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中國(guó)航空?qǐng)?bào)訊：中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心（以下簡(jiǎn)稱“發(fā)展中心”）長(zhǎng)期跟蹤研究飛行器新能源、新技術(shù)等的發(fā)展，2019年支撐中國(guó)航空研究院編制發(fā)布了《電動(dòng)飛機(jī)發(fā)展白皮書》。近日，在歐盟框架計(jì)劃資助下聯(lián)合完成的《2050年前氫動(dòng)力航空的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和氣候影響：一項(xiàng)基于事實(shí)的研究》研究報(bào)告（簡(jiǎn)稱《氫動(dòng)力航空》報(bào)告）發(fā)布，為了更好地了解和掌握氫能在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景和技術(shù)路線，發(fā)展中心聯(lián)合中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心（曾聯(lián)合國(guó)電投中央研究院開發(fā)“靈雀H”氫能源無人機(jī)并成功試飛）和太原理工大學(xué)航空航天研究院產(chǎn)業(yè)政策研究所對(duì)該報(bào)告進(jìn)行了編譯研究和解讀。
2020年5月，在歐盟“地平線2020”（H2020）科研與創(chuàng)新框架計(jì)劃資助下，麥肯錫公司與“潔凈天空2聯(lián)盟”和“燃料電池與氫能2聯(lián)盟”合作，發(fā)布了《氫動(dòng)力航空》報(bào)告。該報(bào)告在調(diào)研24家領(lǐng)先企業(yè)和相關(guān)機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上，給出了氫動(dòng)力航空的可行性以及對(duì)經(jīng)濟(jì)和氣候影響方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，目的是全面了解氫能應(yīng)用方面的技術(shù)和工業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，為未來氫能在航空領(lǐng)域應(yīng)用提供建議。
《氫動(dòng)力航空》研究是歐盟“潔凈天空”航空減排總體規(guī)劃的一部分，研判了基于氫燃料的運(yùn)輸航空的技術(shù)可行性、機(jī)型設(shè)計(jì)路線、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境影響。隨著人類航空活動(dòng)的發(fā)展，其對(duì)全球氣候變化的影響也日益顯著。世界主要經(jīng)濟(jì)體都紛紛推出了旨在降低和消除碳排放的行動(dòng)計(jì)劃，發(fā)展和使用氫能是重要方向之一。歐盟在應(yīng)對(duì)氣候變化和環(huán)境保護(hù)方面一直走在世界前列，《氫動(dòng)力航空》研究報(bào)告對(duì)我國(guó)氫動(dòng)力航空研究具有重要的參考價(jià)值。
研究背景脫碳是航空業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)。航空業(yè)每年排放的二氧化碳超過9億噸。假設(shè)每年工業(yè)增長(zhǎng)3%到4%，燃油效率提高2%，到2050年排放量將增加一倍以上。在同一時(shí)期，航空運(yùn)輸行動(dòng)小組（ATAG）承諾到2050年將二氧化碳排放量減少50％(與2005年相比)，歐盟（EU）在綠色協(xié)議中設(shè)定了碳中立的目標(biāo)。除了二氧化碳，飛機(jī)排放的氮氧化物(NOx)、煙塵和水蒸氣，凝結(jié)產(chǎn)生尾跡和卷云，也會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生較大影響，因此，航空業(yè)對(duì)全球變暖的“全部貢獻(xiàn)”遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于僅僅二氧化碳排放量的影響。
航空脫碳需要新的燃料和推進(jìn)技術(shù)。為了降低對(duì)氣候的影響，首先，航空業(yè)基于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行漸進(jìn)式改進(jìn)，燃油效率平均每年提高2%，與過去20年相比，當(dāng)前的改進(jìn)速度已顯著加快。雖然高鐵等其他交通方式是降低碳排放的一種有效模式，但只能替代通勤、支線等短程飛機(jī)，且這種短程飛行的碳排放量不足航空業(yè)碳排放總量的5%。其次，航空業(yè)必須做出根本性的變革。為了真正實(shí)現(xiàn)脫碳，航空業(yè)需要新的低碳推進(jìn)技術(shù)和/或新燃料，作為對(duì)先進(jìn)煤油推進(jìn)系統(tǒng)和其他改進(jìn)措施的補(bǔ)充，主要包括可持續(xù)航空燃料和新的推進(jìn)技術(shù)?？沙掷m(xù)航空燃料（SAF）包括生物燃料和合成燃料（synfuel）。新的推進(jìn)技術(shù)包括電池和渦輪發(fā)電技術(shù)，以及氫渦輪和氫燃料電池電動(dòng)技術(shù)。
氫動(dòng)力在航空脫碳中起著關(guān)鍵作用。針對(duì)歐盟委員會(huì)制定的2050年目標(biāo)，《氫動(dòng)力航空》報(bào)告評(píng)估了氫能推進(jìn)技術(shù)在航空脫碳方面的最新技術(shù)水平和發(fā)展?jié)摿?。?bào)告指出：在航空脫碳要求下，氫能驅(qū)動(dòng)有潛力成為未來航空動(dòng)力技術(shù)組合的主要部分；作為一項(xiàng)顛覆性創(chuàng)新，該技術(shù)的發(fā)展需要大量研發(fā)、投資和配套監(jiān)管措施。
部分研究成果對(duì)氫能飛機(jī)可行性的評(píng)估表明，盡管這些飛機(jī)需要重大的技術(shù)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的革新，但它們有潛力成為短程和中程飛行的領(lǐng)先推進(jìn)系統(tǒng)。然而，對(duì)于載客量超過250人，飛行距離超過10000千米的遠(yuǎn)程飛行而言，液態(tài)氫儲(chǔ)罐的額外重量使得氫能成為不切實(shí)際的選擇。在維持當(dāng)前空中交通模式的前提下，除非對(duì)遠(yuǎn)程飛機(jī)進(jìn)行革命性的先進(jìn)設(shè)計(jì)，才能確保氫能是最好的選擇，否則合成燃料似乎是通向脫碳道路的更好選擇。
氫能是通航、中短程飛機(jī)的最佳推進(jìn)燃料，合成燃料則為遠(yuǎn)程飛機(jī)的最佳推進(jìn)燃料。從氣候影響、飛機(jī)設(shè)計(jì)、飛機(jī)運(yùn)行、機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、燃料供應(yīng)鏈和成本等幾個(gè)方面綜合考慮，評(píng)估氫和合成燃料的因素。從經(jīng)濟(jì)角度來看，中短途航班采用氫能推進(jìn)對(duì)減輕氣候影響的效果可能會(huì)超過合成燃料。
由于航空業(yè)目前只測(cè)量二氧化碳排放量，氫能推進(jìn)和直接空氣捕獲中得到的合成燃料都將確保航空業(yè)可以完全脫碳。盡管如此，對(duì)于通勤飛機(jī)到中程飛機(jī)，氫能推進(jìn)仍然是比合成燃料更經(jīng)濟(jì)的選擇。
氫在航空脫碳中的作用表明，到2050年，其減排潛力可能達(dá)到45%~50％。對(duì)于“有效脫碳”情景，從通勤飛機(jī)到短程飛機(jī)等子類以及50%的中程飛機(jī)都將被氫能飛機(jī)所取代，氫能飛機(jī)在首次投入使用后將作為最具成本效益的脫碳手段。按照典型的替換率，到2050年，40%的飛機(jī)將改用液氫；剩余飛機(jī)將使用合成燃料和/或生物燃料。對(duì)于“最大脫碳”情景，所有技術(shù)上可由氫動(dòng)力替代的飛機(jī)將在最早投入使用日期進(jìn)行替換。在這種情況下，按照標(biāo)準(zhǔn)的替換率，到2050年，60%的飛機(jī)將改用液氫，而剩下的飛機(jī)將使用合成燃料和/或生物燃料?；谏鲜銮榫?，估算出氫能航空未來潛在的CO2當(dāng)量減排量。采用不同推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行估計(jì)，完全的CO2當(dāng)量影響,2050年c02當(dāng)量總排放量約27億噸，“有效脫碳”情景將使排放量預(yù)計(jì)減少18億噸。該降低幅度比基準(zhǔn)方案的預(yù)期降低幅度大45％。在基準(zhǔn)方案下，僅對(duì)飛機(jī)進(jìn)行了有效改進(jìn)。在“最大脫碳”情景下，CO2當(dāng)量排放量將減少約30億噸，與傳統(tǒng)飛機(jī)僅提高效率的基準(zhǔn)情景相比減少了50%。在這兩種情景中，歐盟和航空運(yùn)輸行動(dòng)小組的碳減排目標(biāo)都將實(shí)現(xiàn)。
提出的發(fā)展建議到2050年，氫能有可能成為推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，并在航空脫碳中發(fā)揮關(guān)鍵作用。新穎而具有顛覆性的飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)創(chuàng)新與氫技術(shù)相結(jié)合，有助于將飛行對(duì)全球變暖的影響降低50%~90%。此外，這些創(chuàng)新可以幫助實(shí)現(xiàn)歐盟綠色協(xié)議中制定的大幅減少航空排放的目標(biāo)。為此，需要更進(jìn)一步地開展研究、創(chuàng)新和開發(fā)活動(dòng)，以開發(fā)潛在技術(shù)，將其集成到飛機(jī)上，并開發(fā)必要的基礎(chǔ)設(shè)施。
一是立即啟動(dòng)氫推進(jìn)技術(shù)研究的必要性。研究發(fā)現(xiàn)，氫作為一種主要的推進(jìn)能源，可以用于燃料電池，在熱（燃?xì)鉁u輪）發(fā)動(dòng)機(jī)中直接燃燒，也可以作為合成液體燃料的組成部分，并有望在2035年之前為短程飛機(jī)提供可行的動(dòng)力。在短途飛行中，每人多花費(fèi)不到18歐元，并對(duì)氣候的影響降低50％~90％，在未來的飛機(jī)和推進(jìn)技術(shù)組合中，氫能將發(fā)揮核心作用。
這種顛覆性創(chuàng)新需要大量的飛機(jī)研發(fā)、燃料電池技術(shù)和液氫罐的進(jìn)一步開發(fā)，還需要對(duì)機(jī)隊(duì)和氫基礎(chǔ)設(shè)施以及相關(guān)法規(guī)和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行投資，以確保安全、可靠和經(jīng)濟(jì)的氫動(dòng)力飛機(jī)能夠飛上天空。行業(yè)專家預(yù)計(jì)，要取得這些重要的進(jìn)展將需要10~15年的時(shí)間，因此研究需要立即開始。該研究估計(jì)，如果對(duì)研究與創(chuàng)新（R&I）投入足夠的資金，第一架短程氫動(dòng)力驗(yàn)證機(jī)有望在2028年被研發(fā)出來。
氫作為機(jī)載能源的技術(shù)挑戰(zhàn)和獨(dú)特特性使其最適合通勤，支線，短程和中程飛機(jī)。在未來幾十年里，長(zhǎng)途航空旅行很可能以液態(tài)碳?xì)淙剂蠟榛A(chǔ)；但是這些燃料也越來越需要可持續(xù)發(fā)展，其生產(chǎn)也將依賴于氫。據(jù)《氫動(dòng)力航空》報(bào)告描述，需要采取以下政策行動(dòng)：制定航空路線圖，指導(dǎo)行業(yè)過渡。需要設(shè)定明確的目標(biāo)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，克服市場(chǎng)失靈，并鼓勵(lì)先行者。大幅增加長(zhǎng)期的R&I活動(dòng)和資金。為技術(shù)發(fā)展帶來法律和財(cái)務(wù)的確定性。長(zhǎng)期的政策框架應(yīng)該為該行業(yè)制定保障措施，包括如何衡量氣候影響以及如何實(shí)施路線圖。歐盟可以首先在其管轄范圍內(nèi)的通勤、支線和短程航班中實(shí)施，而后與國(guó)際合作伙伴一起將其擴(kuò)展到中遠(yuǎn)程機(jī)型。
總而言之，氫能驅(qū)動(dòng)在降低航空業(yè)對(duì)氣候的影響和實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)方面具有重大的、卻被低估的潛力。為了挖掘這種潛力，我們必須全面開發(fā)和部署新技術(shù)。加速開發(fā)和創(chuàng)新，將航空領(lǐng)域和航空業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)更加高效和脫碳的未來。
二是研究與創(chuàng)新技術(shù)路線圖。R&I活動(dòng)既為行業(yè)路線圖和長(zhǎng)期政策框架奠定了基礎(chǔ)，也加速了氫能飛機(jī)相關(guān)技術(shù)研發(fā)進(jìn)度。基于對(duì)氫能技術(shù)的可行性分析、關(guān)鍵的成本驅(qū)動(dòng)因素、不確定性以及引入壁壘，可劃分為四個(gè)領(lǐng)域：核心氫能組件的開發(fā)、氫能飛機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)（包括新飛機(jī)設(shè)計(jì)）、明確基礎(chǔ)設(shè)施壁壘以及建立治理框架。這些領(lǐng)域都要包含認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)化工作，提供明確指導(dǎo)，以此推動(dòng)R&I，并且還需要民航認(rèn)證機(jī)構(gòu)參與。
關(guān)鍵研究活動(dòng)可分為三個(gè)階段：2020年至2028年：發(fā)展基礎(chǔ)性技術(shù)，促使通勤飛機(jī)通過認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)支線和短程氫能飛機(jī)成功試飛，并制定路線圖和基礎(chǔ)工作體系，從安全到市場(chǎng)激活機(jī)制等方方面面提供保障。2028年至2035年：R&I活動(dòng)應(yīng)集中于擴(kuò)大這些組件的規(guī)模，將其應(yīng)用于中程飛機(jī)，并使其準(zhǔn)備投入使用，同時(shí)也為氫能航空的再次發(fā)展做好準(zhǔn)備，其中包括安全和高效的機(jī)場(chǎng)氫加注設(shè)施。2035年到2050年：必須為中型和可能的遠(yuǎn)航程開發(fā)概念機(jī)和首批原型機(jī)，包括新的革命性飛機(jī)設(shè)計(jì)以及用于大規(guī)模燃料供應(yīng)和氫能快速加注新技術(shù)。
