公司，这一殊荣属于该领域的一颗新星:美国初创公司ZeroAvia

去年夏末，在被誉为低碳飞行里程碑的时刻，一架由氢燃料电池动力系统(将空气中的氧气与油箱中的氢气结合起来形成水和电)提供动力的改装六座派珀m级飞机在该公司位于英国克兰菲尔德机场的研发基地上空升空，进入了航空史。

这次飞行是“超级飞行者”项目的一部分航空航天技术学院(ATI)资助旨在展示螺旋桨飞机低碳动力系统技术的计划。由ZeroAvia该项目还涉及英国燃料电池专家智能能源公司和欧洲海洋能源中心(EMEC)，后者已经为飞机开发了一种绿色氢加油系统。

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该公司还获得了1230万英镑的政府资金，用于后续项目HyFlyer II，该项目将使该公司开发一种经过认证的600千瓦氢电力动力系统，为最多可搭载19名乘客的机身提供动力。该项目预计将以350英里的飞行告终，使该公司离实现短途次区域和区域飞行脱碳的目标又近了一步。伦兹表示，该公司可能会准备好在2023年推出一款商业产品。

Renz解释说，和空客一样，ZeroAvia研究了许多不同的技术途径，然后得出结论，氢燃料——在这种情况下是氢电力——代表了这类飞机的最佳解决方案。他说:“电池电量不足是因为能量密度太大。”“飞机上现有的质量无法储存足够的能量。如果你看看混合电力的方法(在涡轮机中燃烧喷气燃料并驱动发电机发电)，做的研究越多，人们就越意识到成本和环境认证并没有比非常高效的涡轮发动机有实质性的改善。”

这个时候，研究小组决定氢在盒子里打勾的次数最多。“我们意识到，从成本的角度来看，它看起来非常好，因为你可以从电气化中获得维护成本的好处，从燃料的角度来看，它看起来很好，因为你可以产生零排放的氢气，而且从环境的角度来看，你没有电池回收等问题。你可以实现大约90%的生命周期减排。”

虽然ZeroAvia是一家在美国成立的公司，但值得注意的是，大部分研究活动都发生在英国。事实上，根据Renz的说法，克兰菲尔德大学的专业知识和更广泛的英国航空生态系统是使该项目启动的关键。“我们很早就意识到两件事，”他说。“首先，我们的很多供应链都在欧洲，其次，政府和潜在客户的很多兴趣都在欧洲。我们考察了整个欧洲，意识到英国在人才、与我们供应链的距离以及政府抱负方面都是最好的。”

他说，利用这种专业知识是解决一些相当基本的工程问题的关键，尤其是克服在一架相对较小的飞机上容纳燃料电池系统和储氢罐的包装挑战。他说:“我们选择的机身是为了飞得快，这通常意味着可用空间很少。在可用空间内安装燃料电池系统对我们来说是一个巨大的挑战，所以我们花了很多时间在这上面。”

另一个关键的挑战是热管理，以及寻找创新的方法来消除燃料电池产生的废热。“一个很好的经验法则是，燃料电池系统的效率是50% - 60%——每产生一瓦有用的能量，你就会产生一瓦的废热——这意味着你有相当多的废热需要处理掉，热管理真的是第二大工程挑战。”

值得注意的是，HyFlyer项目团队并没有将重点局限在飞机上，而是利用这一倡议展示了未来氢机场生态系统的关键组成部分:包括绿色制氢、储氢和加油技术。事实上，通过这个项目，EMEC已经开发出了一个端到端的加氢系统，包括一个现场生产氢气的电解槽，一个准备储存氢气的车载压缩机，以及一辆专门开发的加氢车。

Renz表示，理解和应对这些更广泛的挑战将是将该技术提升到下一个水平的关键。“今天，即使我们有商业化的产品，我们也无法销售它，因为没有航空公司能够为氢飞机提供燃料。所以我们需要开始向人们展示氢不是某种神奇的燃料，你可以在现场用电和水生产它，你可以在现场储存它。”

Iain Gray也赞同这种联合观点的重要性，并为整个行业越来越多地认识到这一点而感到鼓舞。他说:“我认为人们正在更多地考虑整个生态系统，以及如何将它们整合在一起，而不仅仅是关注飞机的点设计，这让它非常令人兴奋。”

他认为这一趋势将不可避免地推动更多跨部门合作;“这可能会推动比传统情况下更高水平的跨部门合作。航空航天业无法独自解决所有的挑战....解决方案将通过人们共同努力来实现。”

对于空客公司的Glen Llewllyn来说，这一切都为在该领域工作的工程师带来了一个非常不同的、令人兴奋的未来。他说:“就合作和跨学科合作而言，这将是一个非常令人兴奋的机会，这是我们过去从未遇到过的。”

更重要的是，尽管在推动这种根本性转变方面不可避免地会遇到挑战，但值得注意的是，该行业将能够利用氢能源在许多其他经济领域背后的现有势头。“我们在英国有一些真正的优势，”格雷说，“我们在生产和储存方面很强大，氢在运输中的使用已经深入人心。我们看到的是，航空业开始认识到自己可以发挥的优势。”

这似乎有些矛盾，但我想对即将进入航空航天领域的年轻毕业生说，现在是加入这个行业的最佳时机

伊恩·格雷教授-克兰菲尔德大学

这显然是空中客车公司感兴趣的一个因素。卢埃林说:“为了达到《巴黎协定》的目标，氢是许多行业都需要的一种能源。在未来几年里，我们将看到的规模将大大降低成本，这对航空业来说非常有趣。”

忽视这一流行病在过去12个月给民航部门带来的困难和挑战是错误的。许多在该行业工作的人失去了工作，一些依赖于该行业持续增长的组织已经不复存在。

但是，该行业推动低碳未来的动力也在不断增强，尽管存在种种问题，但这是一个令人兴奋的时刻。格雷说:“这似乎很矛盾，但我想对即将进入航空航天领域的年轻毕业生说，现在是加入这个行业的最佳时机。”“你有机会塑造事物，以不同的方式做事，并参与到将做两年前不可想象的事情的公司中。”

对于空中客车公司的Grazia Vittadini来说，毫无疑问，航空业正处于决定其低碳未来的关键时刻。而且，从目前的情况来看，氢似乎将是这一愿景的核心。她说:“有很多理由相信氢，我们估计它将在我们的航空脱碳之旅中贡献50%以上。”“它是最有前途的技术载体之一，可以让移动性继续满足人类对移动性的基本需求，并与我们的环境更加和谐.....。让子孙后代也能像我们一样享受飞行的乐趣。”