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來源：全球起重機(jī)械網(wǎng)
近期，歐盟氫能與燃料電池聯(lián)合行動計劃(FCH)發(fā)布《氫動力航空：到2050年氫技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和氣候影響》報告，評估了氫能在促進(jìn)航空脫碳方面的潛力，提出了氫動力航空的研發(fā)路線圖建議。報告指出，氫能可在未來經(jīng)濟(jì)低碳的航空動力中發(fā)揮核心作用，但需盡快加強(qiáng)研發(fā)和創(chuàng)新以實現(xiàn)這一潛力。為此，報告提出了到2050年的研究創(chuàng)新路線圖及各階段研發(fā)重點，以助力歐洲實現(xiàn)氣候中性航空。主要內(nèi)容如下：
一、氫動力航空是實現(xiàn)歐洲碳中性航空的關(guān)鍵
氫動力航空有潛力成為未來航空技術(shù)組合的主要部分，主要體現(xiàn)在：①氫動力航空可顯著減少對氣候的影響，使用氫作為燃料可減少航空部門50%-75%的氣候影響，使用燃料電池作為動力可減少75%-90%;②氫動力飛機(jī)是最適合通勤、區(qū)域、短程和中程的飛機(jī)，其所避免的碳排放所花費的成本遠(yuǎn)低于對合成燃料飛機(jī)進(jìn)行碳捕集的成本;③如果將氫動力飛機(jī)部署在脫碳成本較高的領(lǐng)域，到2050年氫動力飛機(jī)將占所有飛機(jī)的40%，航空業(yè)的氫需求將增至4000萬噸/年。
二、氫動力航空研發(fā)路線圖建議
報告建議應(yīng)分三個階段進(jìn)行氫動力航空技術(shù)研究和創(chuàng)新，包括：
第一階段(2020-2028年)：發(fā)展技術(shù)基礎(chǔ)，使氫動力通勤飛機(jī)通過認(rèn)證，試點區(qū)域和短距離氫動力飛機(jī)，并為從安全到市場激活機(jī)制等各方面法規(guī)制定路線圖和基礎(chǔ)工作體系。
第二階段(2028-2035年)：重點進(jìn)行擴(kuò)大組件規(guī)模的研發(fā)活動，將其應(yīng)用到中程飛機(jī)，并為其投運做好準(zhǔn)備，同時也為氫動力航空的第二波發(fā)展做好準(zhǔn)備，包括安全和高效的機(jī)場加氫設(shè)施。
第三階段(2035-2050年)：開發(fā)中遠(yuǎn)程氫能飛機(jī)的概念和首批原型機(jī)，包括新型變革型飛機(jī)設(shè)計及大規(guī)模燃料供應(yīng)和快速加氫的新技術(shù)。
基于當(dāng)前技術(shù)的可行性分析、關(guān)鍵成本驅(qū)動因素、不確定性和應(yīng)用障礙，對氫動力航空的研究創(chuàng)新重點關(guān)注四個領(lǐng)域：氫動力推進(jìn)關(guān)鍵組件開發(fā);氫動力飛機(jī)的系統(tǒng)開發(fā);解決基礎(chǔ)設(shè)施障礙;建立監(jiān)管框架。各階段研究創(chuàng)新重點如下：
1、組件工程：安全可靠的液氫儲存、分配和動力推進(jìn)
(1)輕型安全的液氫儲罐。重點關(guān)注如下研發(fā)：①將儲氫罐集成到機(jī)身中，測試新型或非圓柱形或球型儲氫罐，以及輕型安全儲氫罐的先進(jìn)材料;②確定液氫儲罐的安全標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證流程及要求，包括對地面處理的特定蒸發(fā)要求;③開發(fā)冷卻設(shè)備的可靠組件，如低溫泵、閥門、管道等，以及狀態(tài)監(jiān)測功能的傳感器。
(2)機(jī)載液氫分配組件和系統(tǒng)。重點關(guān)注如下研發(fā)：①輕型安全的液氫燃料組件，例如帶有低溫冷卻器的雙重絕緣燃料管、壓縮機(jī)和熱交換器;②可靠且優(yōu)化的液氫系統(tǒng)布局，具有高度耐用的組件、泄漏和通風(fēng)管理以及優(yōu)化的汽化器。
(3)大功率、長壽命燃料電池系統(tǒng)，包括冷卻概念。重點關(guān)注如下研發(fā)：①通過模塊化、更高工作溫度和輕型熱交換器以擴(kuò)大系統(tǒng)規(guī)模;②通過優(yōu)化運行方式和使用輕質(zhì)材料開發(fā)具有更長壽命(超過25000小時)的可靠組件;③研究飛行中水處理以最大程度減少氣候影響。
(4)高效、低氮排放的氫渦輪機(jī)。重點關(guān)注如下研發(fā)：①開發(fā)針對氫氣燃燒特性設(shè)計的燃燒室，其具有超低溫壓縮機(jī)并對燃料流入進(jìn)行優(yōu)化;②開發(fā)專有液氫控制系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)燃料流量，并采用稀薄噴射技術(shù)減少NOx排放;③開發(fā)高溫渦輪機(jī)冷卻系統(tǒng)，通過使用冷氫氣流進(jìn)一步提高效率。
2、氫動力飛機(jī)系統(tǒng)：高效、可靠的系統(tǒng)架構(gòu)和原型開發(fā)
(1)通勤機(jī)原型。將開發(fā)H2推進(jìn)組件及安全可靠的系統(tǒng)集成，并在實際飛行條件下進(jìn)行測試，可能采用氣態(tài)氫作為燃料以加快開發(fā)和早期測試速度。
(2)區(qū)域、短程飛機(jī)原型。將使用現(xiàn)有機(jī)型(如Bae 146、ATR 72、空客A320)進(jìn)行飛機(jī)常規(guī)組件的開發(fā)和測試，然后集成至新的優(yōu)化機(jī)身中。完成示范后，將對氫動力飛機(jī)進(jìn)行全面評估(包括經(jīng)濟(jì)因素，如效率、部件壽命等)，以確保獲得認(rèn)證并減輕新飛機(jī)設(shè)計風(fēng)險。還需驗證原型飛機(jī)液氫組件應(yīng)用于更大規(guī)模飛機(jī)的可擴(kuò)展性，開發(fā)混合動力推進(jìn)機(jī)構(gòu)，并驗證效率改進(jìn)及其經(jīng)濟(jì)性。
(3)中程飛機(jī)原型。開發(fā)液氫動力飛機(jī)原型，示范高功率氫渦輪機(jī)以及將超大型液氫罐集成于客艙前后部分的可行性。
(4)下一代變革型飛機(jī)。重點關(guān)注如下研發(fā)：①變革型飛機(jī)設(shè)計，針對特定性能要求、氫動力推進(jìn)的約束條件和加壓客艙的集成進(jìn)行量身定制和優(yōu)化;②原型和飛行測試，以驗證模擬的空氣動力學(xué)和推進(jìn)效率的改進(jìn)以及飛機(jī)的可控性;③為變革型新概念的大規(guī)模生產(chǎn)做好供應(yīng)鏈準(zhǔn)備。
3、加氫基礎(chǔ)設(shè)施：加氫系統(tǒng)、安全和液化
(1)高效加氫系統(tǒng)。重點關(guān)注如下研發(fā)：①加氫管路設(shè)計，允許最大流量同時具備較低重量和最佳可操作性(尤其是當(dāng)流量超過1000升/分鐘);②新型更高效的管路連接系統(tǒng)，可確保與非常規(guī)儲氫罐兼容，并通過自動閉合的快速接頭確?？煽俊踩倪B接;③使用自主式、機(jī)械驅(qū)動的軟管和/或外骨骼進(jìn)行自動化實驗，以用于未來流量遠(yuǎn)高于1000升/分鐘的管路;④優(yōu)化飛機(jī)加氫設(shè)置和處理標(biāo)準(zhǔn)，尤其應(yīng)考慮使用額外軟管可能會加長加注時間。
(2)安全措施和并行操作。重點關(guān)注如下研發(fā)：①檢查潛在的安全問題，包括加注期間的泄漏等;②泄漏管理及應(yīng)對措施，可在往返期間并行運行;③安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，包括新的法規(guī)框架，以確保液氫的安全處理和加注;④液氫加注設(shè)備周圍的無火區(qū)和安全緩沖區(qū)，以評估是否可以在往返期間并行運行。
(3)機(jī)場和飛機(jī)加氫設(shè)施。重點關(guān)注如下研發(fā)：①優(yōu)化加氫車概念，包括優(yōu)化管路連接系統(tǒng)、開發(fā)新的安全標(biāo)準(zhǔn)等;②模塊化設(shè)置，包括地面運營和基礎(chǔ)設(shè)施的最佳組織，以實現(xiàn)加氫系統(tǒng)的并行運行。
(4)大規(guī)模液化及液氫處理。重點關(guān)注如下研發(fā)：①通過改進(jìn)設(shè)計、大規(guī)模制造和優(yōu)化采購，提高液化效率冰降低資本支出;②通過建立氣氫管網(wǎng)或改造舊天然氣管網(wǎng)，以及開發(fā)現(xiàn)場液化設(shè)施，優(yōu)化液氫供應(yīng);③評估及擴(kuò)展最優(yōu)的運氫解決方案(包括液氫、氨、液體有機(jī)氫載體)，以優(yōu)化氫的運輸。
(5)液氫栓式加注基礎(chǔ)設(shè)施。重點關(guān)注如下研發(fā)：①從運營和成本角度，對液氫栓式加注設(shè)施進(jìn)行性能評估，確定其相比液氫加注車的優(yōu)勢;②低溫冷卻系統(tǒng)設(shè)計和集成，確保對現(xiàn)有運行的影響最小。
4、監(jiān)管框架：氣候影響研究和市場激勵機(jī)制
(1)氣候影響監(jiān)測。探究氫動力推進(jìn)方式及其燃料對氣候的影響。①通過開發(fā)新模型、進(jìn)行模擬和飛行試驗以評估合成燃料及氫燃料對氣候的影響，如驗證合成燃料及氫燃料在渦輪機(jī)中燃燒的NOx排放變化，并與常規(guī)渦輪機(jī)進(jìn)行比較;②開發(fā)燃料電池模型以模擬評估其對凝結(jié)尾跡和卷云形成的影響;③針對不同尺寸和飛行高度的飛機(jī)評估上述影響;④研究氣候影響相關(guān)的其他主題，如燃料及相關(guān)技術(shù)的上游排放的生命周期分析，以及緩解氣候影響的措施(如改變飛行路線和高度以減少凝結(jié)尾跡)。
(2)部署路線圖和市場激勵機(jī)制。開發(fā)氫動力航空路線圖，明確短、中、長期目標(biāo)，以促進(jìn)對創(chuàng)新和部署的投資，為此應(yīng)進(jìn)行：①技術(shù)評估和比較，包括安全和認(rèn)證要求，基礎(chǔ)架構(gòu)和部署方案的規(guī)劃，以及對合適的支持機(jī)制和市場激活政策的研究;②對路線圖進(jìn)行定期更新和調(diào)整以確保部署;③隨著技術(shù)成熟，需要從長期政策轉(zhuǎn)向中期政策，如提供研發(fā)資助、氣候友好型飛機(jī)補(bǔ)貼、通過政府和社會資本合作(PPP)支持基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)和部署等;④制定公平、長期的監(jiān)管框架。
