气候技术观察：氢动力航空（英）

Climate-Tech看:氢-动力航空 汉娜尔|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氢能的成本并克服飞机设计挑战。 关键的外卖 商用航空约占全球二氧化碳（CO2）的排放量，预计这一比例还会增长。根据能源信息管理局的数据 ，航空业无法在2050年之前实现净零排放的目标。 航空业的领导者将氢视为解决中短途航班气候影响的潜在解决方案。但目前每兆瓦时（MWh）的成本是传统喷气燃料的两到四倍。 为了使氢气可行，成本必须下降，飞机制造商需要对飞机和发动机设计进行重大修改，运营商将需要新的燃料分配基础设施。 包括空中客车在内的几家公司正在开发演示飞机;然而，目前还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（RD&D）支持，以降低氢价。但需要进一步的研发支持，才能将氢动力飞机推向市场，了解气候影响，并使低成本、清洁的氢气得到广泛应用。 itif.org 它是什么? 氢可以通过在改进的喷气发动机中燃烧在燃料电池中用作飞机的动力源。它还可用于制造合成燃料，本系列将单 独讨论。0f1氢的高能量密度-大约是喷气燃料的2.5倍-以及零CO的潜力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，该行业将需要全新的飞机设计和扩大低碳氢的供应。2 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，压缩机提高压力并将空气送入燃烧室。然后将燃料喷射到燃烧室 2f 中，与高压空气混合并燃烧。由此产生的热高压空气是产生推力的原因。3与携带自身氧气的火箭发动机不同 ，喷气发动机从周围空气中抽取氧气。通过某些修改，燃烧喷气燃料的燃气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，但总排放量将取决于氢气的产生方式和氮氧化物（NOx排放仍然是一个问题。4 4f 图1：典型燃气涡轮喷气发动机示意图5 3f 5f 6f 氢还可用于在燃料电池中产生电力-一种通过一系列涉及氧气的反应将氢中的化学能转化为电能和热量的装置，副产品是水。燃料电池可以独立用于螺旋桨飞机（例如涡轮螺旋桨飞机）的推进。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。6为了增加航程和有效载荷尺寸，燃料电池还可用于带有燃氢燃气涡轮发动机的混合动力推进系统。7在混合动力系统中，燃料电池在巡航飞行期间充当主要动力源，燃气轮机旨在为起飞和爬升提供主要推力。混合动力系统的环境效益包括提高燃油效率和减少NO排放x排放和航迹云的形成。8 7f 在能量转换作用 2018年，商用航空约占全球CO的2.5%。2排放和非一氧化碳时高达3.5%的变暖2对气候的影响是包括在内 。9 8f商业航空业在全球温室气体排放中所占的份额正在增长。 9f 根据国际能源署（IEA）的数据，该行业尚未走上实现脱碳目标的轨道。10实现避免气候变化最坏影响所必需的 脱碳水平将需要各种新技术，其中许多技术尚未商业化。 11f 氢被认为是传统喷气燃料的有前途的替代品，主要是由于其高比能量。与电动飞机相比，氢动力飞机的航程限制可能更少，并且可以适用于从小型通勤航班到中程飞机的任何东西。10f11国际清洁运输理事会（ICCT）最近的一项分析发现，预计将于2035年投入使用的氢动力飞机模型可能服务于多达三分之一的客运航空运输量。12表 1说明了主要的航空低碳和零碳技术可以在商业航空部门部署的地方。 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 通勤 SAF 电动或 电动或 电动或 电动或 电动或 电动或 9-19席位<60分钟的航班<1%的工业有限公司 氢燃料电池和/或 氢燃料电池和/或 氢燃料电池和/或 氢燃料电池和/或 氢燃料电池和/或 氢燃料电池和/或 2 SAF SAF SAF SAF SAF SAF 表1：低碳和零碳技术可在商用航空中部署的地方13 12f 区域50-100个席位30-90分钟的飞行 ~3%的工业有限公司2 SAF SAF 电力或氢燃料电池和/或 电力或氢燃料电池和/或 电力或氢燃料电池和/或 电力或氢燃料电池和/或 电力或氢燃料电池和/或 SAF SAF SAF SAF SAF 短途 SAF SAF SAF SAF 氢和/或SAF 氢和/或SAF 氢和/或SAF 100-150个席位45-120可能一些分钟的飞行氢~24%的工业有限公司2中途 SAF SAF SAF SAF SAF SAF SAF 100-250个席位 可能一些氢 可能一些氢 可能一些氢 60-150分钟的飞行~43%的工业有限公司2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 13f 可持续航空燃料（SAF）预计将成为航空业脱碳的最大驱动力，直到2030年代中期，因为它已经商业化，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，SAF能否以足够大的规模可持续生产以满足全球100%的航空燃料需求仍然存在不确定性。液动力（PtL）SAF是一种从氢气生产喷气燃料的替代方法 15f氢等替代推 ，其原料限制较少;然而，使用PtL途径生产SAF既昂贵又效率低下，需要一氧化碳2两次被捕获。14f15根据航空航天技术研究所（ATI）的数据，到2030年中期，液氢预计将变得比PtLSAF更环保，更便宜。16 进技术可能提供一种方法来减少短途飞行的喷气燃料需求，以便SAF可用于最难脱碳的旅行。 技术挑战 全球航空业将需要克服重大的技术挑战，以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 16f 的燃料储存。需要更大体积的液氢才能提供与传统喷气燃料相同的能量，并且需要在非常高的压力和低温下进行控制以保持液态。大多数商用飞机在机翼中储存燃料;然而，储存液氢所需的大油箱尺寸意味着油箱必须位于飞机的主体或机身中。17这在燃料储存和载客量之间产生了权衡。 另一个重大挑战是评估non-CO2氢燃烧的相关气候影响。在巡航高度，水蒸气与大气中的烟尘和颗粒相互作用，形成冷凝痕迹，凝结尾迹。这些凝结尾迹对大气温度有短暂的影响-寿命从几天到一年不等。虽然氢气燃烧不排放一氧化碳2,它发出x水蒸气几乎是化石燃料的三倍。17f18初步模拟表明，氢燃烧可以减少反转物的形成，但需要更多的研究-特别是空中研究-以充分了解氢燃烧对气候的影响。19 全球进展 氢能飞机过去曾试飞过，但受到技术限制的大规模使用受到阻碍。然而，最近通过的行业脱碳目标再次激发了政 18f 府和行业的兴趣。19f20该技术仍处于非常早期的阶段-国际能源署已将其技术准备水平（TRL）定为3-4，或早期原型阶段-氢飞机至少要到2035年才能商业化。21 21f 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，用于建造机载液氢存储系统并将其集成到实验飞机中。储氢系统已经完成，预计20f 将于2022年开始试飞。22德 22f 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，该项目将燃料电池系统集成到多尼尔328涡轮螺旋桨飞机中。该演示飞机计划于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系统改装一架40-80座螺旋桨飞机。该财团预计到2028年能够将乘客从荷兰运送到伦敦。24 图2:Dornier328涡轮螺旋桨飞机25 24f 23f 25f 26f 空中客车公司是这一努力中最大的行业参与者之一，它与波音公司一起拥有90%的飞机市场份额。作为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，并计划在2035年之前将其推向市场。三种设计中最大的一种是窄体涡扇飞机，可搭载165名乘客，飞行距离可达3，400公里。26作为该计划的一部分，空中客车公司还在研究氢气燃烧对矛盾形成的影响。27新的飞机设计通常需要制造商的大量投资，并且存在重大风险，因此空中客车公司对氢推进的信心是该技术未来的一个有希望的迹象。28 在美国的进步 美国能源部航空脱碳路线图认为氢在2050年之前不会发挥重要作用，联邦支持有限;然而，美国仍然取得了一些 进展。20082729此后， 年，波音公司进行了世界上第一次载人氢燃料电池动力飞行，证明了这项技术是可能的。28f 波音公司获得了国防高级研究计划局（DARPA）的资助，用于开发一种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挑战。30 其他几家美国公司也一直在努力使氢动力航空成为现实。2021年，普惠公司获得了能源高级研究计划局（ 30f ARPA-e）的380万美元，用于开发氢推进技术。31总部位于洛杉矶的初创公司UniversalHydrogen正在研究一种 易于设计的氢29f燃料胶囊。 运输并直接装载到飞机上。UniversalHydrogen正在新墨西哥州建立一个制造中心，该中心将于2024年投入运营 32度 31日f ，并与11家航空公司达成协议，改造支线飞机以使用氢气飞行。32另一个主要竞争者是总部位于华盛顿的初创公司ZeroAvia，该公司已筹集7400万美元用于开发第一架小型短程氢能飞机。332023年1月，ZeroAvia完成了一架 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。尽管该技术距离商业化还有很长的路要走，但ZeroAvia已经预订了1，500台发动机。34 关键政策问题 33 新飞机设计的发展历来是由飞机制造商（主要是波音和空客）的大量投资推动的，并且通常伴随着高风险。需要公共研发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，并使低成本、低碳的氢能广泛可用 。《2021年基础设施、投资和就业法案》授权并拨款95亿美元用于清洁氢。最重要的是，《降低通货膨胀法 34f 》为清洁氢提供了生产税收抵免。35 氢气比喷气燃料更昂贵，在飞机上储存液氢所需的更大油箱将减少容量，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氢的成本;然而，即使氢气的成本显着降低，在飞机或燃料电池中使用氢气燃烧仍然会导致航空公司费用的大幅增加。 目前，与过去20年传统喷气燃料的平均市场价格相比，每兆瓦时的氢气平准化成本（LCOH）是其两到四倍。35 f36ICCT的一份白皮书估计，使用绿色氢为飞机提供燃料的成本高于使用传统的喷气燃料，但低于使用合成电子 36f 煤油，合成电子煤油也可以由氢气生产。ICCT认为，需要碳定价来缩小与化石燃料的差距。37 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。联合国机构国际民用航空组织（ICAO）最近通过了一项到2050年实现净零排放的国际航空的长期理想目标;然而，该具体目标不具约束力，没有设定任何具体的国家目标。美国的领导地位可以加速氢能飞机的商业可用性，但最终需要更多的国际合作来确保其他国家采用清洁航空技术。 期待 预计SAF将在短期内在减少航空对气候的影响方面发挥最大作用，但SAF能否以足够大的规模可持续生产仍存在 37度 很大的不确定性。38需要探索氢等其他脱碳途径，以使航空业走上实现净零排放的轨道。使氢能飞机商业化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。此前，博伊尔斯是韦尔登库珀中心和弗吉尼亚州夏洛茨维尔的ROMAC实验室的研究助理，并在美国能源协会实习。博伊尔斯拥有弗吉尼亚大学航空航天工程理学学士学位。 关于ITIF 信息技术与创新基金会（ITIF）是一个独立的，非营利的，无党派的研究和教育机构，专注于技术创新和公共政 策的交