董幗雄

近兩年，綠色環(huán)保已經成為了航空業(yè)的熱門話題。一方面，飛機制造商從原材料、生產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心的話題。其中，氫能源憑借獨一無二的優(yōu)勢被認為是航空業(yè)未來實現(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的重要技術選項，同時也被視為歐洲后疫情時代實現(xiàn)低碳經濟的重要手段。

脫穎而出的氫能

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

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

從可實現(xiàn)的角度來看，航空脫碳主要依靠兩種方式。一是技術的進步。為此，過去20年，航空發(fā)動機制造商通過技術的不斷改進，來提高發(fā)動機的燃油效率。據(jù)統(tǒng)計，目前航空發(fā)動機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、材料基礎上，實現(xiàn)發(fā)動機燃油效率質的飛躍已不太現(xiàn)實。因此，新燃料成為了行業(yè)脫碳的另一個重要手段，通俗地講，就是使用新能源飛機。

與新能源汽車采用電動化的路線有所不同，航空領域更關注液體燃料的清潔化。此外，由于遠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不能達到要求。在綜合考慮這兩個因素后，氫燃料被寄予厚望。這主要是因為氫氣所產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，氫燃料飛機還可以幫助飛機制造商解決機載存儲與飛機減重的問題。氫燃料電池通過在經過特殊處理的板上混合氫和氧來產生電能，為電池和馬達提供動力，這些板結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載部件，從而減輕飛機重量。從理論上來看，在技術成熟之后，氫燃料飛機未來還可以借助液態(tài)氫儲存技術實現(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力的小型飛機。但之后，由于種種原因，行業(yè)對于氫燃料的應用熱情并不高。近兩年，國際上對于氫能在航空領域的應用逐漸積極起來，包括美國、歐盟和俄羅斯、中國在內的國家和地區(qū)都啟動了對氫燃料電池飛機的研究，以加快推動航空業(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）的預測，基于現(xiàn)有傳統(tǒng)航空技術的進步，航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及2050年碳排放減少至2005年50%的目標將無法實現(xiàn)。因此，發(fā)展可持續(xù)航空技術，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)實現(xiàn)碳減排目標的重要任務之一。

相比傳統(tǒng)能源，氫燃料的能量密度是標準航空燃料的3倍，航空業(yè)未來如果使用氫能代替?zhèn)鹘y(tǒng)石油將不但可以實現(xiàn)二氧化碳零排放，同時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)展氫能航空技術將成為航空運輸業(yè)實現(xiàn)碳中和的主要途徑，將成為航空技術發(fā)展的重要發(fā)展趨勢。

在歐洲，氫能源技術的研發(fā)更被視為一項戰(zhàn)略任務。法國國際關系研究所發(fā)布的《歐盟氫能戰(zhàn)略展望》中明確指出：“一項穩(wěn)健、成本效益高的歐洲氫能戰(zhàn)略將成為歐盟經濟復蘇計劃的支柱，并加速歐洲經濟體的脫碳進程?！痹诖吮尘跋?，法國出臺了高達150億歐元的航空業(yè)支持計劃。計劃明確提到，政府在未來5年內將每年投入15億歐元資助企業(yè)進行技術研發(fā)，而最具優(yōu)先權的項目就是2035年實現(xiàn)零碳排放的綠色飛機計劃。法國政府希望這一計劃不僅能夠幫助法國航空業(yè)領先其美國競爭對手，更能夠帶動該領域所涉及的1300多家企業(yè)的發(fā)展。這一“綠色飛機”發(fā)展計劃希望空客能夠在2030年左右推出A320系列飛機的繼任者，技術目標是實現(xiàn)燃油消耗降低30%，2035年左右推出零排放的氫能飛機。

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)略將支持在飛機推進和混合動力飛行中使用氫氣。同時，德國政府還考慮在航空燃料中強制規(guī)定氫能的使用比例，不過該計劃目前尚未有明確的時間表。

與此同時，歐盟也在區(qū)域內領導全面建設氫能經濟，包括地面交通、工業(yè)制造等。2019年，西門子和阿爾斯通已經開始試運行氫燃料電池火車，奔馳公司也在今年9月公布了新的車型計劃，計劃在2023年與合作伙伴開始試運行氫燃料電池重卡，2025年實現(xiàn)量產?？梢?，歐洲各國對在航空業(yè)使用氫能已經達成了一致。

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，能源結構的轉型或許是更深層次的考慮。當今，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。如果仔細分析歐洲現(xiàn)有的能源結構，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，歐盟選擇氫能進行能源結構轉型也就不難理解了。此外，對于歐洲各國來說，如果此次能源結構轉型能夠獲得成功的話，將帶動區(qū)域內相關科技研發(fā)、經濟發(fā)展和GDP的增長，開拓新的增量市場和就業(yè)機會。

氫能使用的挑戰(zhàn)

根據(jù)新思界產業(yè)研究中心發(fā)布的《2021年全球及中國氫能飛機產業(yè)深度研究報告》顯示，未來隨著飛機推進系統(tǒng)、低溫存儲技術、氫燃料提取以及專門用于氫動力飛機的結構設計等領域技術的不斷突破，未來全球氫能飛機市場規(guī)模將在2030年左右達到70.9億美元的規(guī)模，復合年增長率達到47%。

基于動力源劃分，氫燃料電池氫能飛機將在2030年前成為最大的細分市場。根據(jù)航程劃分，在預測期內20公里至100公里的航段將引領氫能飛機市場。根據(jù)客運量劃分，預測期內可乘坐10名以上旅客的細分市場規(guī)模最大。這份預測報告顯示，在預測期內歐洲有望成為氫能飛機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分市場的領導企業(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概念設計方案。盡管這3款飛機采用了不同的空氣動力學構型和動力系統(tǒng)配置形式，但都采用氫能源作為主要能源。根據(jù)計劃，空客新型氫能源飛機將于2035年投入運營，如果這一目標實現(xiàn)，將成為全球首款零排放商用飛機。為了實現(xiàn)這一既定目標，空客計劃按照“三步走”的方式進行推進：2021年進行地面演示;2023年氫燃料飛機交付;將氫燃料推廣應用到空客全系產品，包括直升機產品和其他商用飛機產品。今年8月，漢莎航空表示，公司對空客這一項目十分感興趣，如果空客能夠成功研制氫能飛機，漢莎將有意成為其啟動用戶。

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，不僅需要飛機制造商做大量的工作，更需要行業(yè)配套企業(yè)推進相關的工作，以配合新能源在航空業(yè)的推廣應用。

首當其沖的是監(jiān)管機構的監(jiān)管將從飛行器擴展到航空器以外。從航空器本身來說，氫能飛機由于機體結構、動力系統(tǒng)以及燃料存儲方式與現(xiàn)有燃料相比有著顯著差異，未來氫能飛機只有在達到同等甚至更高的適航安全標準后，才能真正投入商業(yè)運營。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，“利用氫能實現(xiàn)綠色轉型還需要更多基礎設施保障，甚至對于監(jiān)管機構來說，其監(jiān)管范圍可能還需擴大到航空器以外?！睘榇?，EASA已經成為了專門的科學委員會，致力于加強各企業(yè)、高校之間的科研合作，以解決相關技術難題。

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

目前已有的研究表明，液氫存儲罐應采用球形或柱形，而傳統(tǒng)機翼油箱不適宜儲存液氫燃料。因此，對于中短程客機而言，需要對現(xiàn)有機體結構進行調整或重新設計。因此，對于飛機制造商來說，如果要采用氫能就需要引入全新的、革命性的機體設計思路，如翼身融合設計、箱式機翼結構等，以達到提高飛機內部空間結構利用率的目的。

當然，上述這項工作并不是飛機制造商一家能夠解決的。幾十年來，航空行業(yè)已經對當前渦輪發(fā)動機所需的傳統(tǒng)燃料有了全面認識，并在生產、使用、存儲等各個環(huán)節(jié)積累了豐富的經驗。但由于氫燃料與傳統(tǒng)燃油有著本質區(qū)別，因此如何安全、高效地使用需要監(jiān)管機構、機場、航空公司等多方共同協(xié)作，從而實現(xiàn)管理措施、關鍵技術等方面的創(chuàng)新突破，就目前來看，氫能源相關的理論、應用等仍有很多未知的領域有待突破。