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科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力 加快建設(shè)科技強(qiáng)國,實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)
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脫碳倒計時開啟 全球航空業(yè)能否“氫”裝上陣

   2022-03-15 中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)
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核心提示:2021年,在新冠肺炎疫情沖擊下,全球航空業(yè)經(jīng)歷了連續(xù)兩年史無前例的重創(chuàng),同時也在苦苦尋找新的發(fā)展方向。

2021年,在新冠肺炎疫情沖擊下,全球航空業(yè)經(jīng)歷了連續(xù)兩年史無前例的重創(chuàng),同時也在苦苦尋找新的發(fā)展方向。美歐作為航空業(yè)的兩大“引擎”,都不約而同將航空業(yè)減排目標(biāo)大幅提前:明確到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。由于航空業(yè)具有跨境屬性,必然涉及國際協(xié)商,歐美在確立新目標(biāo)后隨即會著力向全球推廣……

3月22日至23日,首屆國際清潔航空論壇將在比利時布魯塞爾舉行,論壇的主題是“清潔航空起飛”。如何能飛得更清潔,已經(jīng)成為航空業(yè)發(fā)展的核心問題。

聯(lián)合國將本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)全球凈零排放作為當(dāng)前全人類最為緊迫的使命。2018年,一場名為“飛行恥辱”的運(yùn)動自瑞典發(fā)起并很快席卷歐洲,越來越多的人開始選擇更加綠色的出行方式。大勢所趨,浩浩湯湯。航空業(yè)如果不能革新轉(zhuǎn)型,迎來的將是淘汰降級,而由此引發(fā)的新一輪技術(shù)革命和全球競爭已然拉開序幕。

航空脫碳勢在必行

2050年前碳排放要比2005年減少50%

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)報告指出,要保持全球升溫較工業(yè)化前水平控制在1.5攝氏度內(nèi),在2050年實(shí)現(xiàn)二氧化碳凈零排放的目標(biāo)至關(guān)重要。2015年《巴黎協(xié)定》簽署以來,盡快實(shí)現(xiàn)碳中和正在全球范圍取得共識,主要行業(yè)在本世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)凈零排放已是大勢所趨。作為全球經(jīng)濟(jì)活動重要組成和支撐的航空業(yè),必然要積極變革,主動作為。

早有遠(yuǎn)慮的航空業(yè)自2007年就已經(jīng)開始探索全行業(yè)減排,很多民航相關(guān)的國際機(jī)構(gòu)和組織都制定了相應(yīng)規(guī)劃,其中最為重要的是國際民航組織(ICAO)在2016年通過的國際航空碳抵消和減排計劃(CORSIA),由此形成了第一個全球性行業(yè)減排市場機(jī)制,航空業(yè)也由此成為世界上第一個由各國政府協(xié)定實(shí)施全球碳中和增長措施的行業(yè)。根據(jù)該計劃,全球航空業(yè)2050年前碳排放要比2005年減少50%。

2021年,在新冠肺炎疫情沖擊下,全球航空業(yè)經(jīng)歷了連續(xù)兩年史無前例的重創(chuàng),同時也在苦苦尋找新的發(fā)展方向。與此同時,歐盟和美國先后確定了2050年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。歐盟委員會于7月提出“Fit for 55”法規(guī)以確保2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。美國緊隨其后,在11月發(fā)布《邁向2050年凈零排放的長期戰(zhàn)略》,公布了實(shí)現(xiàn)2050碳中和目標(biāo)的時間節(jié)點(diǎn)與技術(shù)路徑。美歐作為航空業(yè)的兩大“引擎”,都不約而同將航空業(yè)減排目標(biāo)大幅提前:明確到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。

由于航空業(yè)具有跨境屬性,必然涉及國際協(xié)商,歐美在確立新目標(biāo)后隨即會著力向全球推廣。

2021年10月,代表全球航空運(yùn)輸業(yè)的航空運(yùn)輸行動小組(ATAG)敦促國際民航組織成員國根據(jù)行業(yè)承諾,支持在2022年第41屆國際民航組織大會上通過一項(xiàng)長期的減排目標(biāo)。

在2021年11月召開的第26屆聯(lián)合國氣候變化大會(COP26)上,英、美、法等23個國家組成“國際航空氣候雄心聯(lián)盟”,簽署《國際航空氣候宣言》,旨在加強(qiáng)政府間合作,為國際航空排放設(shè)定具有雄心的長期目標(biāo)。特別提出支持國際民航組織通過雄心勃勃的長期目標(biāo),敦促ICAO做出2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放的具體承諾。與此同時,成員包括290家航空公司的國際航空運(yùn)輸協(xié)會(IATA)對2050年凈零碳排放飛行計劃表示支持。

時間轉(zhuǎn)入今年2月,在歐盟輪值主席國法國主持下,42個發(fā)達(dá)國家于歐洲航空之都圖盧茲簽署《關(guān)于航空可持續(xù)發(fā)展和脫碳的圖盧茲宣言》,呼吁全球采取措施,到2050年實(shí)現(xiàn)航空業(yè)脫碳目標(biāo),以遏制全球變暖。歐美等國希望通過這一不具約束力的倡議引發(fā)連鎖反應(yīng),從而推動在第41屆國際民航組織大會上通過全球航空運(yùn)輸脫碳承諾。該倡議同時得到空客、法荷航、達(dá)索等146家行業(yè)公司的支持。各方強(qiáng)調(diào),在ICAO框架下開展國際合作對于保證全球公平競爭至關(guān)重要。

國際民航組織理事會主席薩爾瓦托雷·夏基塔諾出席了此次活動,他強(qiáng)調(diào),盡管疫情及其影響仍在持續(xù),但各國政府及航空業(yè)仍做出了雄心勃勃的決定,采取了實(shí)際行動以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)國際航空脫碳。

以上種種,最終都“劍指”國際民航組織即將在9月召開的大會。該組織正緊鑼密鼓開展國際航空二氧化碳減排長期全球目標(biāo)(LTAG)的研究和磋商。3月底至4月初,該組織將就此召開全球航空對話,相關(guān)協(xié)商進(jìn)展將提交LTAG高級別會議,最終將在9月大會上做出表決。2050年實(shí)現(xiàn)航空業(yè)脫碳無疑將是一個極具雄心的目標(biāo),無論國際民航組織最終做出何種承諾和約束,航空業(yè)開展脫碳都已經(jīng)箭在弦上。

航空技術(shù)醞釀巨變

要實(shí)現(xiàn)航空脫碳,技術(shù)上能否取得突破是關(guān)鍵

雖然航空業(yè)并非碳排放的超級大戶,但絕對是碳減排的“困難戶”,主要原因在于長途飛行還顯著依賴于化石燃料,要實(shí)現(xiàn)航空脫碳,技術(shù)上能否取得突破是關(guān)鍵。

法國《回聲報》認(rèn)為,當(dāng)前航空業(yè)即將迎來第三次航空革命。第一次航空革命是20世紀(jì)初萊特兄弟的第一架飛機(jī)成功試飛;第二次革命是上世紀(jì)50年代,渦輪式風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的問世宣告航空業(yè)進(jìn)入黃金時代。那么第三次航空革命究竟是什么?

德國西門子電力飛行技術(shù)負(fù)責(zé)人弗蘭克·安東博士對此毫不猶豫地給出他的答案:電。安東指出:“電力推進(jìn)技術(shù)是航空業(yè)的發(fā)展方向,否則航空業(yè)將沒有未來可言?!蔽鏖T子團(tuán)隊(duì)已初步完成了油電混合推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計、研發(fā)與試飛工作。2015年,西門子推出的電動飛機(jī)電機(jī),重量僅為50公斤,但功率卻高達(dá)260千瓦,實(shí)現(xiàn)了全球首架250千瓦級電動飛機(jī)的首飛。未來,通過電力系統(tǒng)的不斷優(yōu)化和電池技術(shù)的進(jìn)步,西門子希望研發(fā)出滿足100座的混合動力航空裝置。

對于法國同行,該問題的答案同樣是一個字:氫。法國民用航空研究委員會(Corac)今年1月發(fā)表了航空運(yùn)輸脫碳技術(shù)路線研究報告。該報告認(rèn)為,未來需要通過不斷提升氫能飛機(jī)所占比重來實(shí)現(xiàn)行業(yè)脫碳。在其規(guī)劃的路線圖中,法國可在2030年推出新一代中短途飛機(jī),利用降低油耗和生物燃料實(shí)現(xiàn)碳中和;2035年推出短途氫能飛機(jī);2045年推出中程氫能飛機(jī);至2050年,氫技術(shù)可為航空業(yè)全部碳中和貢獻(xiàn)29%。在另外一項(xiàng)更為激進(jìn)的歐洲聯(lián)合研究報告則指出,用氫代替燃油可將航空運(yùn)輸對氣候的影響降低50%到70%。

電和氫是目前兩個主要的推進(jìn)技術(shù)研發(fā)路線。

法國蒙田研究所報告對此指出,考慮到儲電池和燃料電池的能量密度,純電力推進(jìn)的應(yīng)用將主要是小型飛機(jī)。對于大型飛機(jī),混合電動推進(jìn)可作為實(shí)現(xiàn)完全電氣化的過渡技術(shù)?;旌想娏ν七M(jìn)可以通過將傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)與電力推進(jìn)串聯(lián)或并聯(lián)組合。這一概念已在汽車行業(yè)長期應(yīng)用。

根據(jù)目前的技術(shù)展望,100座以上的全電動飛機(jī)難以在2050年前投入使用。19座以下的小型飛機(jī)業(yè)務(wù)正在增長,但目前僅占全球航空總排放量的不到1%。對于中遠(yuǎn)程大型飛機(jī),更為現(xiàn)實(shí)的技術(shù)選擇似乎只有氫氣和可持續(xù)航空燃料(SAF)。這里的氫推進(jìn)與依靠氫氣發(fā)電的燃料電池不同,氫推進(jìn)飛機(jī)是將氫氣燃燒作為發(fā)動機(jī)燃料。

目前,歐美主要國家都將氫推進(jìn)視為飛機(jī)脫碳的最佳候選者,也是2035年可實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)解決方案之一。氫燃料的優(yōu)勢在于燃燒溫度高,可以提高發(fā)動機(jī)的熱效率,并且是零碳排放。從發(fā)動機(jī)制造商的角度來看,用氫代替燃油并不困難,主要是解決氫燃燒帶來的材料耐高溫問題。即使有必要進(jìn)行調(diào)整,發(fā)動機(jī)的90%都可能保持不變。選擇氫的主要困難在于飛機(jī)上的存儲問題,相同的機(jī)載量下,氫燃料的重量是傳統(tǒng)燃油的三分之一,但所占體積是燃油的4倍,這需要對飛機(jī)結(jié)構(gòu)做出調(diào)整。且液態(tài)氫需要在零下253攝氏度低溫儲存,儲罐材料對隔熱、抗振動和沖擊、承重、密封有很高要求,需要專門開發(fā)一種能夠在飛機(jī)應(yīng)用要求下承受熱循環(huán)和壓力循環(huán)的液氫儲罐。

根據(jù)法國蒙田研究所的預(yù)測,為了實(shí)現(xiàn)2050年脫碳目標(biāo),目前占全球航空排放約3%—4%的區(qū)域航班(主要為100座以內(nèi)小飛機(jī))可以基于混合電力推進(jìn)和氫燃料電池實(shí)現(xiàn)脫碳;占航空排放約67%的中短途航班(主要為100至250個座位的中型客機(jī))可以主要依靠氫推進(jìn)技術(shù);占航空排放約30%的長途航班(主要為250座以上的大型客機(jī))還需要依靠可持續(xù)航空燃料。

除了推進(jìn)技術(shù)外,航空脫碳還需要在改善空氣動力學(xué),優(yōu)化引擎性能,增加數(shù)字化等漸進(jìn)性技術(shù)領(lǐng)域取得進(jìn)展。

航空巨頭紛紛入場

歐美航空企業(yè)加快研制氫能飛機(jī)

在歐洲,2020年9月,空客推出了ZEROe零排放商用飛機(jī)項(xiàng)目,公布了三款混合氫能概念飛機(jī),分別用渦輪螺旋槳、翼身融合和渦輪風(fēng)扇三種類型的發(fā)動機(jī),利用燃燒氫氣作為燃料,暫定于2025年原型機(jī)試飛,2035年投入使用。

今年2月,在公布?xì)淠茱w機(jī)項(xiàng)目20個月后,空客宣布與通用和賽峰的平股合資公司CFM國際公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,雙方?jīng)Q定于2025年左右共同啟動氫能飛機(jī)示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在對氫燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行地面和飛行測試,為2035年推出第一款零排放飛機(jī)做好準(zhǔn)備。該示范項(xiàng)目將使用A380測試飛機(jī)作為飛行測試平臺,配備由空客在法國和德國的工廠準(zhǔn)備的液氫罐。從2026年開始,空客將在A380巡航期間對氫燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試。

在美國,今年2月,普惠公司被美國能源部高級能源研究計劃署選中,為商業(yè)航空開發(fā)新型、高效的氫燃料推進(jìn)技術(shù)。

普惠公司參與的“氫氣蒸汽噴射、間冷渦輪發(fā)動機(jī)”項(xiàng)目將使用液態(tài)氫燃料,通過回收水蒸氣大大減少飛機(jī)凝結(jié)尾跡,從而實(shí)現(xiàn)零溫室氣體排放飛行,并將氮氧化物的排放減少80%。該項(xiàng)目采用的半封閉系統(tǒng)架構(gòu)將比燃料電池具有更高的熱效率,相比使用 “滴入式”的可持續(xù)航空燃料,總運(yùn)營成本可能進(jìn)一步降低。這是普惠公司和高級能源研究計劃署之間的首次直接合作,以支持航空業(yè)在2050年實(shí)現(xiàn)飛機(jī)二氧化碳凈零排放這一戰(zhàn)略目標(biāo)。

根據(jù)法國《回聲報》報道,波音似乎仍然對2035年實(shí)現(xiàn)氫動力飛機(jī)的可行性持保留態(tài)度,波音更傾向于優(yōu)先考慮使用替代燃料運(yùn)行的傳統(tǒng)機(jī)型。


對中國而言機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存

零碳飛機(jī)涉及新技術(shù)的開發(fā),大家都在同一個起跑線上

法國《費(fèi)加羅報》文章稱,多位國際航空觀察家認(rèn)為,零碳排放飛機(jī)的競賽對中國來說是一個最終打入商用航空市場的歷史性機(jī)遇。全球咨詢公司AlixPartners董事總經(jīng)理尼古拉斯·博格蘭和帕斯卡·法布爾相信:“零碳飛機(jī)涉及新技術(shù)的開發(fā),長期投資的中國當(dāng)然有牌可以打。”正如另一位專家總結(jié)的那樣:“大家都在同一個起跑線上?!?/p>

中國旅法航協(xié)會長葉偉明博士在接受科技日報記者采訪時表示:“在氫能飛機(jī)的研發(fā)方面,各國都在同一起跑線上。這對中國來說是一個重要的機(jī)會?!比~偉明稱,中國航空業(yè)和能源工業(yè)必須抓住第三次航空革命的歷史機(jī)遇,盡快起步。中國在經(jīng)典航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域仍處于追趕階段,建議中國航空制造盡早向新能源技術(shù)方向跨越,大膽轉(zhuǎn)型。

中國旅法航協(xié)副會長、空客研發(fā)工程師丁一對記者表示:“空客零碳大飛機(jī)已經(jīng)明確氫能技術(shù)路線。對于中國民機(jī)事業(yè),氫燃料等新能源飛機(jī)架構(gòu)和發(fā)動機(jī),可能是彎道追趕的機(jī)遇,同時仍然是需要積累沉淀的長期挑戰(zhàn)。零碳飛機(jī)這一新賽道的本質(zhì)還是航空制造業(yè),需要立足我國型號任務(wù)穩(wěn)中求進(jìn),在設(shè)計理念、制造工藝和測試手段等方面努力縮小差距?!?/p>

半個多世紀(jì)以來,空客和波音通過技術(shù)進(jìn)步不斷取得領(lǐng)先,但在變革之下,曾經(jīng)的“巨無霸”并不能保證在未來持續(xù)領(lǐng)先。對于是否選擇氫能,空客和波音已經(jīng)分道揚(yáng)鑣,一個滿懷壯志,一個保守觀望。航空業(yè)要在不到30年內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫碳,必須依賴顛覆傳統(tǒng)的科技突破。未來航空業(yè)能否“氫”裝上陣,取決于大膽創(chuàng)新,也取決于膽識和遠(yuǎn)見。

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氫燃料與交通運(yùn)輸

作為一種綠色、高效、可持續(xù)的二次能源,氫用于燃料由來已久。

當(dāng)世界上第一臺內(nèi)燃機(jī)投入使用時,它所采用的燃料并非汽油或柴油,而是氫氣。1804年,法國、瑞士發(fā)明家艾薩克·德·里瓦茲在成功地設(shè)計了幾輛以蒸汽為動力的汽車后,開始嘗試使用具有爆燃特性的燃料來取代蒸汽。他的第一個試驗(yàn)就是研究發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)燃料爆燃膨脹后推動活塞運(yùn)動的基本原理。當(dāng)時,他使用氫氣和氧氣混合點(diǎn)火驅(qū)動內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),試驗(yàn)取得了初步成功。1807年,他將試驗(yàn)原型發(fā)動機(jī)安裝在一架四輪馬車上,驅(qū)動馬車行駛了一段距離,此舉使這輛馬車獲得了“世界第一臺由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的汽車”的殊榮。

在20世紀(jì),汽車企業(yè)、大學(xué)、發(fā)明家和愛好者都在進(jìn)一步測試由氫驅(qū)動內(nèi)燃機(jī)的可行性。在1970年,發(fā)明家保羅·迪格斯為燃?xì)鈩恿?nèi)燃機(jī)的改進(jìn)申請了專利,他的設(shè)計讓汽油發(fā)動機(jī)可以依靠氫氣運(yùn)行。如今,氫燃料發(fā)動機(jī)已經(jīng)被證明具有向從小轎車到公共汽車等各種車輛提供動力的能力。

幾十年來,航天工業(yè)一直在使用液體氫作為氫氧火箭發(fā)動機(jī)的推進(jìn)劑,為太空探索提供燃料。

氫作為飛機(jī)燃料的研究同樣有相當(dāng)長的歷史。早在1957年,美國國家航空咨詢委員會(NACA)利用氫作為燃料讓馬丁B-57轟炸機(jī)飛行了20分鐘。1988年,世界上第一架使用液態(tài)氫作為燃料的實(shí)驗(yàn)性商用飛機(jī)升空。這架由蘇聯(lián)研制的圖-155共進(jìn)行了約100次試飛。30多年后的今天,航空業(yè)再次將注意力轉(zhuǎn)向氫燃料商用飛機(jī)。(科技日報 駐法國記者 李宏策 策劃:王俊鳴 馮衛(wèi)東)



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