欧洲航空工业的氢能布局

杜婷

欧盟围绕未来氢能在各行业的应用制定了详细的发展规划，并将氢能定位为战略能源之后，欧洲航空业也快速跟进，围绕从氢能的生产、存储和应用到飞机设计、技术整合、机场运营开始了全产业链研究。

近年来，全球应对气候变化的压力日益突出，氢能作为一种有望在多领域有效替代化石燃料的清洁能源受到了欧洲的高度关注。欧盟围绕未来氢能在各行业的应用制定了详细的发展规划，并将氢能定位為战略能源之后，欧洲航空业也快速跟进，围绕从氢能的生产、存储和应用到飞机设计、技术整合、机场运营开始了全产业链研究。

空客看好氢能源

2020年，空客发布了一组氢能源飞机概念图，并计划在2035年左右将氢能源飞机投入市场。此后，欧洲其他产业链相关企业和美国一些初创公司也陆续表示，有意进军氢能源飞机市场。随着飞机制造商开始参与到供应链之中，巴黎的机场运营商开始选择合作伙伴进行基础设施装备的测试，欧洲航空安全局（EASA）开始关注这一新兴的研发领域。

针对氢能飞机研发，空客计划在2020～2024年进入为期5年的技术成熟期，在2025～2027年寻找资本和供应商并建立生产系统，在2027～2028年启动飞机生产计划，目标是在2035年将氢能飞机投入使用。同时，空客也表示，氢能源飞机的应用意味着产业链的重构，不仅需要空客投入研发资源，更需要产业链企业共同参与。

阿丽亚娜集团在其控股股东空客和赛峰的支持下也已开始了氢能源飞机的相关研发工作，并启动了一个名为Hyperion的项目。该项目主要用于研发飞机上的液氢分配系统等，部分资金来自法国政府对航空业的援助计划，公司计划在2023年对小型氢推进系统进行地面测试。

但是，氢能的利用还面临一些技术挑战。例如为了达到适合的能量密度必须使用液态氢，而氢在-252℃以下才能液化，因此在液氢储存方面面临巨大挑战。另外，航空业作为全球性产业，氢能全球可用性就是关键问题，特别是如何以环保的方式制备氢气。例如，氢燃料是在全球范围内提供供给还是只在某些地区提供等。

对此，空客表示，相比航天业，航空业使用氢能源的环境更复杂。但尽管如此，考虑到航空业在常规燃料的使用中已经掌握了一些运营经验，因此相信未来也完全可以安全使用氢燃料。此外，空客对于未来氢能在支线飞机或中短程窄体客机的使用上持乐观态度。以A320系列飞机为例，空客认为除了常规的设计更改之外，未来利用氢能来提高飞机的使用效率也是一条值得探索的发展路径。

EASA关注氢能的应用

作为行业监管方，欧洲航空安全局认为，尽管氢能在航空业的大范围使用还需要时日，但有一些工作需要提前谋划。

目前，EASA已经成立了科学委员会用来加强氢能应用方面的学术合作。EASA预计，制定氢能使用的相关规章至少需要四五年时间，因此前期的认证分析工作需要尽早启动。同时，EASA还十分关注氢能的运输链等问题。例如在加注燃料的时候，氢燃料的风险与目前Jet-A1燃料有着显著不同，因此必须对地面氢燃料运输网络进行认证，加注时间可能也需要监管，加注时必须与机场运营商进行沟通。这也意味着航空业向氢能转型，不仅涉及飞机产品，还需要机场在战略层面提前规划。在这方面，巴黎的一些机场已经开始着手进行尝试。

日前，巴黎机场运营商——Groupe ADP领导11家公司开始了一个名为“H2枢纽机场项目”的研究工作，该项目包括研究以氢作为航空燃料的一些实地测试。目前，这一研究工作从收到的124份意向征集书中筛选出了11个项目，主要涉及3个领域，即氢能的生产、储存、运输和分配;氢能应用的多样化;氢能和其他副产品的回收。有不少法国当地企业已经开始参与这一项目，法国Absolut系统公司就是其中一家。

法国Absolut系统公司专门从事低温系统的研发，特别是用于科研、卫星和超导的系统。此前该公司已经开始与空客合作，进行商用飞机设计超导系统的研发。公司认为，其已有的研发经验可应用在未来氢能飞机的运营中，解决诸如气化倾向强烈的问题。

液氢在储罐中储存时，有一部分会气化，因此Absolut系统公司正在研究如何回收低温的气体氢。目前公司已经用多种气体进行了测试，技术处于4级成熟度（TRL4）的水平，估计在经过大量试验验证后，当技术成熟度达到TRL 6之后，该技术才能用于产品开发。

创新的制氢方案

2017年，法国绿色能源供应商Sakowin表示已经具备了一种生产氢气的绿色解决方案。如果对氢气制取采用集中生产的方式，就必须对氢气进行运输和储存，那么氢能与石油能源相比就没有竞争力。天然气的储量预计还能维持数百年，是目前制取氢气最有效的来源。

天然气主要由甲烷（CH4）构成，虽然燃烧甲烷的能效也很高，但会释放二氧化碳，而Sakowin公司的技术可以在不产生CO2的情况下从甲烷中提取氢气。Sakowin公司采用低能等离子体技术，工艺过程与从石油制品中生产“灰色”氢的重整过程相近，产生的碳则可以用于电池电极和轮胎。

制氢的紧凑型反应装置设置在一个独立的隔间内，通过2个或多个隔间的组合使系统模块化，由于反应装置可以安装在靠近使用氢能的地方，因此这种模块化的生产模式可实现分布式生产。其中一个反应装置的功率需求约80千瓦，每天可以产生1吨的氢气，而且无需运输和储存环节。Sakowin公司已经建成了一个在实验室环境下运行的原型设备，当前达到了TRL4的水平，有望在2025年上市量产型设备。

美国Ways2H公司成立于2019年，该公司也研发了一套系统用于氢能源生产。该公司使用的原料主要是各种有机废物，采用热化学转化工艺。日本蓝色能源公司（JBEC）和美国投资集团清洁能源公司是Ways2H的两大股东，其中JBEC从21世纪初开始研发相关技术，并在日本建造了4座测试设备来改进技术。

Ways2H公司表示，最新版的反应设备自2018年以来一直在东京附近成功运行，公司在此基础上还设计了一种更紧凑、更便于运输的型号，设备制造已于2021年3月完成建设。该技术的原理是将有机物分解成分子，如甲烷、水、碳氧化物和氢，其中氢的含量达到50%以上，再使用气体分离技术来提取氢气。该技术的重要特征是温度管理，系统能够自稳定反应温度，防止温度过高而转化为危险的高压，也防止温度过低而导致焦油的形成。

可以用Ways2H公司这一技术处理的原料很多，包括木屑、城市垃圾、污水污泥或医疗废物等，该公司正准备在洛杉矶地区安装一个反应装置，每天可以用1吨城市垃圾生产40～50千克氢气。当然Ways2H公司的技术也能够处理机场中的可用垃圾。由于机场拥有自己的专属车队，是发展氢能基础设施的理想场所。Ways2H预计巴黎戴高乐机场修建的设施每天将能够处理24吨垃圾，从中可以提取1.5吨氢气，足以供300辆氢燃料汽车使用。尽管目前这种设备还不能产生足够的氢来给飞机使用，但可为地面运营的车辆提供燃料。

此外，该制氢设施还具有分布式的特点，可将垃圾处理和制氢装置打造成微型网络，机场也不再需要付费运输垃圾，由此可见，Ways2H公司提供的是一种循环经济的理念。

更安全的氢能储运和管理方案

Air Liquide是一家专门为航天发射制造液氢和液氧的公司，公司目前正在研发“高容量、高输出和可快速连接的”液氢加注车。该车的成熟度已经达到了TRL 5的水平，预计在2025年可以投入市场，为机场的地面车辆加氢站提供燃料。由于公司也在运用冷凝蒸汽技术，因此能与法国Absolut系统公司的技术实现协同效应。

其他的氢燃料地面支援设施近期可能就会出现在机场，有地面动力装置、飞机拖车、行李拖车或装载机等类型，技术成熟度等级为TRL6～9不等。一家法德合资财团和Engie能源集团正在设计此类系统和车辆，并界定装备用途及培训驾驶员等。美国初創公司环球氢气公司计划将支线飞机改装为氢燃料电池飞机，使用模块化储氢罐对氢进行储存和运输。

法国民航局（DGAC）、国家工业环境与风险研究所（Ineris）和古斯塔夫埃菲尔大学联合成立了H2应用联盟。由于氢将在机场内用于多种用途，因此必须解决一些安全和安保问题，并及早识别重要风险。

例如装满易燃易爆性原料的储氢罐不应位于控制塔台旁边，且氢也可能面临Jet-A1燃料目前面临的问题，例如在加氢过程中可能会被其他车辆扯掉加氢管导致氢燃料泄漏等。要为这些风险做好准备，就需要设计一个安全系统来防止大面积泄漏。

因此，总体来看，很多氢能项目的成熟度还很低，整体可能只有TRL2水平，距离真正的运营还有很长的路要走。

DLR主导的示范工程

德国汉堡正着手筹建氢能源相关开发平台，为新能源航空产业发展应用做准备。根据规划，未来两年内，由德国汉堡市出资，德国航空航天研究中心（DLR）、汉莎航空技术公司、应用航空研究中心（ZAL）和汉堡机场将基于各自专业优势，联合开展一项制氢/储氢/用氢示范工程，进行氢能维护/地面处理过程的设计和测试，为全球航空产业氢能源安全、高效应用奠定基础。

研发团队由DLR领导，其中DLR负责氢能应用虚拟环境的开发，汉莎航空技术公司负责商用飞机平台维修和改装，ZAL负责燃料电池和数字化验证，汉堡机场作为主要运营商负责定义未来液氢动力飞机的地面处理要求。

德国汉堡作为世界上最大的3个航空运输枢纽之一，在2020年提出了成为主要的氢能运用大都市的愿景。目前，汉堡港口、能源部门、工业界、航空界都参与其中，为氢能技术突破做准备。

DLR的氢能应用项目第一阶段工作目标是在2021年底，由研发团队评估出最急需的研究领域，以确定攻关方向，在此基础上开展概念研究和相关测试。2022年初开始概念验证实施，包括对一架退役的空客A320飞机进行改装。该机将配备液态氢制备所需的相关基础设施，作为汉莎技术公司汉堡基地的一个功能齐全的固定实验室。

同时，DLR还将创建一个虚拟平台，通过参数化的高精度虚拟模型，验证在地面上使用氢能对飞机平台运行维护的具体要求。这些数字化过程可直接用于面向未来需求的飞机配置设计。

汉堡机场将基于专业技术储备，重点攻关解决氢能在机场的储存和输送问题。通过该试验项目，汉堡机场能够最终确定气体氢能源和液态氢能源之间的协同效应，并尽可能充分利用这种新能源。根据先期构想，气态氢将用作行李牵引车，液态氢将用作飞机能源。