“氢”装上阵的绿色飞机

董帼雄

今年9月，欧洲航空工业的领军企业空客召开新闻发布会，公布了一份宏伟的氢能航空发展规划和三个零排放的商用飞机概念方案，公司表示最快将于2035年开始向客户交付使用氢能源的零排放商用飞机。

空客的这一方案一经发布就引起了业界的热议。这些热议不仅仅围绕空客这一宏伟规划展开，更重要的是，业界普遍意识到，空客发布的这份规划，不单单是一个简单的新机型规划，更是欧盟能源结构战略转型这一重大战略布局中非常重要的组成部分。从这个角度来看，此次空客发布的氢能源飞机计划，体现的是欧盟的雄心，即将欧洲打造成低碳航空运输和能源转型的全球领导者。

空客的宏伟规划

航空业正在寻找一种方法来弥补其“碳足迹”早已不是什么秘密。基于国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA）的承诺以及进一步可持续发展的愿望，制造商一直希望能够利用更加环保的清洁能源来替代传统的航空煤油。

此次，空客将目光聚焦到了氢能源上，公司发布的全球首款零排放商用飞机的三个概念机型分别代表了实现零排放飞行的不同方法，探索不同的技术途径和空气动力学构型，以支持空客在领导全行业实现脱碳方面的雄心壮志。空客发布的零排放飞机概念机的代号为ZEROe，包括三个不同类型的产品。

第一款概念机的外观类似于传统机型，但机身更长，载客量为120～200人，相当于目前A220或A320机型的载客量，航程超过3500公里。这款飞机依靠氢能驱动的涡轮发动机提供动力，而氢能则储存在位于飞机后部的燃料仓内。该机型只需在现有机型基础上做小幅改动，加装一块同样使用氢能的燃料电池，以便在需要时为发动机提供额外动力。

第二款概念机是使用涡轮螺旋桨发动机的支线飞机，载客量为100人左右，航程为1800公里。涡轮螺旋桨发动机同样由氢燃料驱动，适用于短途飞行任务。

第三款概念机采用翼身融合的方案，航程可达到3700公里。翼身融合的构型可以灵活设计客舱布局与氢燃料存储，载客量可达到200人左右。

根据空客的规划，2035年左右其氢能源飞机就要投入商业运营。为了配合这个计划，空客细化了具体的技术实现时间表。即在2021年进行地面技术演示;2023年氢燃料技术验证机实现首飞;2024年确定氢燃料飞机选型;2025年氢燃料验证机首飞。

从技术层面来看，空客此次发布的这三款氢能源飞机，前两个机型的设计是基于现有支线和干线机型的动力改装，与完全使用电驱动的一些预研设计相比，技术难度明显降低。正因为如此，空客在发布会上也提到，实现这个氢能航空计划最大的难点并不是在技术上，而是希望得到政府更多的支持，如基础设施、产业链建设等。以机场为例，如果氢能飞机投入使用，就需要机场为之配套相应的氢气运输和补给设施，以满足航空公司的运营需要。

除了希望得到政府的支持，空客还在积极寻找合作伙伴共同推动氢能飞机的研发。今年10月，空客宣布与德国著名的汽车产品供应商爱尔铃克铃铃尔公司（ElringKlinger）合作成立合资公司，进行大功率氢燃料电池的研制。在双方合作的第一阶段，燃料电池的大功率輸出是主要目标。

此外，空客还与赛峰集团以及二者的合资公司阿丽亚娜集团（Arianegroup）、法国航空航天研究院共同组成了联合攻关团队，共同进行航空氢能源利用的研究。

欧盟的倾力支持

对于欧洲来说，氢能不仅仅是未来绿色飞机的主要技术选项，更是欧洲在后疫情时代实现低碳经济的重要手段。法国国际关系研究所发布的《欧盟氢能战略展望》中更是明确指出：“一项稳健、成本效益高的欧洲氢能战略将成为欧盟经济复苏计划的支柱，并加速欧洲经济体的脱碳进程。”在此背景下，此次空客所发布的氢能飞机计划势必将得到欧盟的倾力支持。

事实上，在空客发布氢能飞机计划的3个月前，法国就已经出台了高达150亿欧元的航空业支持计划。计划明确提到，政府在未来5年内将每年投入15亿欧元资助企业进行技术研发，而最具优先权的项目就是2035年实现零碳排放的绿色飞机计划。法国政府希望这一计划不仅能够帮助法国航空业领先其美国竞争对手，更能够带动该领域所涉及的1300多家企业的发展。

这一“绿色飞机”发展计划希望空客能够在2030年左右推出A320系列飞机的继任者，技术目标是实现燃油消耗降低30%，2035年左右推出零排放的氢能飞机。而空客此次推出的氢能飞机计划则完全契合了政府的要求。

此外，德国政府也将为其“国家氢气战略”投入70亿欧元，该战略将支持在飞机推进和混合动力飞行中使用氢气。同时，德国政府还考虑在航空燃料中强制规定氢能的使用比例，不过该计划目前尚未有明确的时间表。

与此同时，欧盟也在区域内领导全面建设氢能经济，包括地面交通、工业制造等。2019年，西门子和阿尔斯通已经开始试运行氢燃料电池火车，奔驰公司也在今年9月公布了新的车型计划，计划在2023年与合作伙伴开始试运行氢燃料电池重卡，2025年实现量产。可见，欧洲各国对在航空业使用氢能已经达成了一致。

而氢能源的利用之所以如此受到重视，除了节能环保方面的考虑之外，能源结构的转型或许是更深层次的考虑。当今，国际形势变幻莫测，提高能源自给保障能力、提升能源战略安全对于欧盟来说重要性不言而喻。如果仔细分析欧洲现有的能源结构，不难发现，氢能源似乎是提高欧洲能源自给保证能力的唯一选择。欧洲缺乏燃煤储量和大量使用的社会舆论环境、北海地区的油气储量有限、缺乏锂电池原材料和供应链、耕种面积和气候难以满足生物燃料作物的大规模种植，综合考虑上述因素后，欧盟选择氢能进行能源结构转型也就不难理解了。此外，对于欧洲各国来说，如果此次能源结构转型能够获得成功的话，将带动区域内相关科技研发、经济发展和GDP的增长，开拓新的增量市场和就业机会。

在此背景下，空客所进行的氢能飞机计划只是负责了欧盟能源替代计划的一部分，而欧盟各国的技术研发成果未来也可以被其所借鉴和使用。因此，空客氢能飞机的商业化应用势在必行，而这也将对未来商用航空市场产生深远的影响。

前路仍充满挑战

从20世纪初发明飞机以来，人类就没有停止过新技术的探索与应用。不过，氢能飞机尽管从理论上来讲具备一系列显而易见的优点，但真正要投入商业应用，还有许多问题有待解决。

从工作机理来看，氢动力飞机从压缩液态氢获得动力。该过程通过将氢和氧结合在燃料电池中而起作用，这两种元素的反应形成三种产物——水、热和电力。与燃烧化石能源相比，此过程的不同之处在于，没有二氧化碳釋放到大气中。因而，氢能飞机更加环保，并使航空公司能够履行其对“碳中和”增长的承诺。

当今最好的锂电池组的能量密度为200Wh/kg，循环寿命为1000至2000次，充电时间为45分钟以上。相比之下，液态氢燃料电池系统可达到3000Wh/kg以上的循环功率和15000多次循环寿命，并且在20分钟内即可加满燃料。在旧金山到洛杉矶的航线上，一架737飞机一天最多可以往返4次，但目前锂电池技术还无法满足需求。未来即便是锂电池技术的进步可以将循环寿命提升至4～8个月，一架飞机在全生命周期内也需要更换50多次电池，这对于航空公司来说是一笔相当沉重的成本。

相比之下，氢燃料电池系统的使用寿命长了10倍，而能量密度高了5～20倍，但如何安全地存储和运输这些氢能源是一个较为棘手的难题。对此，波音曾公开表示，虽然氢能源具有独特的应用前景，但是该技术的推广仍面临很多的困难，主要的难题就是氢燃料的生产和储存问题。

几十年来，航空业已经对涡轮、涡扇发动机所使用的航空煤油有了全面的认识，对安全存储、运输、使用这些传统燃料积累了丰富的经验。但是，氢燃料与传统燃料有着本质的区别。因此，波音认为，如何安全、有效地使用氢燃料，还需要政府监管机构、厂商等共同协作，实现管理措施、关键技术等方面的创新突破。从目前来看，波音认为氢能源的相关理论、知识、应用等研究课题还都存在着很多未知的领域。

波音的这些担忧不无道理。目前，推广氢能源的主要难题就是缺乏基础设施，毕竟，无论是航空公司还是机场的配套设施，都是为航空煤油所准备的。

以美国为例，85%的商业航班集中在40个机场，剩余的15%的航班则分布在450多个机场。能源加注的网络越大，整体更换它的难度就越大，成本也就越高，各个更小的站点需要更复杂的燃料后勤保障体系，并且每分配1千克燃料将产生更高的摊销成本。同时，燃料系统的整体更新换代需要大量资金投入和人力投入，没有地方政府的支持，是很难想像的。

今年9月，一架名为“派珀·马里布”、完全由氢燃料电池驱动的六座飞机从英国伦敦北部的克兰菲尔德机场起飞，用零排放的氢燃料驱动完成了20分钟的飞行，这是世界上首次氢燃料电池飞机的飞行。为了实现此次飞行，制造商与欧洲海洋能源中心在克兰菲尔德机场专门配备了氢燃料加油生态系统（HARE），囊括了绿色氢生产、储存、加油和驱动等一系列环节，这也是世界上首个配备了该设施的机场。未来，如果要在商用飞机上使用氢能的话，基础设施建设将是首个需要解决的问题，同时也更需要政府未雨绸缪地进行提前规划。