值得关注的气候技术：氢动力航空

Climate-Tech看:氢- 驱动的航空 汉娜尔斯|2023年2月 政策制定者和航空业将氢视为一种有前途的低碳航空燃料。但要使氢动力飞行成为现实，他们首先需要降低绿色成本氢和克服飞机设计的挑战。 关键的外卖 商用航空约占全球二氧化碳（CO2) 2018年的排放量，预计这一比例还会增长。并根据能量信息管理部门，航空部门没有走上实现净目标的轨道2050年零排放。 航空业的领导者将氢视为解决 中短途航班对气候的影响。但目前的成本是两到四倍每兆瓦时（MWh）比传统喷气燃料更多。 为了使氢气可行，成本必须下降，飞机制造商将需要对飞机和发动机设计进行重大修改，运营商将需要新燃油配送基础设施。 包括空中客车在内的几家公司正在开发演示飞机;但是，它是目前尚不清楚这些原型何时可以商业化。 立法者提供了税收抵免和研究、开发和示范 （研发）支持降低氢价。但需要进一步的研发支持才能带来氢动力飞机上市，了解气候影响，并制造低成本， 清洁的氢广泛使用。 itif.org 它是什么? 氢可以通过在改装喷气机中燃烧在燃料电池中用作飞机的动力源发动机。它也可用于制造合成燃料，本文将单独讨论 系列。0f1氢的高能量密度-大约是喷气燃料的2.5倍-以及 2 零潜力有限公司2排放使其成为传统喷气燃料的有吸引力的替代品。然而，为了使氢成为航空脱碳的可行燃料，该行业将需要激进的新的飞机设计和扩大低碳氢的供应。1f 氢动力是如何工作的呢? 在燃气涡轮发动机中，环境空气被吸入发动机，压缩机将压力并将空气送入燃烧室。然后将燃料喷射到 燃烧室，与高压空气混合，燃烧。由此产生的热高 2f 空气压力是产生推力。3与携带自身氧气的火箭发动机不同，喷射发动机从周围空气中抽取氧气。经过某些修改，喷气燃料燃烧气体 涡轮发动机可以燃烧氢气代替传统的喷气燃料。氢气不排放一氧化碳2燃烧过程中的排放，但总排放将取决于氢气的含量 产出氮氧化物(NOx排放仍然是一个问题。3f4 5 图1：典型燃气涡轮喷气发动机示意图4f 氢还可用于在燃料电池中产生电力-一种将 氢中的化学能通过一系列反应转化为电能和热量，涉及氧气，副产物是水。燃料电池可以独立用于推进 6 螺旋桨飞机（例如涡轮螺旋桨飞机）。然而，鉴于燃料电池的功率密度限制，具有重有效载荷的长途飞行不太可能完全由燃料电池提供动力。5f 为了增加航程和有效载荷尺寸，燃料电池也可用于混合动力推进。带有氢气燃气涡轮发动机的系统。6f7在混合动力系统中,燃料电池作为巡航飞行期间的主动力源和燃气轮机设计用于提供主要推力 用于起飞和爬升。混合动力系统的环境效益包括提高燃油效率和减少不x排放和航迹云的形成。7f8 在能量转换作用 2018年，商用航空约占全球CO的2.5%。2排放, 9f 当non-CO3.5%的变暖2对气候的影响是包括在内。8f9的份额商业航空部门的全球温室气体（GHG）排放量正在增长。根据国际能源署（IEA）的数据，该行业尚未走上满足的轨道脱碳目标。10达到必要的脱碳水平，以避免 气候变化的最坏影响将需要各种新技术，其中许多不是然而商用。 氢被认为是传统喷气燃料的有前途的替代品，主要是因为它的高比能量。与氢动力飞机相比，氢动力飞机的航程限制可能更少电动飞机，适用于从小型通勤航班到中程航班的任何飞行 飞机。10f11国际清洁交通理事会（ICCT）最近的一项分析发现预计在2035年投入使用的氢动力飞机模型可以像 航空客运交通的三分之一。11f12表1说明了主要的低碳和零碳航空技术可以部署在商业航空部门。 表1：低碳和零碳技术可在商用航空中部署的地方12f13 区域SAFSAF电动或氢 电动或氢 电动或氢 电动或氢 电动或氢 50-100个席位 30-90分钟的飞行 ~3%的工业有限公司 燃料电池和/或 燃料电池和/或 燃料电池和/或 燃料电池和/或 燃料电池和/或 2SAFSAFSAFSAFSAF 中途 100-250个座位 SAF SAF SAF SAF SAF 可能一些 SAF 可能一些 SAF 可能一些 长途 SAF SAF SAF SAF SAF SAF SAF 250个座位 >150分钟的飞行 ~30%的工业有限公司2 短途 SAF SAF SAF 100-150个座位 45-120分钟的飞行 ~24%的工业有限公司2 SAF 可能 一些氢 氢 和/或 SAF 氢 和/或 SAF 氢 和/或 SAF 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 通勤 SAF 9-19席位 <60分钟的航班 <1%的工业有限公司 2 电动或 氢 燃料电池和/或SAF 电动或 氢 燃料电池和/或SAF 电动或 氢 燃料电池和/或SAF 电动或 氢 燃料电池和/或SAF 电动或 氢 燃料电池和/或SAF 电动或 氢 燃料电池和/或SAF 60-150分钟的飞行 ~43%的工业有限公司2 氢氢氢 可持续航空燃料（SAF）有望成为美国脱碳的最大驱动力航空业直到2030年代中期，因为它已经商业化并进入 13f 预计氢能飞机最早要到2035年左右才能投入使用。14尽管如此, 可持续航空燃料能否以足够大的规模可持续生产，以 满足全球100%的航空燃油需求。动力转液（PtL）SAF，一种替代方法用于从氢气生产喷气燃料，原料限制较少;然而，生产SAF 15f 使用PtL途径成本高昂且效率低下，需要CO2两次被捕获。14f15根据对航空航天技术研究所（ATI）来说，液氢预计将变得更加环保，更便宜比PtLSAF2030年代中期。16等替代推进技术 氢能可能提供一种减少短途飞行的喷气燃料需求的方法，以便SAF可以用于hardest-to-decarbonize旅行。 技术挑战 全球航空业将需要克服重大技术挑战，以便 使氢推进成为传统喷气燃料的可行替代品。最大的障碍之一是飞机上的燃料储存。需要更大体积的液氢来提供 与传统喷气燃料相同的能量，并且需要将其控制在非常高的水平压力和低温以保持液态。大多数商用飞机储存燃料 16f 翅膀;然而，储存液氢所需的大油箱尺寸意味着燃料箱必须位于飞机的主体或机身中。17这将创建一个权衡燃料储存和客运能力之间的关系。 另一个重大挑战是评估non-CO2有关的气候影响的氢 燃烧。在巡航高度，水蒸气与大气中的烟灰和颗粒相互作用 形成凝结的痕迹，凝结尾迹。这些凝结尾迹对大气有短暂的影响温度-寿命从几天到一年不等。当氢气燃烧时 17f 不排放一氧化碳2，它确实排放一氧化x碳，水蒸气几乎是化石基水蒸气的三倍喷气燃料。18初步模拟表明，氢燃烧可减少矛盾的形成，但 需要更多的研究，特别是空中研究，以充分了解气候氢燃烧的影响。18f19 全球进展 19f 氢能飞机过去曾试飞过，但大规模使用受到阻碍技术约束。然而，最近通过的行业脱碳目标已经激发了政府和行业的兴趣。20这项技术仍处于早期 阶段——IEA为其提供3-4的技术准备级别（TRL）或早期原型阶段——以及氢能飞机至少要到2035年才能商业化。20f21 几家公司正在努力用燃料电池动力系统改造现有的涡轮螺旋桨飞机。西班牙的一个项目HEAVEN已获得欧盟的资助，用于建造一种船上液体储氢系统并将其集成到实验飞机中。储氢 21f 系统已经完成，预计2022年开始试飞。22德国 航空航天中心正在与德国飞机公司合作领导一个类似的项目，该项目将将燃料电池系统集成到多尼尔328涡轮螺旋桨飞机中。演示平面是 22f 计划于2025年首次起飞。23一个荷兰财团也获得了来自 荷兰政府将用氢燃料电池动力改装40-80座螺旋桨飞机 火车。该财团预计到2028年能够将乘客从荷兰运送到伦敦。23f24 图2:Dornier328涡轮螺旋桨飞机24f25 这项工作中最大的行业参与者之一是空中客车公司，它与波音公司一起拥有市场占飞机市场90%的份额。作为其ZEROe计划的一部分，空中客车公司正在努力开发混合动力氢动力飞机的三个概念，打算将其推向市场 25f 26f 到2035年。三种设计中最大的一种是窄体涡扇飞机，可携带165架乘客达3400公里。26作为该计划的一部分，空中客车公司还在研究氢燃烧在航迹云的形成。27新飞机设计通常需要大量 来自制造商的投资和代表重大风险，因此空客对氢气的信心推进是该技术未来的一个有希望的迹象。27楼28 在美国的进步 美国能源部航空脱碳路线图并未将氢视为 在2050年之前发挥重要作用，联邦支持有限;但是，一些 28f 美国仍然取得了进展。2008年，波音公司驾驶世界上第一架载人飞行氢燃料电池动力飞行，证明该技术是可能的。29波音公司已经 获得国防高级研究计划局（DARPA）的资助，以开发 用于储氢的低温燃料箱，这将有助于解决一些与储存相关的问题挑战。29f30 其他几家美国公司也一直在努力使氢动力航空成为一种 现实。2021年，普惠公司获得了380万美元的高级研究项目资助。 30f Agency-Energy（ARPA-e）开发氢推进技术。31和洛杉矶 初创公司UniversalHydrogen正在研究一种易于设计的氢燃料胶囊 运输并直接装载到飞机上。通用氢能正在建立制造 新墨西哥州的枢纽将于2024年投入运营，并与11家航空公司达成协议改造支线飞机乘坐氢。31日f32另一个主要竞争者是ZeroAvia，华盛顿 这家初创公司已经筹集了7400万美元，用于开发第一个小型短程氢气 飞机。32度332023年1月，ZeroAvia完成了19座多尼尔228涡轮螺旋桨飞机的试飞部分由氢燃料电池动力系统提供动力的飞机。即使该技术是 距离商业化还有很长的路要走，ZeroAvia已经预订了1，500台发动机。33度34 关键政策问题 新飞机设计的发展历来是由来自 飞机制造商（主要是波音和空客），并且通常具有高风险。公共研发需要支持来加速氢动力飞机的市场准备， 了解氢燃烧对气候的影响，并制造低成本、低碳 氢气广泛可用。2021年基础设施、投资和就业法案授权和 拨款95亿美元用于清洁氢。最重要的是，《降低通货膨胀法》提供了清洁生产税收抵免氢。34f35 氢气比喷气燃料和储存液体所需的更大燃料箱更昂贵 因此，飞机上的氢气将减少容量，从而减少收入。税收抵免和研发（R&D）支持将大大有助于降低以下方面的成本 氢;然而，即使氢气的成本显着降低，氢气的使用 对于飞机或燃料电池中的燃烧仍会导致航空公司的大幅增加费用。 35f 目前，氢的平准化成本（LCOH）是每兆瓦时的两到四倍。与过去20年传统喷气燃料的平均市场价格相比。36一个 ICCT的白皮书估计，使用绿色氢为飞机提供燃料的成本将高于 使用传统的喷气燃料，但比使用合成电子煤油少，合成电子煤油也可以生产来自氢气。ICCT认为，需要碳定价来缩小与化石的差距 喷气燃料。36f37 此外，航空业是一个全球性产业，需要采取全球行动来实现净零排放。在这方面取得了一些进展。国际民用航空组织 联合国机构（国际民航组织）最近通过了一项长期的国际标准目标。 到2050年实现净零排放的航空业;但是，该目标是不具约束力的，并且没有设置任何特定的国家目标。美国领导层可能加速氢气的商业可用性 飞机，但最终需要更多的国际合作来确保其他国家采取清洁航空技术。 期待 预计SAF将在近期减少航空对气候的影响方面发挥最大作用期限，但SAF能否生产仍存在很大的不确定性 37度 持续在一个足够大的规模。38氢等其他脱碳途径需要探索使航空业走上实现净零排放的轨道。制造氢能飞机商用将需要大量的公共部门资金用于研发以及 补充政策和国际合作。 致谢 作者要感谢DavidHart和EdRightor对本报告的帮助。 关于作者 汉娜·博伊尔斯（HannahBoyles）是ITIF清洁能源创新中心的研究助理。以前博伊尔斯是韦尔登库珀中心和ROMAC实验室的研究助理。 弗吉尼亚州夏洛茨维尔，并在美国能源协会实习。博伊尔斯拥有学士学位弗吉尼亚大学航空航天工程理学学位。 关于ITIF 信息技术和创新基金会（ITIF）