歐洲計劃在2035年實現氫能源客機商業化
來源：民機戰略觀察 2020-08-13
低碳化是民用航空業面臨的一項重大挑戰。全球民用航空業每年排放的二氧化碳超過9億噸，假設行業每年增長3%至4%，效率每年提高2%，到2050年排放量將增加一倍以上。為此，國際民航組織（ICAO）、國際航空運輸協會（IATA）等國際組織近年來不斷提高環保標準，促使航空企業的發展必須與之相適應。2009年，IATA設定了航空業艱巨的減排目標：2020年前燃油效率年均提高1.5%，2020年達到碳中和，2050年航空運輸碳排放減少50%。歐盟也通過綠色航空相關政策設定了碳排放的目標。
與日常所見的電動汽車類似，綠色新能源客機的發展也呈現多條技術路徑。近期歐洲政府與工業界正共同加速氫能源客機的發展，力爭在2035年實現氫動力干線客機商業化，實現極為激進的民用飛機降低碳排放時間表。
一、歐洲政府雄心勃勃推動航空業向氫能源轉型
2020年6月9日，法國政府宣布將為民用航空制造業提供80億歐元的救助計劃（另有70億歐元用于救助法航），用于應對冠狀病毒大流行給航空業帶來的殘酷影響。同時，著眼化危為機，法國政府計劃通過該計劃實現民用航空運輸綠色化的驚人加速，要求到2024年本國航空公司國內航班相關的二氧化碳排放量減少一半，并加速現有向可持續燃料過渡的計劃。經濟和財政部長布魯諾·勒·梅爾（Bruno Le Maire）表示“我們正在宣布緊急狀態，以拯救我們的航空業，使其能夠通過生產明天的‘綠色飛機’來使其更具競爭力和更加無碳”。
為此，法國政府在80億歐元救助計劃中劃撥專門劃撥15億歐元（部分來自歐盟委員會經濟刺激計劃）用于氫能源客機為期三年的研發項目，要求主制造商開發一款氫能源動力窄體客機，實現二氧化碳零排放，并計劃在2033-2035年投入商業運營。法國生態和包容性轉型部長伊麗莎白·博恩（Elisabeth Borne）表示“我們希望在2033年至2035年之間設計一個‘碳中性飛機平臺’，比計劃的時間提前十年，這將使我們能夠為低碳飛機設定新的全球標準。”
歐洲航空業的另一核心德國政府也為其“國家氫氣戰略”投入70億歐元，該戰略將支持在飛機推進和混合動力飛行中使用氫氣。同時，德國政府也在考慮在航空燃料中強制實行動力與液體的比例（該過程將利用陽光作為動力源，將二氧化碳和水轉化為噴氣燃料），不過該計劃尚未確定。
麥肯錫公司5月發布的《2050年前氫動力航空的技術、經濟和氣候影響：一項基于事實的研究》（簡稱《氫動力航空》）為歐洲氫動力航空發展提供支持性意見，認為氫能源推進在減少航空業對氣候的影響和促進脫碳目標方面有著巨大的潛力。（圖片來源：麥肯錫公司）
歐盟在將要實施的“潔凈天空3”計劃中強調，如果要2050年滿足二氧化碳排放目標，那么環保型飛機需要在2035年開始投入使用。2020年5月，在歐盟“潔凈天空2”和“燃料電池與氫氣”計劃支持下，著名咨詢公司麥肯錫公司發布了《2050年前氫動力航空的技術、經濟和氣候影響：一項基于事實的研究》（簡稱《氫動力航空》）報告，預測了氫氣燃燒和燃料電池動力推進的技術發展，評估了相關技術和經濟可行性，將它們與合成燃料進行了比較，并考慮了對飛機設計、機場基礎設施和燃料供應鏈的影響。報告認為顛覆性的飛機、航空發動機及機載系統創新與氫能源技術的結合，將減少民航飛行對全球變暖50-90%的影響。報告認為2035年前可以引入采用氫能源的短程干線飛機（81-165座級），到2050年，氫能源飛機將占所有飛機的40%。歐盟委員會對這樣的研究結論表示了支持，并將其與今年7月將要通過的“氫戰略”聯系起來。該戰略旨在加速歐洲工業的低碳化和數字化。
二、歐洲工業界正穩步推進氫能源航空實用化
ZeroAvia公司的氫-電飛機發展計劃表（圖片來源：ZeroAvia，許赟漢化）
歐洲工業屆對于氫能源飛機技術已經開展了多方面的研究，涉及中小型和行業巨頭。2020年6月，氫能源航空初創公司ZeroAvia在英國克蘭菲爾德機場進行了首次成功的氫動力商用飛機試飛，這是一架經過改裝的六座Piper Matrix。該項目部分由英國創新政府撥款資助，計劃最終實現250-300海里的飛行。ZeroAvia計劃在2023年前進行10-20座級500英里航程的飛機進行認證。創始人兼首席執行官米夫塔霍夫認為相較電池解決方案，基于氫動力的飛機架構是監管機構更熟悉的。米夫塔霍夫表示：“我們認為在未來五年內，將向1.5或2kW/kg功率密度推進系統邁進。相比之下，我們最初瞄準的20座飛機的小型渦輪機約為3kW/kg，而50-80座飛機的大型渦輪機約為5kW/kg。”
空客公司低排放飛機驗證機發展路線圖（圖片來源：空客公司，許赟漢化）
歐洲航空工業巨頭空客公司也開始將重心轉向氫動力飛機，并制定了氫動力客機發展路線圖。2020年4月，在宣布取消與羅·羅公司聯合的E-Fan X混合動力驗證項目后，空客公司首席技術官格拉齊亞·維塔蒂尼就暗示公司將重點轉向氫動力飛機。空客公司零排放技術副總裁格倫·利韋林在6月中旬向媒體解釋了這一轉變的原因，他表示：“我們在（E-Fan X）項目中發現了個別有價值的技術，但是就串行混合電推進構型整體而言，并未帶來支撐未來航空發展的顛覆性（碳排放）降低。”
根據空客公司披露的氫動力飛機發展時間表，將在2024-2025年完成氫動力相關技術的選擇（主要是燃料電池推進、氫氣燃料燃氣輪機、燃料電池+燃氣輪機混合動力），在2020年代后期完成小尺寸技術驗證機研制，相應的啟動全尺寸原型機研制工作，以確保在2030-2035年間，實現百座級以上氫動力客機的商業化。
氫能源推進和合成燃料對環境的影響比較（圖片來源：麥肯錫《氫能源航空：到2050年前氫的技術、經濟和氣候影響研究》，許赟漢化）
目前，空客公司尚未宣布在渦輪雙引擎中燃燒氫氣或在機身中安裝燃料電池之間做出選擇，盡管后者通常被視為最有效的氫能源使用方式。使用液態氫還是氣態氫仍舊在考慮之中，相應的選擇燃料電池還是渦輪發動機，最終的技術方案將對氫能源飛機及整個配套生態系統（從機場設施到空中交通管理）產生重大影響。氣態氫和液態氫各自的優點正在被徹底評估，法國政府資助的Hyperion研究計劃將評估氫氣飛機推進的風險，包括低溫系統。這表明空客正在考慮液態氫，而不是壓縮氫--前者的儲存方式看起來更適合航空業對能量密度的需求，但在技術和效率上都更具挑戰性。
法國國家航空航天研究院（Onera）推進和環境項目主任菲利普-諾維利認為，氣態氫可能只適合在小尺寸飛機上使用。“潔凈天空”計劃的首席科學官讓·弗朗索瓦·布勞卡爾特（Jean-Francois Brouckaert）也認為，對于一架載客量超過19人的飛機而言，使用氣態氫進行加油將是非常漫長的。麥肯錫的報告也持相同的觀點，認為液態氫更適合大多數航空業，但它并沒有排除氣體的可能性。它指出："氣體儲存可以適合較短的飛行，并且可以商業化使用。"使用氣態氫可能會使飛機更快地進入市場，但是可能飛機大小將限制在19座級。同時，燃料電池的效率為55-60%，與燃氣渦輪發動機的40-45%相比，效率更高，將燃料電池和螺旋槳結合起來非常適合航空推進。雖然技術進步很快，但目前燃料電池的功率密度較低，對于A320級別的短程干線客機而言，僅使用燃料電池可能難以滿足10兆瓦級的功率需求，更好的方案可能是使用燃料電池和（使用氫氣燃料的）渦輪風扇的組合，后者只在起飛時使用。此外，與在渦輪發動機中燃燒氫氣相比，使用燃料電池還擁有額外的好處：燃料電池排放的水蒸氣溫度較低，在飛機內部完全可以控制，從而最大限度地減少尾跡，意味著可進一步優化巡航高度。
空客公司在進行氫動力飛機驗證機的相關技術開發的同時，也已進行了氫動力飛機生態建設的初步探索。空客公司已與EasyJet和ScandinavianAirlines等航空公司簽署了諒解備忘錄，共同探討將氫能源飛機引入民航生態系統的問題與途徑：包括運營現實的變化、航空公司愿意做出的妥協與改變、以及潛在的不同商業模式。空客公司針對氫能源客機運營模型顯示，通過采用“輪輻式”運營網絡可以使氫能源客機滿足“數量驚人”的歐洲民航航班，而這種模式下氫能源的基礎設施可僅在樞紐機場提供。
三、氫能源航空應用前景分析
可持續航空燃料技術比較（圖片來源：麥肯錫《氫能源航空：到2050年前氫的技術、經濟和氣候影響研究》，許赟漢化）
作為新能源動力而言，在傳統電池技術未出現革命性創新之前，氫能源顯然具有更多的優勢，類似結果已經在新能源汽車領域出現。日本本田公司的氫燃料電池汽車已經展示了更好的續航里程和更可接受的能量更換時間。實際上，除麥肯錫公司外，羅蘭·貝格和奧利弗·威曼也在去年發布了類似的研究結論，為氫能源商業航空運輸的可行性提供了背書。歐洲將大規模的資源投入到環保飛機的設計中，不僅僅是為了滿足未來民航運輸業的環保需要，也是為了推動歐洲氫能源產業發展，搶占民機新技術發展制高點，同時還可能會迫使競爭者效仿。美國航空航天局局長吉姆·布里登斯廷評價法國政府的投資政策時表示：“保持這種研發資金的投入是非常重要的。無論是作為一個機構和國家，我們需要將這個時刻（指冠狀病毒疫情影響）作為一個領導的機會，而不是把它作為一個落后的機會。法國政府的投資正是如此……現在是為變革性前沿技術進行投資的時候了……”
法國政府也并未將賭注僅壓在氫能源航空上。針對航空業的救助計劃，法國政府為加速綠色航空的發展還在實施其它更具可行性的項目，包括：研制一款預計于2030年代初投入使用的空客A320替代機，將采用涵道比20-25的超高涵道比渦扇發動機和機體-發動機一體化設計，預計降低30%的油耗；另一個名為"Majestic "的研究項目是研究一種包含控制的大展弦比機翼，將降低30%的燃油消耗。（航空工業發展中心 許赟）
