碳中和目标下航空能源转型研究

摘要：应对气候变化“巴黎协定”代表了全球绿色低碳转型的大方向，是人类走向低碳社会的必然需求。碳中和下，航空能源转型技术是新一代飞机迫切需要研究的核心技术之一。新一代飞机正向更低碳、更高效、更智能、更环保的目标发展，飞机能源系统的转型正是满足这些新要求的重要支撑。本文根据国外航空新能源系统技术的发展，结合自己的分析与思考，从新一代飞机在碳中和目标下能源转型的理念出发，介绍低碳的能源技术，航空实现低碳能源目标和需求，航空能源转型路线图、措施和技术挑战，实现低碳的思路，并指出要突破的关键技术，为新一代低碳航空的研究设计和未来发展提供借鉴。

关键词：碳中和；低碳能源技术；低碳推进技术；氢燃料；电动航空；航空能源转型

中图分类号：V11文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.09.001

应对气候变化的“巴黎协定”代表了全球绿色低碳转型的大方向，是人类走向低碳社会的必然需求，我国提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和的奋斗目标。碳中和的目标已经成为我国绿色发展的坚定方向。

航空工业和国家其他交通运输行业一样，是国家实现碳达峰、碳中和目标的关键，也是我国实现绿色低碳发展的核心。为了解决航空工业污染排放严重、噪声大和能源转换效率低的问题，需要航空工业进行持续性和颠覆性技术创新，攻克航空工业低碳发展的核心关键技术，实现航空工业的低碳能源转型。本文通过对航空未来发展的广泛分析研究，结合国外航空能源低碳转型的技术发展，提出新一代低碳条件下航空工业能源发展思路，创新性地梳理出了开展低碳航空工业的5项关键新技术，为航空新技术产生的新的航空市场领域和航空工业绿色低碳发展进步做出自己的努力[1-3]。

1碳中和定义、地位和作用

碳排放是指人类生产经营活动过程中向外界排放温室气体（二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟碳化物和六氟化硫等）的过程。其中，碳排放是目前被认为导致全球变暖的主要原因之一。

碳汇是指从空气中清除二氧化碳的过程、活动、机制，主要是指森林吸收并储存二氧化碳的多少，或者说是森林吸收并储存二氧化碳的能力。碳中和是指企业、团体或个人测算一定时间内直接或间接产生的温室气体排放总量，然后通过植树造林、节能减排等形式，被自然過程和人为作用所吸收，抵消自身产生的二氧化碳排放量，实现二氧化碳“净零排放”。

2019年，全球碳排放量为401亿吨二氧化碳，其中86%源于自化石燃料的利用，14%由土地利用变化产生。这些排放量最终被陆地碳汇吸收31%，被海洋碳汇吸收23%，剩余46%滞留于大气中。碳中和就是要想办法把原本将会滞留在大气中的二氧化碳排放量减下来或吸收掉。

碳中和的过程将会引起经济社会的大转型，引起能源系统的大变革，促使交通运输领域的革命性创新，进而使航空工业发生颠覆性技术创新。碳中和的过程既是挑战又是机遇，革命性的创新将会在此过程中得到充分体现，是我国在竞争中取得胜利的关键。

2低碳能源技术

低碳能源技术是从能源转换普遍形态热能开始，先从热能做功，利用和工作温度关系，找出高效能源利用技术，实现低碳方向。下面对超燃烧和超时空利用两大方向和低碳转换的氢能做重点介绍。

2.1热能的做功利用和工作温度的关系

化石能源一旦转换成热能，就能按照需求转换成动力或者蒸汽等各种形态的能源，以便人们使用，所有这些技术不仅对工业生产极为重要，而且也是支撑日常生活的基础。

热能是燃料的化学能经过氧化燃烧反应被释放出来，过程遵循热力学第一、第二定律，可通过各种方法将热能转变为其他形式能源。从有效能的观点分析可以看出，尽可能从高温状态开始进行阶梯级利用，提高能源的综合利用效率，如图1所示。

能量的阶梯级或循环利用是热能利用的根本，为了实现有效能损失最小，需要继续对系统进行创新性设计，攻克能量有效利用核心技术的难关。

2.2能源高效利用的发展方向

超燃烧的系统技术和超时空能源利用技术是实现能源高效、低碳利用的发展方向，也是能源高效利用、实现低碳的核心技术。燃料电池技术就是通过非燃烧过程从原理上控制了以往燃烧过程产生的有效能的损失，可以说是一种“超燃烧技术”，氢燃料电池是其最典型的代表。能源是在“需要的时候”以“必要的质量”按“必要的数量”在“需要的场合”进行利用。可以说，这就是一种“超时空技术”。

由于能源利用有这样的特点，电能在这点上就非常具有优越性，它便于生成和传输，使用者只需要和插座等系统链接，就可以获得高品质的电能。电能是发电后需要立即消费的能源，电能的储存也就是蓄电很困难，这几年电动汽车、移动设备用锂离子电池等高性能蓄电方面取得非常大的进展，但这些基本的应用都是在远离基础设施的离线场所（离开电网）使用。燃料在单位体积或质量内储存大量的化学能，但它在品质和易使用方面远不如电能，经过高温燃烧等过程，可以作为车辆、轮船或者飞行器等移动体的动力来源。在燃料燃烧的过程中，完成做功或获得热量后，会有大量的剩余热量作为废热排放到大气中，造成对环境的空气污染。为了进一步减小污染，需要推进能量阶梯或者超循环利用技术。

提高能源的利用效率是实现低碳发展的根本，要在提高设备转换效率的同时提高废弃能源的质和量及产生场所的利用，来满足用户的需求。因此，要消除能源供需间的质、量、时间、地点的不协调，就需要加大力度开发“超时空能源利用技术（能源接口技术）”。

2.3超时空的热能利用

能源的超时空利用技术就是消除能源供需间质、量、时间、地点不协调的核心关键技术，在能源利用过程中，电能和热能这两种能源形态不可或缺。如果能源能够自由地高密度输送、存储，按照希望的品质进行利用，从一次能源加工转换到能源的最终利用，所有阶段都应该提高能源的利用效率。在不同能源形态相互供给的场合也要注意效率的提高。

电能中实现这种技术的就是电池，电池种类繁多，存储的能量密度也相差很大、不完全相同，但它实现了超时空电能利用。在热能领域，这种开发比较缓慢，热能的阶段利用就是适合超时空利用技术，把热能“加工”成其他形态的能源，转变成易于储存或运输的能源，进而促进热能超时空利用。

蓄热技术也是热能超时空利用技术之一，虽然蓄热也依赖于能源的存在形态，但废热的能量密度低，将废热变换成潜热，形成高密度的能源形态，可以实现储存和输送，消除能源在时间和空间上的不协调问题。蓄热技术的用途和未来目标如图2所示。

2.4能量循环与超燃烧

上述改善热效率的关键技术就是热能的阶梯级利用。在工业生产过程中，热能大部分用来加热，而在此过程中用以反应、烧成等制作的被有效利用的热能到底有多少？在加热操作的过程中，要求温度保持在使反应过程等能够发生的温度以上，同时伴有吸热的场合供给其所需的热量。这实际上没有消费用以保持温度的热能，而是利用了系统外的废热，仅采用热泵将其压缩升温后提供给系统。这就是能量循环和超燃烧，这项技术要想在高温等条件下应用，还需要进行创新研究开发。

2.5低碳转换的氢能

2.5.1为什么是氢能

氢能与汽油、电能一样，都是能源的载体。使用各种一次能源，可从多种原料中采用各种方法制造得到氢能，氢能还可以与同为能源载体的电能进行相互转换。氢能的系统框图如图3所示。

为什么是氢能，因为氢能有以下特性。

（1）作为能源的载体

能源载体不需要制造场所与利用场所相同，因此制造的能源需要储存和输送。氢能是化学能，能够以各种形态储存、输送，便于利用。

（2）实现了低碳

氢能作为能源利用（燃烧）的结果，只生成水，可以构成无碳的能源系统，实现温室气体减排计划。

（3）有效能利用

能源消费时用以实际做功的能量叫作有效能，有效利用能源就是要减少有效能的损失。而转换成氢能的能源利用，既能减少有效能损失，又能用有效能比例低的热能经加工转换而成，可以提高有效能的比例，实现有效能的有效利用。

（4）能源安全供给

能源的安全供给是非常重要的，由于氢能系统可以不依赖于化石燃料。因此，安全性方面非常值得期待。

2.5.2氢能的用途

氢能作为能源的主要用途仍然是用作燃料电池的燃料，这也是目前氢能的最大用途。氢燃料电池可以用作汽车、飞机、轮船的动力，也可以用作发电，提高发电效率。

2.5.3如何制造氢能

（1）生物质能制氢

生物质能可以固化大气中CO2，是具有碳中立特性的可再生资源，将生物能转换成氢能利用，是非常重要的技术。生物能转换成氢能的代表方法是汽化的方法。

（2）水电解制氢

水制氢方法中具有代表性的方法是水电解制氢。主流的电解技术是以NaOH、KOH为电解质，采用碱性水溶液进行电解的碱性电解法。

（3）水的热化学循环分解法

水的热化学循环分解法是由多个化学反应构成循环，将外部热能作为一次能源供给进行水分解的反应过程。

（4）核能的离峰电力电解制氢

由于核能设备利用率非常高，不但在电力系统消费高峰期或者中间期能够持续提供电力，而且在非高峰期也能持续提供电力，即离峰电力。因此，用离峰电力电解制氢是一个非常好的选择。

2.5.4氢能的未来

氢能在低碳能源转换技术中将起到非常重要的作用，是重要的能源载体。要提高能源的利用效率，实现低碳社会的目标，就必须在继续开展节能的同时，进行技术创新及引入相应的创新体系。燃料的氢能化、热能阶梯级利用和循环利用，会形成一个崭新未来[4]。

3航空能源实现低碳的需求和目标

在应对地球温暖的对策中，航空能源实现低碳也是一项非常重要的发展目标，也对航空工业实现低碳提出强烈迫切需求。根据日本科学家松桥和森口在交通领域提出的CO2排放量的因素分解模型，可以得出航空领域的CO2排放量因素分解模型：

從上述模型可以看出，要降低航空领域的CO2排放量，和这5个方面的因素密切相关，但从航空工业的角度，只对航空模型的后两项进行分析。

（1）CO2排放量/燃料消耗量指标的改进。要改善CO2排放量/燃料消耗量指标，就需要大量的技术创新。可以通过采用低碳燃料、采用新技术、电动航空、氢燃料等实现此指标的大幅度改进。

（2）燃油消耗量/运行架里程指标改进。要改善燃油消耗量/运行架里程指标，可以通过改变传统的技术创新提高效率来实现，如混合动力技术、自适应变循环技术、分布式推进技术等来实现。

3.1航空CO2的减排目标

航空CO2的减排目标如图4所示。从图4可以看出，国际航空业2005年的CO2排放量到2050年要减少一半。要实现这一的目标，只有靠不断的新技术创新，这对航空业既是机遇也是挑战，会促进整个航空工业的转型升级。

近年来，航空各种新技术得到了快速发展，根据美国环保局统计，包括航空在内的所有运输系统，占全球人类温室气体排放的1/4；根据国际运输协会的预计，到2025年乘坐客机旅行的需求量将翻一番。为了减少二氧化碳和其他污染物的排放，实现低碳社会运行，国际社会亟须航空业的转型升级，大量使用污染少、高效率的新型能源。汽车工业已经开始转向混合动力和电动汽车时代，使其对环境污染排放大大降低，这为航空工业的转型发展指明了方向。

3.2 4种航空能源零排放优缺点比较

航空能源转型是向着零排放的目标前进，4种航空零排放方案（生物/合成燃料、氢能内燃机、氢燃料电池和电池电能）的优缺点比较如图5所示。从图5可以看出，不同的方案都有各自的优缺点，实现航空能源转型采用哪一个方案，应该根据航空的不同应用特点来选择，大飞机和小飞机的目标、商用飞机和军用飞机的目标都各不不同。因此，各自选取的方案也不同，只有适合不同飞机的方案才是最好的解决方案[5-8]。

4航空能源实现低碳面临技术挑战

航空业实现能源低碳的奋斗目标已经明确，要实现航空業这一非常严峻且具有挑战性的目标，就需要制定具体的实现路径和详细技术创新措施。

4.1航空业实现低碳的路线图

航空业要实现低碳减排，就要根据现有的航空业的技术特点，制定出未来发展的路线图，以空客公司的碳中和路线图来说明，如图6所示。从图6可以看出，为了实现大幅度的减排，确保碳中和的实现，采用氢能、生物燃料和低碳的动力等技术是碳中和的有效途径，必须加速多种低碳能源技术的解决途径，创新出适合航空工业实现低碳和减排的解决方案。最终能否实现碳中和的目标，取决于各种措施可用性、成熟能力和拓展性。

4.2实现低碳减排的措施

路线图中氢能源的产生已经在低碳能源技术中进行了详细介绍，在此重点介绍一下航空低碳替代燃料需要的步骤和措施。

4.2.1航空替代燃料的特性研究

航空替代燃料也是国家实现低碳目标的重要战略，航空替代燃料的流程图如图7所示。

应用替代燃料是实现低碳减排的一个重要措施，这里还需要大量的技术创新，有许多需要攻克的关键技术，还有很长的路要走，才能实现替代燃料的实际应用。

4.2.2航空低碳推进技术研究

航空工业要实现减少排放和能源转型的任务是非常艰巨的，把图5减排目标进一步简化，可以得出战略重点的减排措施，如图8所示。推力4低碳推进系统技术是实现航空工业能源转型的关键，美国国家航空航天局（NASA）已经制定出混合电推进系统发展路线图，采用低碳的混合动力技术是非常有前途的创新性技术，可以帮助实现国家航空环境和能源效率目标。超高效率的飞机和低碳推进技术紧密相关，超高效的飞机所需要的先进自适应变循环推进动力对低碳推进系统也至关重要。这里作为商用飞机只讨论低碳混合动力推进技术。

图9是采用低碳混合动力系统路线图，商用飞机采用低碳混合动力推进系统，可以实现如下目标：能源使用量减少超过60%；有害气体排放减少超过90%；噪声减少超过65%。

要想实现这一目标，就需要解决如下关键技术：飞机和推进系统的概念和架构设计技术；高功率密度电机（发电机和电动机）技术；高能量密度能量储存技术；电力电子及控制技术；飞行重量、动力系统架构和模拟试验；飞行测试的广阔区域等。

4.3航空能源低碳化面临的技术挑战

航空要实现低碳推进技术，主要是混合动力推进和电力推进技术，要实现上述目标主要面临的技术挑战[1，5-8]如图10所示。

5飞机实现低碳推进的关键技术

5.1飞机低碳混合动力、电力推进的技术

飞机要实现低碳化和减排的目标，低碳推进系统是非常关键的技术。针对飞机混合动力推进系统技术，世界上正在开展大规模的研究，准备应用于未来大型商用飞机，这种推进系统正是一种低碳的推进系统。飞机的混合动力将燃气涡轮发动机、发电系统和电能存储系统结合在一起，共同推进飞机的涡轮风扇或螺旋桨。飞机推进完全依赖于电力推进系统，而该系统的电力是由燃料电池、锂离子电池和超级电容器系统中存储的电能产生的。这种推进系统更低碳、更安静、更环保，是未来航空推进系统的发展方向。飞机低碳混合动力推进发展路线如图11所示。

飞机的混合动力系统可分为并联混合动力系统和串联混合动力系统，并联混合动力系统利用电池或燃料电池存储的电能为电动机提供动力，电动机和发动机一起同时产生飞机推力，电动机是辅助推力，用来补充或替代使用常规燃料的涡轮发动机的不足。飞机额外的电能可用于飞机加速或者在飞机高功率需求时的推力补充，它也可以在飞机的电机和电池之间实现双向功率传递。

在串联混合动力推进配置中，涡轮轴或涡轮发动机的能量通过驱动推进系统的发电机转换为电能。电能驱动电动机带动风扇产生推力。这种推力可以由一个或多个分布式风扇提供，而每个风扇都由电动机驱动。涡轮发动机仅用于发电，其直接用于为传递推进力的电动机提供动力，或者为飞机的电能存储系统（如果基于电池）充电。当飞机需要峰值推进功率时，或者当不需要发动机工作时，电能将从能量存储系统中直接输送出来。串联混合动力允许在系统级别对飞机进行优化，并以较低的总重量实现飞机的高效运行。

5.2飞机低碳混合动力和电动化技术的关键技术

从前面飞机低碳混合动力和电动化各个关键环节面临的技术挑战进行梳理，总结出5个主要关注的核心技术领域和具体的关键技术。

5.2.1飞机和推进系统的概念和架构设计技术

这里主要是指飞机系统的总体设计、架构设计，以及推进系统的架构设计，同时为了适应低碳、高效和大功率飞机优化设计，最大限度地减少能量损耗，实现飞机的减排目标，为飞机智能化和高水平健康管理和可靠运行提供基础。其关键技术包括：飞机系统架构仿真技术；飞机系统概念、架构设计与优化技术；飞机分布式推进架构技术；飞机推进系统概念和架构设计技术；飞机推进系统架构优化技术；飞机架构的评价技术。飞机和推进系统概念和架构设计图如图12所示。

飞机和推进系统的概念和架构设计技术是飞机实现低碳、减排、高效和能源绿色转型的关键，也是能否实现碳中和目标的核心。

5.2.2高能量密度能量存储技术

飞机要飞得更远，就要在体积小、重量轻的储能设备中存储足够能量，需要大幅度提高储能设备储存能量密度。储能设备本身具有成本低、效率高、寿命长的特点，但同时还要提高储能设备的充放电效率。其关键技术包括：能量密度储存技术（见图13）；能量的产生技术；能量的管理技术；电能储存所需要基础设施；高能量密度能量储存的基础材料技术；快速能量储存和均匀释放技術；能量储存和释放过程热管理技术。以锂离子电池为例，不同材料的锂离子电池能量密度如图14所示。

5.2.3高功率密度的电机（发电机和电动机）技术

飞机高功重比、高功率密度电机是飞机实现低碳、混动和电动化的关键，可以产生飞机飞行或辅助飞行所需的大功率能量，是飞机前进提供推力或者部分推力的发动机。同时，许多小电机也是飞机飞行操纵动力的部件，是飞机实现超高效率飞行技术的关键。航空高功率密度电机如图15所示。其关键技术包括：高效、高功率密度、大扭矩的电动机推进技术；高效、高功率密度的发电机技术；各种电机的拓扑技术；超导电机设计技术；无刷电机的矢量控制技术；高效的变压器设计技术；各种高效、灵巧的电力作动技术。

高功率密度的电机技术是实现航空能源转型关键，它是低碳、绿色飞行所必须要突破的技术，随着民用大型飞机的强烈需求，高效、大功率超导电机成为首选，但要实现这一目标，目前还有很多的难关要攻克。

5.2.4电力电子及控制技术

要想实现飞机低碳推进技术，需要在飞机上安装大量能量转换和控制装置，其电力电子和控制装置是低碳推进飞机的关键技术之一，电力电子变换及控制装置是航空能源变换和控制的主要设备，需要其效率高、损耗小、重量轻、耐高温和高的功率密度。用于飞机上的电力变换、飞机控制和电能调节等，向低碳、高效的飞机提供高质量大功率电能源。航空起动/发电电力电子装置线路图如图16所示。其关键技术包括：电力电子变换技术；电力系统控制技术；电磁干扰和谐波抑制技术；宽禁带电力电子技术；电力系统健康管理与监控技术；电力电子装置的热分析和散热技术；电力电子固态开关技术。

电力电子变换和控制是低碳推进的电动飞机的核心，和电动汽车发展一样，它就是著名的核心关键三电（电机、电池和电控）之一——电控，它的发展也决定着飞机的性能，是实现碳中和目标下航空能源转型的关键[1，5-8]。

5.2.5飞机和动力的模拟与试验技术

飞机和动力的模拟与试验技术研究是飞机技术发展的重要一环，世界各国都在针对电动飞机、混合动力飞机的试验技术开展创新性研究。世界上有很多基于低碳推进动力的飞机推进系统仿真环境和试验设施，这些低碳推进动力系统仿真环境和试验设施也在不断进步完善中。其关键技术包括：低碳推进动力的模型仿真技术；低碳推进动力的试验测试技术；低碳推进动力的试验方法技术；飞机和低碳推进动力地面模拟技术；飞机和低碳推进动力的集成试验技术；飞机和低碳推进动力飞行包线的模拟试验技术。

国外飞机低碳推进系统的试验设施（见图17）已经有许多，但对于低碳电动飞机电力推进系统技术的测试试验设施刚刚开始研究，目前，航空前沿技术领域正在开展未来航空运输的各种飞机电力推进系统的架构研究，但是这些新型架构的研究在应用到飞机上之前，必须先在地面经过各种大规模和大功率的严格试验和测试，以排除可能存在的安全问题。

飞机要实现低碳高效的绿色发展目标，就要从上述5个方面进行优化设计和技术攻关，它们是飞机和低碳推进动力的核心与关键技术[3]。

6结束语

飞机的低碳化可分为两大技术趋势：一是飞机系统逐步朝着超高效率的方向发展，实现低碳减排目标，如采用自适应变循环的发动机推进技术，主要在防务新领域得到大量的攻关创新性研究；二是飞机能源向混合动力、电力推进的方向前进，飞机也可以采用分布式的布局，最大限度地实现航空低碳减排目标，主要在商用航空领域进行大量创新。

在碳中和的目标下飞机能源要实现转型，朝着低碳、高效的方向发展，将会对未来航空市场产生很大的影响，也为中国航空工业参与世界航空市场竞争带来了重大机遇和挑战。

飞机低碳化将使飞机供应商体系发生重大改变，将会创造出新的航空市场。如果我国要最大程度地进入这个新的航空市场，则需要在飞机低碳化技术上进行系统研究，并在技术上进行大量人力和物力投资。

根据我国制定的2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标，应明确制定我国航空工业相对应的碳中和目标和路线图，并确定我国飞机低碳化技术的投资计划，重点建设国家级高水平飞机能源转型的集成和测试平台，以支持我国航空工业低碳化的技术集成和测试，提高我国航空工业低碳减排的技术水平。

飞机低碳化技术是未来飞机的发展方向，是飞机减少污染排放、降低噪声和满足国际社会未来发展的必由之路，也是我国承诺2060年前实现碳中和目标的关键推动力。相信未来，我国低碳的航空产业会不断发展壮大，带动整个人类社会朝着绿色、清洁和安全的方向迈进。

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Research on the Transformation of Aviation Energy Under the Goal of Carbon Neutrality

Li Kaisheng

AVIC Aerospace System Co.，Ltd.，Beijing 100028，China

Abstract： The Greater Paris Agreement on Climate Change represents the general direction of the global green and low-carbon transformation， is the inevitable demand of mankind to a low-carbon society， and the transformation technology of carbon neutral aviation energy is one of the core technologies that next generation of aircraft urgently needs to study. As the next generation of aircraft moves towards lower carbon， more efficient， smarter and less polluting goals， the transformation of aircraft energy systems is an important support for meeting these new requirements. Based on the development of new energy technology in foreign aviation， combined with their own analysis and thinking， this paper introduces low-carbon energy technology from the concept of energy transformation under the carbon neutrality goals of next generation of aircraft， aviation to achieve low-carbon energy goals and needs， aviation energy transformation road map， measures and technical challenges， and low-carbon thinking. It also points out that the key technology to break through can provide reference for the research design and future development of next generation of low-carbon aviation.

Key Words： carbon neutrality； low-carbon energy technology； low-carbon propulsion technology； hydrogen fuel； electric aviation； aviation energy transformation