氢能航空-航空领域的颠覆性技术变革 新发展 新机遇 新挑战

2022年·第十期 氢能航空-航空领域的颠覆性技术变革 新发展新机遇新挑战 中国工程科技知识中心钢铁研究总院2022年10月 报告图解 知领报告 2021年第十期 编辑： 武丽丽 执笔： 吉力强钢铁研究总院 审核： 蔡志勇 目录 摘要i 1.氢能航空的发展背景2 1.1氢能的优势2 1.2氢能的应用场景3 1.3氢能航空的重要意义4 2.全球氢能航空的研究现状5 2.1氢能航空的国际发展变革5 2.2氢能航空的主要技术问题7 3.氢能航空的关键技术9 3.1氢燃料生产技术9 3.2氢燃料储存技术10 3.3航空动力推进技术11 3.4氢能基础设施技术11 4.氢能航空所面临的挑战13 4.1 经济性 13 4.2 配套设施 13 4.3 市场环境 14 5.我国氢能航空的发展建议15 5.1构建氢能航空发展的政策体系15 5.2着力氢能航空发展的关键技术攻关15 5.3完善氢能航空领域的顶层设计16 6.结束语17 参考资料18 I 摘要 全球航空业经历了持续三年史无前例的重创，同时也在“绿色低碳”的大背景下，寻找到了新的发展方向。氢能具有绿色无污染、能量密度高的特点，使用氢燃料的氢能航空在世界各国得以迅速发展，并成为航空领域污染物零排放和可持续发展的关键。氢能应用是航空领域的颠覆性技术变革，是实现“碳达峰”、“碳中和”的重要举措。在新冠肺炎疫情冲击下，氢能在航空领域的应用研究已经拉开帷幕。 各国政府为了稳定航空业的持续发展，都出台了一系列扶持和保障政策。本文归纳总结了欧盟、美国、英国一些发达国家的氢能发展战略和政策，结合波音、空客等垄断性飞机制造商的氢能发展布局，为我国的绿色能源发展提供有价值的战略参考。 探讨主要发达国家在氢能航空领域的关键技术问题，总结氢能航空产业链的氢燃料生产技术、氢燃料储存技术、动力推进技术和氢能基础设施技术的研究现状。指出动力系统、氢气储存技术是氢能航空发展的关键，也是目前限制氢能大规模应用的技术瓶颈。同时致力于加强各航空企业、 基础设施之间的科研融合，才能解决相关技术难题。若要用氢能完全替代传统石化燃料，则需要大幅增加“绿氢”或是基于碳捕获与封存技术的“蓝氢”生产，才能实现绿色低碳的“航空之旅”。 同时氢能航空的发展也面临着巨大的挑战，例如在氢气制备、储运、加注、燃料电池、氢储能系统等主要环节需要加强技术研发，如何创新科技成果，突破产业规模和配套设施和市场环境等关键因素的制约，是今后一段时期所面临的主要问题。 最后，分析给出了我国氢能航空的发展建议，强调构建氢能航空发展的政策体系、着力氢能航空发展的关键技术攻关和完善氢能航空领域的顶层设计，建议政府和企业统一协调规划，强化顶层设计，打通技术产业结构障碍，最终实现我国氢能航空的快速化发展道路。 期待中国在全球氢能产业竞争中抓住机遇，努力实现氢能科技革命性突破，推进氢能与燃料电池技术的全面成熟，探索出了一条中国设计、系统集成、全球招标、逐步提升国产化的氢能航空发展道路。 氢能航空的发展背景 1.氢能航空的发展背景 联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告指出，要保持全球升温较工业化前水平控制在1.5℃以内，到2050年实现CO2净零排放的目标至关重要。尽快实现“碳中和”在全球范围取得共识[1]。为了应对全球气候变化，中国国家主席习近平在第75届联合国大会上提出，中国CO2排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和[2]。在实现“碳中和、碳达峰”的大背景下，世界各国正在加速进入世界经济绿色低碳转型浪潮。 能源”的“氢能”备受关注，世界各国诸多涉及氢能航空发展的顶层战略规划相 继出炉。传统航空企业及初创公司在现有航空技术的基础上，加大了对氢涡轮发动机及氢燃料电池等相关技术的研究，以求在该领域占得先机。氢燃料必将是实现绿色低碳的重要手段，氢能飞机的发展也将是全球航空领域的颠覆性技术变革 [4]。 1.1氢能的优势 氢具有良好的燃烧性能，拓展了贫油燃烧边界，在消耗同等空气量时，所需 氢能具有绿色无污染、能量密度高的特点，使用氢燃料的氢能航空在世界各国得以迅速发展，并成为航空领域污染物零排放和可持续发展的关键。随着全球能源结构的转变，航空领域面临着能源体系变革[3]。近年被称为“21世纪终极 要的氢燃料低于其它燃料。同时，较低的燃烧温度可减少氮氧化物的排放。氢的自燃温度高，与碳氢发动机相比，氢燃料发动机的高自燃温度使其具有更高的压缩比，而压缩比越高，热效率越高，损失的能量越小。 目前，在“碳达峰、碳中和”背景下，氢能作为一种清洁能源，可在能源供给侧和消费侧助力深度脱碳，不断推动电力绿色转型。在未来高比例可再生能源系统中，以“氢电协同”为核心，将电力和氢气作为能源系统中的两个重要转化载体，根据特性需求将其他能源转化为电力或者氢气，实现电力和氢气之间的相互转化，从而实现多种能源之间互融互通。相关研究显示，氢燃料的能量密度约为120mJ/kg，是标准航空燃料的3倍[5]。氢能的主要优势如图1所示。 氢能航空所面临的挑战 图1氢能源的主要优势 近年来，美国、日本和欧洲等发达国家和地区纷纷加大氢能研发的投入，重点支持乘用车、加氢站、公共汽车、电解水制氢装置、中重型运输（包括中型到大型乘用车、商用车、重载卡车、火车、海运、航空）等领域[6]。未来氢能在航空业要完全替代传统石化燃料需要面临动力推进系统、机载氢燃料储存、机场基础设施建设以及氢燃料生产等一系列关键技术的挑战和突破。随着全球为限制气候变化和建立可持续经济所作的努力，使用氢作为能源载体替代化石能源将成为另一项重要应用。除了可再生能源和能源效率作为高效能源转型的两个支柱之外，氢能可以摆脱化石燃料的局限，并成为一个重要的能源补 1.2氢能的应用场景 充[7-9]。 氢能作为绿色能源燃料在运输领域的作用至关重要，是对使用电力的补充。氢能用于交通运输领域，不仅可减少CO2的排放，而且有利于消除空气污 染，并提高能源供应的安全性。现在交通工具使用“灰氢”（用化石燃料生产的 氢气）的能源成本已经低于燃油。“绿氢”（用可再生能源生产的氢气）的成本也在不断下降，不久的将来成本也会低于燃油。在工业领域，氢的主要应用领域在化学工业和钢铁冶金和发电。在钢铁冶金领域，氢将主要用来替代焦炭作为冶炼铁及其它金属的还原剂和能源[10-12]。在发电领域，氢能主要用于替代天然气作为补偿电源。在化学工业，对氢气的主要需求来自于制造氨和甲醇等化学物质以及烯烃、乙烯、丙烯和芳烃。氢能的主要应用领域如图2所示。 26% 33% 11% 氢能航空的发展背景 3% □业业业业业 □业业业业业 □业 27% 图2氢能的主要应用领域 其次在钢铁冶金行业和发电/热电联供中应用，替代煤炭和天然气；最后在含氢 的化学产品生产领域应用，替代部分煤炭和石油。 1.3氢能航空的重要意义 据美国环保局统计数据，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25%。氢能源在航空领域的应用意味着航空产业链的重构，相比传统的石化燃料，氢能在其全生命周期内，可减少高达绝大部分的CO2排放。为了解决航空领域污染排放严重、噪声大、能源转换效率低的问题，需要航空业进行 从经济性的角度看，未来氢能将首先在交通运输系统中应用，替代燃油； 持续性和颠覆性的技术革新，攻克低碳发展的关键技术，实现航空业的低碳能源转型。氢能航空是的绿色发展的关键，也是我国2060年实现碳中和目标的核心 [13]。 波音公司于2021年1月22日宣布，在2030年之前交付可使用100%可持续航空燃料的飞机，以实现航空业2050年的减排目标。波音公司在加强氢能和机体集成技术研究的同时，针对轻质安全的液氢容器、机载液氢配送组件系统、氢燃料电池系统、氢燃料发动机等技术进行研发。而空客作为世界上最大的飞机制造商，认为氢燃料是最有前途的能源类型和可再生能源，可为飞机和航空业提供动力，并于2020年公布的3款氢能源概念飞机即将于2035年面世，成为全球首款实现零排放的飞机，这款代号为ZEROe的氢能源飞机为未来的航空运 输带来革命性改变。 氢能航空所面临的挑战 全球氢能航空的研究现状 2.全球氢能航空的研究现状 2.1氢能航空的国际发展变革 一场突如其来的新冠肺炎疫情，令全球航空业遭受了前所未有的重创，各国政府为了稳定航空业的持续发展，都出台了一系列扶持和保障政策。除了从经济政策方面大力支持航空企业渡过难关，还在同航空业一道从危机中寻找新的增长点[14]。其中，氢能源的开发和利用被世界各国视为未来航空领域的新机遇。全球航空业正在围绕氢能源开展一场颠覆性的技术革命[15]。 2.1.1欧盟 2020年5月欧盟发布了Hydrogen-PoweredAviation（氢能航空）研究报告。该报告以欧盟绿色航空总体规划为主，明确提出氢能驱动在降低航空业对气候的影响和实现脱碳目标方面具有关键作用，必须要高度重视氢能的发展潜力。报告要求制定航空路线图指导航空领域向氢能源驱动过渡，增加长期研究投入和合理政策体系建设，为氢能航空制定保障措施[16]。 欧盟Hydrogen-PoweredAviation还确定了相关研究的三个阶段，① 2020~2028年发展基础性技术研究阶段：加快通勤飞机的认证，实现短途氢能飞机的试飞，制定技术路线和基础方案建设，从安全性和经济市场等方面提供保障；②2028~2035年集中扩大核心氢能组件的应用规模阶段：将氢能源技术应用于中程飞机，同时为氢能航空的突破性技术打好基础；③2035~2050年为中远程概念机和原型机的发展阶段：新的颠覆性机型设计及大规模燃料供应和快速加注的新技术[17]。 2.1.2美国 2020年11月美国能源部发布了DepartmentofEnergyHydrogenProgramPlan（氢能计划发展规划），DepartmentofEnergyHydrogenProgramPlan主要解决机构运行、市场壁垒等问题，并将应用任务跨领域部署，最终以实现安全、经济、绿色的氢能应用为目标[18]。能源部计划5年内投资1亿美元，支持由美国国家实验室主导的氢能和氢燃料电池的关键技术研究，以期 氢能航空的关键技术 能够促进氢能航空动力的研究和发展。计划还提出了未来10年氢能研发和示范的战略布局，并在氢燃料电池和燃气轮机的氢能转化技术方面，明确了技术路线 [19]。①确定了氢能全产业链中应重点领域的关键技术和经济指标，期望通过技 术创新，提高技术稳定性、经济性和效率，加快一部分氢能技术及产品的商业化应用；②加大对氢能相关技术的攻关，期望为美国氢能经济产业提供多元化的发展道路；③开展氢能标准的研究和制定。2020年9月美国初创公司ZeroAvia基于派珀M350飞机改装的氢燃料电池飞机首飞成功。 2.1.3英国 2021年8月英国商业能源与产业战略部发布了UKHydrogenStrategy （国家氢能战略），UKHydrogenStrategy指明，截止2030年英国要成为全 球氢能源的引领者，拥有5GW的低碳氢生产能力。UKHydrogenStrategy将与氢能航空相关的氢能经济路线图分为四个阶段，①2022~2024年实现小规模电解制氢，并开展航空试验；②2025~2027年试点采用碳捕获、利用与碳封存（CCUS）技术的氢能项目，并持续扩大电解制氢的生产能力，全面应用氢能的小规模集群管网、卡车运输和小型存储技术，并开展航空试验；③ 2028~2030年采用大规模CCUS制氢技术及大规模电解制氢，实现大规模存储与天然气网络整合，并在航空领域实现应用；④2030年以后，不断扩大生产 规模及应用范围，形成区域或国家网络，在航空领域实现大规模应用[20]。 2.1.4其它国家 2021年1月德国DLR（航空航天中心）启动BALIS（氢燃料电池推进系统）项目，目标是将氢燃料电池功率提高到1.5MW，为航程1000km的40～60座支线飞机提供动力，也可用于大