英國(guó)零碳飛行發(fā)展愿景分析
2022年3月17日，英國(guó)航空航天技術(shù)研究院（ATI）發(fā)布了“零碳飛行”（FlyZero）項(xiàng)目研究報(bào)告，明確了綠色液氫是未來(lái)零碳飛行最為可行的燃料選項(xiàng)，給出了在2050年前氫動(dòng)力支線飛機(jī)、窄體飛機(jī)和中型寬體飛機(jī)的設(shè)計(jì)概念，確立了6項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)和7項(xiàng)橫向交叉技術(shù)的發(fā)展路徑，從設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、制造要求、運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)機(jī)會(huì)等維度對(duì)航空業(yè)零碳飛行發(fā)展愿景進(jìn)行了詳盡的闡述。
作為第一個(gè)將2050年溫室氣體排放總量降至凈零目標(biāo)進(jìn)行國(guó)內(nèi)立法的主要經(jīng)濟(jì)體，英國(guó)在推動(dòng)航空業(yè)綠色轉(zhuǎn)型上表現(xiàn)得非常積極?；诒M快將零碳排放從通用短途飛行擴(kuò)展到大規(guī)模航空客貨運(yùn)輸?shù)目剂浚?021年年初英國(guó)發(fā)起了“零碳飛行”（FlyZero）項(xiàng)目，探尋實(shí)現(xiàn)完全零碳排放大型民用飛行的可行性。這一為期12個(gè)月的研究項(xiàng)目對(duì)潛在的零碳排放飛機(jī)及其動(dòng)力系統(tǒng)概念的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、制造要求、運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)和市場(chǎng)機(jī)遇進(jìn)行了詳細(xì)和全面的闡述，通過(guò)獨(dú)立公允地評(píng)估各種先進(jìn)航空技術(shù)應(yīng)用方案，最終形成了以綠色液氫能源為基礎(chǔ)的新一代民用航空產(chǎn)業(yè)零碳排放發(fā)展愿景。
英國(guó)零碳飛行項(xiàng)目研究總報(bào)告
零碳排放燃料
在技術(shù)層面、操作層面和經(jīng)濟(jì)層面切實(shí)可行的前提下，為了能夠更快速、更顯著地實(shí)現(xiàn)碳中和預(yù)期，確定未來(lái)綠色飛行的最佳燃料來(lái)源是至關(guān)重要的第一步。無(wú)論是氫、氨，或者電池等任何一種備選零碳能源，衡量其市場(chǎng)應(yīng)用能力（最大航程和有效載荷）的核心指標(biāo)就是能量密度。
雖然電池不會(huì)在飛行中產(chǎn)生任何排放、產(chǎn)生每單位推進(jìn)功率的可再生電力需求也比制備液氫要少得多，但過(guò)低的能量密度是制約其在民用航空市場(chǎng)應(yīng)用的最大瓶頸。按照較為樂(lè)觀的技術(shù)攻關(guān)進(jìn)度，電池的質(zhì)量能量密度到2030年約為2 MJ/kg，相當(dāng)于航空煤油的1/20，若假設(shè)飛機(jī)起飛質(zhì)量的20%為燃料，則全電池飛行的最大航程在400km以內(nèi)。另外，由于鈷、鋰和鎳等電池原材料的循環(huán)回收工藝還有待進(jìn)一步的成熟和商業(yè)化，在強(qiáng)大完整的回收供應(yīng)鏈建立之前過(guò)分依賴電池系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致新的環(huán)境污染問(wèn)題。
氫的質(zhì)量能量密度約為航空煤油的3倍，這也意味著當(dāng)燃料載荷的占比為20%時(shí)，氫動(dòng)力飛行的理論航程在10000km以上。氫燃料以氣態(tài)方式儲(chǔ)存能夠降低隔熱以及低溫燃料管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，但700atm的高壓環(huán)境意味著燃料箱的厚度和質(zhì)量大大增加，其應(yīng)用場(chǎng)景主要是中短途飛行。相比之下，液態(tài)氫的存儲(chǔ)難點(diǎn)不在于高壓（略高于大氣壓）而在于低溫（-253℃），為盡可能減少表面積并起到更好的隔熱效果，液氫燃料箱一般被設(shè)計(jì)為球體，同時(shí)由于較低的密度，同等航程液氫燃料的體積大約是航空煤油的4倍。盡管如此，F(xiàn)lyZero項(xiàng)目經(jīng)測(cè)算后認(rèn)為，就算在機(jī)翼外掛單獨(dú)的燃料箱、較大的存儲(chǔ)空間需求以及額外隔熱設(shè)計(jì)等三重不利影響下，液態(tài)氫的質(zhì)量效率仍舊相當(dāng)于氣態(tài)氫的6倍，在飛行航程上比航空煤油有優(yōu)勢(shì)。
與液態(tài)氫相比，液態(tài)氨的存儲(chǔ)溫度要高得多，對(duì)隔熱燃料箱的要求遠(yuǎn)低于液態(tài)氫，基于現(xiàn)有技術(shù)在機(jī)翼內(nèi)直接儲(chǔ)存氨氣是可能的，較氫氣和電池具有更好的運(yùn)輸承載能力。但必須注意到氨的毒性和腐蝕性，一旦泄漏可能釀成重大安全事故，而直接燃燒氨不但會(huì)有未參與反應(yīng)的組分排放出來(lái)，氮氧化物的生成也遠(yuǎn)超過(guò)氫燃燒。工業(yè)界正在積極開(kāi)發(fā)高效輕量化的裂解技術(shù)，將氨分解為氫和氮后再用于燃?xì)鉁u輪（30%裂解）或燃料電池（100%裂解），此時(shí)的氨更像是氫燃料的一個(gè)中間媒介。
FlyZero項(xiàng)目的研究表明，液氫燃料有潛力為絕大部分飛行活動(dòng)（100%的短途航線和93%的遠(yuǎn)程航線）提供動(dòng)力支持。同時(shí)，F(xiàn)lyZero也認(rèn)可漸進(jìn)式碳中和的發(fā)展路徑，中短期內(nèi)以可持續(xù)航空燃料（SAF）為代表的全生命周期低碳/凈零碳方案對(duì)航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。SAF可以直接摻混到航空煤油中，機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施以及在役的民用飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)所需適應(yīng)性改動(dòng)很少，但在具備如此高可操作性的同時(shí)，困擾SAF應(yīng)用的供應(yīng)問(wèn)題也始終存在，主要生產(chǎn)原料（生物質(zhì)或廢品）有限、也無(wú)法通過(guò)大規(guī)模投資改觀（這與建設(shè)可再生發(fā)電廠和制氫廠迅速提升產(chǎn)能不同），預(yù)計(jì)到2040年只能提供全球機(jī)隊(duì)所需SAF的20%，剩余的缺口只能通過(guò)從大氣或工業(yè)煙氣中收集的碳與氫氣合成，不僅效率低，與直接制氫相比，此時(shí)生產(chǎn)出具有相同能量的SAF要多花費(fèi)45%的電能和22%的氫氣。FlyZero項(xiàng)目預(yù)計(jì)，到2035年左右，液氫的單位能量成本將低于SAF。
氫動(dòng)力飛機(jī)
在確定低溫液態(tài)氫作為最適宜的零碳飛行燃料后，有必要針對(duì)不同的飛行場(chǎng)景選用不同的推進(jìn)方式使其應(yīng)用價(jià)值最大化?；谘邪l(fā)進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)成本考量，到2050年前全球航空業(yè)只能承受一次大規(guī)模的機(jī)隊(duì)更新，因此目前的零碳飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方案可能會(huì)對(duì)未來(lái)30年航空產(chǎn)業(yè)的走勢(shì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。FlyZero項(xiàng)目的基本觀點(diǎn)是：常規(guī)電池驅(qū)動(dòng)是通航飛行的重要潛在選擇；受限于能量密度等因素，氫燃料電池主要針對(duì)航程較短的小型民用飛機(jī)的動(dòng)力需求；氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在中遠(yuǎn)程航空運(yùn)輸上更有優(yōu)勢(shì)；而SAF則很可能會(huì)是航程10000km以上大型寬體飛機(jī)的首選。
支線飛機(jī)
為了評(píng)估氫燃料電池飛行的最大潛力，F(xiàn)lyZero項(xiàng)目在認(rèn)可以氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的支線飛行的可行性的同時(shí)，還是選擇了以氫燃料電池為動(dòng)力的支線飛機(jī)設(shè)計(jì)方案。這種判斷的依據(jù)是：隨著未來(lái)質(zhì)子交換膜（PEM）技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，到2030年氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)在保持55%～60%效率（氫燃?xì)鉁u輪約為44%）的同時(shí)，其功率能量密度有望達(dá)到2kW/kg左右，相當(dāng)于CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)的一半。此時(shí)結(jié)合6個(gè)獨(dú)立的兆瓦級(jí)電推進(jìn)裝置的分布式設(shè)計(jì)，該方案能夠搭載75名乘客以600km/h的巡航速度飛行1500km，超過(guò)了當(dāng)前支線市場(chǎng)主流的ATR72渦槳飛機(jī)的運(yùn)輸能力，由于液氫儲(chǔ)存在機(jī)體后部的燃料箱中，飛機(jī)機(jī)體看起來(lái)比ATR72更寬，分布式架構(gòu)下的機(jī)翼也要長(zhǎng)15%左右。
氫動(dòng)力支線飛機(jī)設(shè)計(jì)概念
窄體飛機(jī)
根據(jù)FlyZero項(xiàng)目的預(yù)測(cè)，2030—2050年窄體飛機(jī)的交付量達(dá)到航空運(yùn)輸市場(chǎng)總量的2/3，也是未來(lái)航空業(yè)實(shí)現(xiàn)零碳發(fā)展最為關(guān)鍵的一個(gè)細(xì)分市場(chǎng)。不過(guò)面對(duì)如此廣闊的市場(chǎng)空間，貿(mào)然啟動(dòng)過(guò)于激烈的產(chǎn)品變革會(huì)帶來(lái)很大的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，這也意味著窄體飛機(jī)不太可能成為氫動(dòng)力飛行走向市場(chǎng)的最初切入點(diǎn)。FlyZero項(xiàng)目設(shè)計(jì)的氫動(dòng)力窄體飛機(jī)概念可搭載179名旅客，航程約4500km，巡航速度為833km/h左右，基本上與空客A320和波音737保持一致。從總體布局上看該方案與當(dāng)前最為常見(jiàn)的翼吊式飛發(fā)布局有較大差異，燃料箱和推進(jìn)器均位于機(jī)體后部，好處是燃料運(yùn)輸管道更短更緊湊、氫泄漏的風(fēng)險(xiǎn)得以降低，但是也帶來(lái)了飛機(jī)重心偏后的新問(wèn)題，為此似乎有必要在機(jī)頭附近增加一個(gè)鴨翼，借助三升力面構(gòu)型強(qiáng)化俯仰飛行控制能力。
氫動(dòng)力窄體飛機(jī)設(shè)計(jì)概念
中型寬體飛機(jī)
FlyZero項(xiàng)目給出的氫動(dòng)力寬體飛機(jī)方案重點(diǎn)瞄準(zhǔn)之前備受業(yè)界關(guān)注的處于產(chǎn)品換代斷檔期的中間級(jí)市場(chǎng)，可搭載279名旅客、飛行航程在8000km左右，雖然對(duì)標(biāo)的是波音767，但出于質(zhì)量和平衡方面的考量，除了在機(jī)翼附近的機(jī)體位置還要有額外的液氫燃料箱，這樣一來(lái)其機(jī)體直徑已接近A350或波音777等大型寬體飛機(jī)。雖然氫動(dòng)力寬體飛機(jī)的開(kāi)發(fā)成本要高于支線飛機(jī)，但一方面由于寬體飛行市場(chǎng)是高度集中化的，只要在那些較大的樞紐機(jī)場(chǎng)建設(shè)完善的氫燃料加注、儲(chǔ)存以及運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施，就能為為洲際航班提供“最小可行”的航空網(wǎng)絡(luò)；另一方面氫能寬體飛機(jī)和窄體飛機(jī)都是基于相同的動(dòng)力架構(gòu)，相關(guān)技術(shù)在寬體飛機(jī)上的應(yīng)用和認(rèn)證有助于降低后續(xù)開(kāi)發(fā)窄體飛機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，F(xiàn)lyZero項(xiàng)目更傾向于氫動(dòng)力中型寬體飛機(jī)率先進(jìn)入市場(chǎng)，在這種情境下樂(lè)觀預(yù)測(cè)到2050年，氫動(dòng)力飛機(jī)總交付量接近30000架，市場(chǎng)價(jià)值20000萬(wàn)億美元左右，可以減少約50%的航空二氧化碳排放。
氫動(dòng)力中型寬體飛機(jī)設(shè)計(jì)概念
氫動(dòng)力關(guān)鍵技術(shù)
在對(duì)飛機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造、市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)以及支撐保障等進(jìn)行廣泛調(diào)研評(píng)估的基礎(chǔ)上，F(xiàn)lyZero項(xiàng)目確定了對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)零碳飛行至關(guān)重要的13個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、氫燃料電池、電推進(jìn)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、低溫液氫儲(chǔ)存系統(tǒng)和飛發(fā)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6個(gè)變革性航空基礎(chǔ)技術(shù)群，以及機(jī)載系統(tǒng)、可持續(xù)機(jī)艙設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)、全生命周期影響分析、快速設(shè)計(jì)驗(yàn)證以及先進(jìn)材料和制造7個(gè)確保氫動(dòng)力飛行商業(yè)可行并使之持續(xù)完善的橫向交叉技術(shù)。
表1 氫動(dòng)力飛行橫向交叉技術(shù)
FlyZero項(xiàng)目確信這13個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展將為實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力飛行愿景鋪平道路。除單純的技術(shù)因素外，F(xiàn)lyZero項(xiàng)目還強(qiáng)調(diào)了3個(gè)潛在的航空氫能市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)：一是確保氫燃料具備一定程度的長(zhǎng)期價(jià)格確定性，政府部門(mén)有責(zé)任履行兌現(xiàn)其對(duì)擴(kuò)大氫能生產(chǎn)的承諾，并形成專(zhuān)門(mén)的機(jī)制限制航空公司在短期氫燃料價(jià)格波動(dòng)中的風(fēng)險(xiǎn)敞口；二是氫動(dòng)力飛行市場(chǎng)繁榮與否將取決于氫燃料的可用性，航空公司對(duì)飛機(jī)的需求可能只會(huì)集中在那些在航班始發(fā)地和目的地都有充足氫燃料供應(yīng)的航線上；三是原始設(shè)備制造商（OEM）及其供應(yīng)鏈可能沒(méi)有興趣或能力為航空氫動(dòng)力如此巨大的“賭注”投入全部資金，除了來(lái)自政府的支持外，F(xiàn)lyZero項(xiàng)目更看好未來(lái)有創(chuàng)紀(jì)錄的私人資本部署到氫動(dòng)力飛行領(lǐng)域。
零碳飛行的建議
全球航空業(yè)正處于一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在對(duì)當(dāng)前航空產(chǎn)品和技術(shù)產(chǎn)生顛覆性的變化與沖擊的同時(shí)，氫能航空產(chǎn)業(yè)也可能會(huì)帶來(lái)極為豐厚的市場(chǎng)回報(bào)。FlyZero項(xiàng)目分析顯示，英國(guó)如果在航空氫動(dòng)力領(lǐng)域領(lǐng)先于其他國(guó)家或基本與其他國(guó)家同步行動(dòng)，其在全球民航市場(chǎng)的份額將從2019年的12%增加到2050年的19%，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)業(yè)總增加值（GVA）會(huì)由110億英鎊上升到360億英鎊、工作崗位由11.6萬(wàn)個(gè)上升到15.4萬(wàn)個(gè)。相反，若不采取積極行動(dòng)，屆時(shí)英國(guó)的航空市場(chǎng)份額將降至5%，行業(yè)就業(yè)崗位僅剩7.4萬(wàn)個(gè)。
在2050年前啟動(dòng)氫動(dòng)力飛機(jī)開(kāi)發(fā)計(jì)劃的機(jī)會(huì)窗口很短，可能會(huì)在2025年關(guān)閉，一旦錯(cuò)過(guò)，只能鎖定下一代傳統(tǒng)動(dòng)力飛機(jī)，而這些飛機(jī)很有可能會(huì)用到21世紀(jì)末。FlyZero項(xiàng)目認(rèn)為，當(dāng)下的重中之重就是加速氫動(dòng)力飛行技術(shù)的發(fā)展以及集成驗(yàn)證，到2025年左右將大多數(shù)相關(guān)技術(shù)的成熟度從1～3級(jí)提升到6級(jí)。在對(duì)那些高風(fēng)險(xiǎn)高回報(bào)的概念技術(shù)探索的同時(shí)，來(lái)自政府的支持計(jì)劃應(yīng)更多偏重于背景需求較為明確的定向研發(fā)和試驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，并對(duì)綠色能源供應(yīng)鏈進(jìn)行緊急追加投資，強(qiáng)化氫燃料的生產(chǎn)保障能力。
根據(jù)FlyZero項(xiàng)目的構(gòu)想，未來(lái)航空氫動(dòng)力的發(fā)展，政府機(jī)構(gòu)既是前期資金的重要提供者，又是釋放全社會(huì)投資潛力的推動(dòng)者。隨著政府和工業(yè)界的資本投入并取得階段性技術(shù)成果，可以鼓勵(lì)私人資本參與該行業(yè)并成為技術(shù)研發(fā)和型號(hào)項(xiàng)目之間的紐帶。在政府的牽線搭橋下，私人投資者和工業(yè)界展開(kāi)正式對(duì)話以評(píng)估投資意愿，采取特殊目的載體（SPV）的股權(quán)資本化合作形式并達(dá)成風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)協(xié)議。這將是嶄新的航空研發(fā)商業(yè)模式，獲得私人融資對(duì)零碳排放氫動(dòng)力發(fā)展有著前所未有的意義。
為進(jìn)一步營(yíng)造零碳排放飛行的有利外部環(huán)境，一方面應(yīng)大力推動(dòng)全球范圍航空碳定價(jià)、碳稅收政策法規(guī)的出臺(tái)，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)收益將主要用來(lái)支持零碳飛行技術(shù)的開(kāi)發(fā)，逐步將新的市場(chǎng)需求轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的航空形式，同時(shí)提高飛行碳排放的透明度，鼓勵(lì)引導(dǎo)乘客做出更理智的市場(chǎng)選擇；另一方面要激勵(lì)對(duì)機(jī)場(chǎng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施投資，這其中涉及接收、儲(chǔ)存和加注氫燃料等多方面內(nèi)容，據(jù)FlyZero項(xiàng)目估算，一個(gè)大型機(jī)場(chǎng)氫能設(shè)施建設(shè)將花費(fèi)8.5億～14億英鎊，相關(guān)成本問(wèn)題很可能會(huì)依托目前較為熱門(mén)的受監(jiān)管資產(chǎn)基礎(chǔ)（RAB）融資模式解決。
此外，航空業(yè)應(yīng)與其他行業(yè)聯(lián)合建立氫能技術(shù)研究中心，分享市場(chǎng)需求、試驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)成果，加快標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)、材料性能和測(cè)試規(guī)范等共性技術(shù)研究。政府機(jī)構(gòu)和整個(gè)工業(yè)界要形成戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，有權(quán)根據(jù)國(guó)家利益的戰(zhàn)略優(yōu)先事項(xiàng)分配研發(fā)資金，同時(shí)還要積極推動(dòng)相關(guān)國(guó)際協(xié)作，制定新的全球航空政策、條例、認(rèn)證和業(yè)務(wù)要求，盡快在氫動(dòng)力飛行的國(guó)際監(jiān)管以及航跡云的氣候影響、改善空中交通管理和零碳機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等問(wèn)題上達(dá)成共。
結(jié)束語(yǔ)
FlyZero項(xiàng)目的研究成果無(wú)疑對(duì)我國(guó)氫能航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)很好的參考與借鑒。整體判斷，未來(lái)幾年將是我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)開(kāi)始從上游（生產(chǎn)供應(yīng)氫燃料）向中游（研發(fā)制造氫能產(chǎn)品）延伸拓展的關(guān)鍵時(shí)期，航空裝備制造商投身相關(guān)技術(shù)研發(fā)的外部條件已經(jīng)基本具備，既不存在未來(lái)有產(chǎn)品能力卻無(wú)市場(chǎng)需求、無(wú)運(yùn)營(yíng)條件的后顧之憂，也無(wú)須為早期產(chǎn)品可能經(jīng)濟(jì)性較差所困擾，曾經(jīng)的新能源汽車(chē)補(bǔ)貼政策就是打消行業(yè)疑慮的最好例證。當(dāng)然也必須認(rèn)識(shí)到氫能航空的很多關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，還有很多瓶頸問(wèn)題需要解決，F(xiàn)lyZero項(xiàng)目所構(gòu)想的宏偉愿景能否如期實(shí)現(xiàn)存在很多未知，我國(guó)在確立氫能航空戰(zhàn)略大方向的同時(shí)一定要保持細(xì)節(jié)與節(jié)奏調(diào)整的靈活性。
