氢能航空

执行摘要 在众多行业中实现能源去碳化是全球的重点任务，其中航空业尤为重要。氢能在帮助英国航空实现到2050年实现净零碳排放承诺中将发挥关键作用。本研究评估了氢能在未来南威尔士和西南英格兰航空业中的作用日益增长。 氢气可以直接用作改装喷气涡轮机或燃料电池动力链的燃料。间接地，它也是生产可持续航空燃料所必需的。因此，氢气将在航空业的碳减排中扮演核心角色。 通往净零排放的航线 虽然新一代传统飞机和更智能的运营将提高该行业的能源效率，预计到2050年，新燃料和相关技术（包括可持续航空燃料、氢能和电能）将在航空业减少碳排放中占据一半到三分之四的比例。 主要区域间航空氢能应用需求的关键阶段： 克服挑战，加速航空领域氢能的应用。 2050 年及以后 南非的增长推动可持续增长：西英格兰和南 威尔士 航空业机队中氢燃料飞机占比增加。可持续航空燃料（SAF）的使用要求约65%或以上，其中至少有一半来自高级SAF类型。 随着基础设施和安全标准的解决，氢能很可能成为商业航空旅行的更具可行性的选择。需要克服的挑战包括： 西南英格兰和威尔士是推进航空氢能的理想枢纽，因其可再生能源资源、现有航空航天产业、坚实的基础设施、支持性政策以及国际连通性。 2025-2030 第一代氢燃料飞机被投入营运服务，这些飞机是将传统涡轮螺旋桨飞机转换为氢燃料电池动力系统。针对传统飞机，安全航空燃料（SAF）规定含量约为10%。 该地区对氢的需求可能在最雄心勃勃的情景下达到每年120,000吨。 – 技术发展以降低动力系统和氢储存系统的重量和尺寸。 布里斯托尔机场将凭借其规模、增长、雄心勃勃的净零排放目标以及与氢能西南地区的合作，以及与易捷航空的伙伴关系（易捷航空在航空领域开创氢能应用先河）提供跳板。 氢能源基础设施发展 本地生产可能对于早期采用者和可持续航空燃料（SAF）是必要的。在西南英格兰和威尔士，LanzaTech将为航空业的规模化生产提供大部分本地SAF。该地区直接氢需求每年不到1,000吨。 氢生产与运输，其规模和形式符合机场需求。 英国政府致力于发展英国的低碳氢能力，这是能源安全和脱碳的关键部分。然而，航空业相较于政府承诺，将需要更多的氢供应。液化、储存和净化目前处于政府议程的低优先级，而电力需求的显著增加也带来了不确定性。获得政府在这些问题上的支持和承诺，反过来将增强投资者信心，以确保该地区顺利完成转型。 – 在机场处理氢气。 – 机场及飞机上的液态氢交付和配送基础设施。 2035-2045 更大型的二代飞机，从一设计之初就专为氢燃料设计，并使用喷气涡轮发动机（或混合配置）投入运营收入服务。要求使用约30%的可持续飞行燃料（SAF），对于传统飞机的先进SAF型（例如，PtL）有进一步的严格要求。 关键推动氢气基础设施发展速度的因素包括到2026年关于100%氢气供热潜在作用的决定以及对氢气的单个机场承诺。 在西南英格兰和南威尔士，布里斯托尔机场及其驻场航空公司将推动需求。根据过渡速度和新技术的成功程度，机场将需要一条直接的氢气供应管道以满足飞机加油和地面运营的需求。 为了满足氢能用于供暖和航空的双重需求，天然气分销网络需要重新规划并增加管道基础设施，包括通往大型机场。机场也可能需要扩大燃料飞机和地面运营（包括供暖）的供应管道，并增加新的设施以净化运输后的氢气。 该地区对氢的直接需求可能每年超过60,000吨，在最雄心勃勃的场景中，easyJet将优先考虑其在布里斯托尔机场将飞机过渡到氢能飞机。 引言 上下文与方法结构 引言 Arup与客户指定的利益相关者和氢能西南部（HSW）进行了合作，并随后交付了一份文献综述，该综述汇集了与英国航空工业相关的行业知识和最新发展。综述涵盖了当前的雄心、部署障碍以及使用现有天然气网络基础设施向需求点供应氢气的地理影响，特别是机场和可持续航空燃料（SAF）生产地点。 背景与方法 图1 威尔士和西英地区以及民航机场。 Arup 已被威尔士和西威尔士公用事业公司（WWU）委托，协助他们及其资助者 OFGEM 建设 South Wales 和 South West 地区氢能在航空领域潜在作用的战略和技术证据基础。该地区约有 7.5 百万人，如图 1所示。该地区拥有四个中型机场：布里斯托尔国际机场、卡迪夫机场、埃克塞特国际机场和新奎恩机场。该地区还有几个较小的机场，包括普利茅斯、彭赞斯、兰迪恩和圣玛丽机场。根据机场规模分类的 FlyZero 标准，该地区所有机场都被视为中小型，年乘客数量在 1000 万人次或以下。布里斯托尔是该地区最大的机场，2019 年服务了近 900 万乘客。 我们已经在WWU（世界大学联盟）影响范围内对航空需求进行了评估，重点关注布里斯托尔机场和其他地区机场作为案例研究，以更深入地了解其机遇和障碍。这些知识将有助于其他地区在英国航空领域考虑氢能源的相关决策。 该方法及其一些方法论假设可能适用于所有燃气输配网络（GDN）与航空业及更广泛航空航天供应链的互动（以及未来的发展机会）。本研究将有助于为西南部和南威尔士工业集群的氢能发展提供早期思考，并为该地区及更远范围的工作设定方向。 工作范围包括对氢需求（从需求、形式、纯度和其他考虑因素）的讨论，以及这些因素如何在2022年至2050年的不同阶段中发展演变。研究中包括的氢潜在需求包括地面运营、航空燃料、航空航天供应链和可持续航空燃料（SAF）的生产。 结构 报告结构在这些章节中进行了描述和解释： 足够的电力，例如，对设施的位置有重要影响。机场需要重新审视其总体规划，以确定合适的地点和可行性。 第七节 包含该地区主要机场的案例研究：布里斯托尔、卡迪夫、纽奎尔和埃克塞特。在此，我们提供了可能的需求情景，并对基础设施的影响进行了评论。同时，还提到了该地区的工业枢纽，这些枢纽在短期和中期内很可能是主要的氢气生成（以及液化）地点。 全球航空业氢能领域的概述。 讨论未来飞机技术和时间表。同时强调氢能和可持续航空燃料（SAF）在实现航空业脱碳方面的关键发展和试验。 第四章 关键的国家和区域政策对航空氢能具有影响。 第六节 本报告聚焦于南威尔士和西南地区，强调了氢能领域近期的发展。氢能西南部和南威尔士工业集群是促进该地区氢能活动投资和增长的组织。区域氢能利益相关者的参与是研究的关键要素。在本节中，我们突出了参与并贡献于研究的组织。 第八节 描述了在机场使用氢气的其他潜在用途，强调了通过承诺使用单一燃料来源所能实现的规模经济。 第五章 涵盖了航空能源系统，因为这对于理解未来生产和运输的燃料途径至关重要。氢和可持续航空燃料（SAF）可以通过不同的途径生产。这些途径在第五章中解释，同时还包括支持这些设施的关联要求。原则上，绿色电能和水用于“绿色氢”途径，核电能用于‘粉红氢’途径，天然气和碳捕获用于“蓝色氢”途径。需要提供 第11节 该区域覆盖了可持续航空燃料（SAF）生产所需的氢气。 第九节 详细描述了估算航空领域潜在氢需求所采用的方法：作为飞机的直接燃料；用于可持续航空燃料（SAF）的生产；以及用于机场地面运营。 第12节和第13节 报告以挑战与关键发现（第12和第13节）结束。 概述 航空的目标和策略 氢能在新型燃料中的作用 航空推动的氢需求液化反应存储和缓冲位置及其连通性 概述 排放，如电动飞机和氢动力飞机。 航空业的目标和战略 全球航空业因每年使用约3亿吨煤油而占全球人为二氧化碳排放的约2%。为应对这一问题，全球航空业通过国际民用航空组织（ICAO）在2022年设定了到2050年实现净零碳排放的目标（ICAO，2022）。英国在其《Jet Zero战略》中提出了航空目标，该战略同样旨在到2050年实现净零排放（交通部，2022）。它还旨在到2030年在英国燃料混合物中提供至少10%的可再生航空燃料，并设定了国内航班到2040年实现净零排放的目标。为了支持这些目标，英国政府成立了Jet Zero委员会，以发展英国实现净零和零排放技术的能力，具体方法包括： 与机场合作开发支持电动和氢动力零排放飞行的所需基础设施。 – 制定安全运营零排放飞机和基础设施所需的法规。 国际航空运输 该协会（国际航空运输协会，IATA）于2021年通过了一项决议，旨在到2050年实现运营净零碳排放（IATA, 2021）。它发布了一份战略文件，概述了为实现这一目标所需的全球性不同贡献（到2050年）： – 65% 可持续航空燃料 可持续航空净零碳排放路线图 – 13% 新技术、电力和氢能 – 3% 基础设施和运营效率 – 开发和工业化零排放航空与航天技术。 – 19%的抵消和碳捕集 – 通过投资建设首座SAFs工厂，支持科学研究的规模发展，并帮助加速SAFs的生产。在生产成本上大幅降低。 基于这一观点，超过三分之四的“解决方案”依赖于新型燃料和相关技术。 与航空行业合作–W行业致力于开发和部署能够减少新技术 可持续航空为英国航空行业提供了一个关于航空业随时间脱碳的观点。虽然与IATA战略在细节上有所不同，可持续航空同样预期未来大部分碳减排将来自新型燃料。 氢能在新型燃料中的作用 目前共识认为，三种燃料/推进技术将在航空业实现脱碳中发挥作用： – 电池电动 — SAFs – 氢气（在改装的喷气涡轮飞机中燃烧，或用于燃料电池以产生为电动飞机供电的电力） 虽然国际航空运输协会代表航空公司集体行动，但个别航空公司的承诺和决策将决定实现净零目标的途径及其程度。easyJet除了承诺到2050年实现净零排放外，还承诺通过零排放航班减少57%的排放，其余43%通过抵消来实现。easyJet最初将使用可持续航空燃料（SAFs）来帮助减少其碳排放，但预计在以后的年份中氢燃料将成为主要燃料（easyJet，2022）。 每种方法都具有独特的特性优势和劣势，这些与特定类型的飞行（即容量和航程）的相关适用性。它们还会影响到燃料、飞机和推进系统被引入以替换传统煤油燃料飞机的时间框架。 无论是作为SAF生产的原料还是作为自身的燃料，我们有理由相信，氢气将会面临由航空业驱动的巨大需求。由于能量密度和电池重量限制，电动飞机的角色将极其有限。 国际航空集团（IAG）是全球首个承诺到2050年实现净零排放，并计划到2030年通过可持续航空燃料（SAF）为10%的航班提供动力（英国航空，2023年）。到2050年，IAG预计其50%的脱碳将来自SAF。瑞安航空预计通过SAF实现34%的脱碳。然而，两家航空公司都未公开承诺使用氢能。地区航空公司Loganair已承诺到2040年使其机队实现净零排放，并将是充分利用即将上线的小型氢能飞机的关键候选者（英国航空，2021年）。 氢气的总需求由三个不同的部分组成： – 用于生产可持续航空燃料(SAFs)的气态氢 – 高纯度气态氢，用于燃料电池驱动的飞机 - 液态氢在燃料电池发电器中的应用，动力飞机和拉尔涡轮动力飞机 在加速氢能应用场景下，该地区对航空用氢的直接需求可能会高达120,000吨。1到2050年每年需求量预计将达到65,000吨。这些数字包含了对运输船装载量的允许——每个案例中约占总量的30%。 航空驱动的氢需求 1在本报告中，我们主要使用氢的质量（千克、吨等）进行比较，以不同形式提供。跨航空领域应用中的差异（在各种压力下的气体，以及液化）。在此相关的情况下，能源含量（兆焦耳、吉瓦时等）也将被使用。 纯氢燃料航空过渡的速度、程度和形态受到多种不确定性和依赖因素的影响。首先，必须证明燃料的安全使用：包括其在生产、运输、储存、处理和机场环境中的分配以及在客机上的使用。此外，机场/航空公司的运营流程不得变得更加繁重（例如，由于使用氢而导致的周转时间、限制排放区域）。氢（尤其是液氢）的关键使能技术和流程处于不同的技术成熟度水平（TRL），这并不意味着它们不会成熟，但TRL越低，遇到不可预见问题的风