2019年,航空業(yè)排放了9.15億噸二氧化碳,占同年人類排放二氧化碳的2%。

ATAG(航空運(yùn)輸行動小組)設(shè)定了在接下來的幾年里到2050年二氧化碳排放量在2005年水平上減少50%的目標(biāo)。


在《巴黎協(xié)定》簽署之后,航空運(yùn)輸是第一個(gè)致力于應(yīng)對氣候變化的部門。然而,由于飛機(jī)年年增長,但飛機(jī)效率的提高在最近幾十年中還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此,需要一個(gè)創(chuàng)新的解決方案,從根本上減少航空業(yè)對氣候的影響。

使用氫氣作為噴氣燃料提供了一種在飛行過程中二氧化碳零排放的可能性。因此,在取代傳統(tǒng)航空煤油,以及由電池和可持續(xù)航空燃料驅(qū)動的電動機(jī)方面，氫氣成為一種有希望的能源載體。

不同類型的氫氣推進(jìn)

目前飛機(jī)有兩種氫推進(jìn)模型:第一種是使用氫氣通過燃料電池產(chǎn)生電能,為電動機(jī)提供動力。第二種推進(jìn)模型基于在內(nèi)燃機(jī)中的直接氫燃燒,與目前飛機(jī)上使用的類似。


目前，這兩種解決方案都在開發(fā)中,它們提供的主要優(yōu)勢是完全消除飛行過程中的排放。但它們有其自身的優(yōu)缺點(diǎn):直接氫燃燒需要排放氮氧化物和水蒸氣,而燃料電池效率更高,只有水蒸氣作為副產(chǎn)品。

據(jù)估計(jì),使用氫氣作為燃料,在飛行過程中對氫氣渦輪機(jī)的氣候影響可減少50%至75%,使用氫電池可減少75%至90%。

由于對電池的需要和目前的技術(shù)開發(fā)水平,使用氫燃料電池僅限于支線飛機(jī)和短距離飛行。實(shí)施氫內(nèi)燃機(jī)將使大中型飛機(jī)的煤油能夠取代煤油,飛行距離達(dá)10，000公里。

氫氣:推進(jìn)具有巨大潛力,但面臨許多挑戰(zhàn)

除了在飛行過程中不排放二氧化碳外,氫是地球上最豐富的元素，因此它在其他可持續(xù)的推進(jìn)源中獨(dú)樹一幟。然而,生產(chǎn)，儲存和分配需求使氫氣不能在飛機(jī)上廣泛應(yīng)用。

在氫氣生產(chǎn)過程中,消耗了大量能源,這必須來自可再生能源,以便氫可以用作可持續(xù)燃料。為了滿足飛機(jī)推進(jìn)對氫氣的高需求,這種元素的藍(lán)色和綠色類型的生產(chǎn)必須大幅度增加。

另一方面,儲存用于為飛機(jī)提供動力的氫氣所需的儲罐相當(dāng)大。如果考慮氫氣經(jīng)常被用于液體狀態(tài)以減少其體積,那么這些儲罐必須加壓并承受非常低的溫度,因此,需要更厚的彈殼,這意味著更多的重量。

飛機(jī)上攜帶氫氣的后果

航空二氧化碳排放量的72%來自中型和大型飛機(jī),這些飛機(jī)用于商業(yè)航空。此外，在高空飛行意味著這些排放對環(huán)境影響更大。通過內(nèi)燃機(jī)或混合燃料電池系統(tǒng)實(shí)施氫推進(jìn)，在這些飛機(jī)上使用內(nèi)燃機(jī)將意味著減少大部分排放。

用液態(tài)氫代替煤油意味著將當(dāng)前飛機(jī)燃料箱的體積增加四倍,將燃料重量減少70%,以保證飛行相同的距離。

由于儲存飛機(jī)在遠(yuǎn)程飛行中消耗的氫氣所需的儲罐大小,飛機(jī)設(shè)計(jì)必須進(jìn)行修改。目前的替代方案包括增加機(jī)翼的體積,以增加機(jī)翼的儲存容量或增加機(jī)身長度以增加額外的儲罐。

為了達(dá)到A350等飛機(jī)的當(dāng)前最大航程,需要將機(jī)機(jī)翼面積乘以2.5并增加一個(gè)油箱,在組合解決方案中占用機(jī)身長度的5%


至于飛機(jī)的重量,這一設(shè)計(jì)改變意味著將最終起飛重量比最大起飛重量減少11%。

因此,將氫氣作為內(nèi)燃機(jī)的燃料不僅可減少二氧化碳排放,還將減少氫氣的排放，并且增加有效載荷。

氫氣與其他推進(jìn)器替代品

除了氫氣,航空業(yè)還致力于開發(fā)100%電動飛機(jī)和使用SOF(可持續(xù)航空燃料)。

SOF目前與煤油一起使用,其水平高達(dá)50%,但預(yù)計(jì)其含量將達(dá)到100%。它們可用于任何類型的飛機(jī),沒有任何航程限制。但飛行過程中的高成本和部分減少二氧化碳排放,使得這一項(xiàng)目成為近期的一個(gè)很好的選擇,但這不是一個(gè)明確的解決方案。

配備燃料電池和電動機(jī)的飛機(jī)將使零排放飛行成為可能。然而,應(yīng)用僅限于小型飛機(jī)和1000公里以下的航班,有待于所需電池的進(jìn)一步技術(shù)開發(fā)。

根據(jù)三種推進(jìn)源在機(jī)場和飛機(jī)上的實(shí)施影響進(jìn)行比較,氫氣和電力推進(jìn)器將需要更多的投資。這是因?yàn)闄C(jī)場需要新的分銷和存儲網(wǎng)絡(luò),以及新的飛機(jī)設(shè)計(jì)。另一方面,SOF不需要任何重大更改,因?yàn)樗鼈兪褂门c煤油相同的系統(tǒng)。


考慮到各種替代品對環(huán)境的影響較低以及實(shí)施這些替代品的成本,每種備選方案都有最佳距離范圍。通過結(jié)合不同的替代方案,并在效率最高的航班上實(shí)施這些替代方案,可以最大限度的實(shí)現(xiàn)減排。不過,要開發(fā)這三種方案,仍需要大量投資。此外,這完全取決于這些推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和未來替代品的發(fā)展,如牛津大學(xué)提出的CO2推進(jìn)。


根據(jù)這些當(dāng)前替代品的特性可以得出結(jié)論,氫推進(jìn)的多功能性使其能夠覆蓋廣泛的飛機(jī)和飛行距離。因此,投入氫動力飛機(jī)將實(shí)現(xiàn)最大的環(huán)境效益,減少高達(dá)89%的航空二氧化碳排放量。