高空中的氫革命——全球首架氫動(dòng)力飛機(jī)

　　全球首架商業(yè)規(guī)模的氫動(dòng)力飛機(jī)去年剛從英國起飛，不久還將有更多飛機(jī)加入這一行列。那么，在航空業(yè)節(jié)能減排這一方面，這些飛機(jī)究竟能走多遠(yuǎn)呢？

　　隨著飛機(jī)順利離開跑道，整個(gè)團(tuán)隊(duì)忍不住松了一口氣。這架六座的派珀M系列飛機(jī)此前在英國克蘭菲爾德機(jī)場的一座研發(fā)中心接受了整修，在美國加州的初創(chuàng)公司ZeroAvia與英國等地的合作伙伴們的共同努力下，成為了一架氫動(dòng)力飛機(jī)。2020年夏末的這次處女航進(jìn)行得十分順利，標(biāo)志著ZeroAvia公司已經(jīng)做好準(zhǔn)備，即將向?qū)崿F(xiàn)零碳航空的下一步進(jìn)發(fā)。

　　如果要用一個(gè)詞來概括向低碳或零碳經(jīng)濟(jì)的過渡，那便是“一切皆電”。也就是說，從制造業(yè)到施工業(yè)、從交通業(yè)到旅游業(yè)，全世界的一切人類活動(dòng)都靠利用風(fēng)能、太陽能或核能等低碳或零碳能源產(chǎn)生的電能運(yùn)作。但目前還存在一個(gè)問題：部分領(lǐng)域在中短期內(nèi)都難以實(shí)現(xiàn)電氣化，而航空業(yè)堪稱其中最難攻克的一關(guān)。

　　在疫情爆發(fā)前，商業(yè)航空的二氧化碳排放量約占全球總量的2.5%。這個(gè)比例看似很小，但已經(jīng)超過了整個(gè)德國的排放量（2.2%）。在航空業(yè)的有效輻射強(qiáng)迫（即對實(shí)際導(dǎo)致全球平均氣溫上升的因素造成的影響）中，二氧化碳也占到了一半。除此之外，飛機(jī)排出的水蒸氣尾氣造成的影響也不容小覷。

　　好在商業(yè)航空一直在努力提高能量效率。由于飛機(jī)引擎和操作技術(shù)的改進(jìn)，自1990年來，平均每位乘客相關(guān)的二氧化碳排放量已經(jīng)降低了50%以上。但壞消息是，由于航空業(yè)業(yè)務(wù)量激增，抵消掉了這些成就。過去五年來，航空業(yè)乘客數(shù)量增加了至少五分之一。等到2050年，每年乘客數(shù)量預(yù)計(jì)將達(dá)到100億。

　　乍看之下，氫似乎是個(gè)很好的解決方案。無論使用氫來支持燃料電池、還是直接燃燒產(chǎn)生動(dòng)力，產(chǎn)物都只有水。并且在飛行場景下，每單位質(zhì)量的氫包含的能量高達(dá)傳統(tǒng)噴氣機(jī)燃料的三倍以上，比鋰離子電池更是高出百倍之多。

　　政府與企業(yè)都正在這方面進(jìn)行投資。ZeroAvia公司2020年研發(fā)的氫動(dòng)力飛機(jī)HyFlyer I就得到了英國政府的資助。英國政府的零排放飛行理事會(huì)承諾，“將專注于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的航空燃料，以及加速零排放飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造與商業(yè)運(yùn)營”。

　　在英國政府、私人投資者與商業(yè)合作伙伴的共同支持下，ZeroAvia公司正在開發(fā)一款能夠攜帶20名乘客、飛行距離約350海里（約合648公里）的氫電（燃料電池）飛機(jī)。ZeroAvia的創(chuàng)立者及董事長瓦爾?米夫塔克霍夫表示，該公司計(jì)劃最早于2023年開始提供采用此類飛機(jī)的商業(yè)飛行業(yè)務(wù)，并且等到2026年，飛機(jī)航程將達(dá)到500海里以上，載客量也將達(dá)到80人。不僅如此，“等到2030年，我們還將造出有100個(gè)座位的單過道飛機(jī)?！?/p>

　　歐洲大陸對此也是野心勃勃。全球最大的飛機(jī)制造商空客公司首席技術(shù)官格拉齊亞?瓦塔蒂尼指出：“氫是最具潛力的技術(shù)板塊之一，既能繼續(xù)滿足人類對移動(dòng)能力的基本需求，又能更好地與環(huán)境和諧共存。”2020年9月，空客宣布將把氫燃料推進(jìn)系統(tǒng)作為新一代零排放商業(yè)飛機(jī)的核心。這項(xiàng)名叫ZeroE（零排放）的項(xiàng)目如今是歐盟數(shù)十億歐元綠色經(jīng)濟(jì)刺激計(jì)劃的旗艦項(xiàng)目。

　　空客已經(jīng)發(fā)布了三架概念機(jī)，準(zhǔn)備于2035年進(jìn)行部署。首先是一架螺旋槳飛機(jī)，可搭載約100名乘客，航程約為1000海里（約合1850公里）。其次是一架噴氣式飛機(jī)，可搭載200名乘客，航程也是前者的兩倍。這兩架飛機(jī)的外觀都與現(xiàn)有飛機(jī)很類似，但第三架概念機(jī)則充滿了未來感，采用翼身融合式設(shè)計(jì)，與當(dāng)今的商業(yè)飛機(jī)大相徑庭?？湛捅硎?，這架飛機(jī)的載客量和續(xù)航距離都超過前兩架飛機(jī)，不過目前暫未公布更多細(xì)節(jié)。這三架都屬于氫混合動(dòng)力飛機(jī)，既采用以液氫為燃料的燃?xì)鉁u輪引擎，又通過氫燃料電池產(chǎn)生電能。

　　ZeroAvia與空客的研發(fā)工作引起了很多人的興趣，但并非所有航空業(yè)人士都相信，氫將在向低碳或零碳飛行的過渡中發(fā)揮主要作用。

　　首先，氫在物理和化學(xué)方面具有弱勢。氫的單位質(zhì)量能量雖然比噴氣機(jī)燃料要高，但如果按單位體積來算，就不如后者了。這是因?yàn)闅湓谄胀鈮汉蜏囟认乱詺鈶B(tài)存在，而氣體必須被壓縮、或通過冷卻至零下253攝氏度轉(zhuǎn)化為液體，才能保證足夠的存儲(chǔ)量?！皦嚎s氫氣或液氫的儲(chǔ)罐既復(fù)雜又沉重?！鼻皠谒谷R斯飛機(jī)引擎設(shè)計(jì)師、可持續(xù)航空探索平臺(tái)Green Sky Thinking創(chuàng)始人芬利?阿什爾指出。

　　除此之外還有其它挑戰(zhàn)。液氫的能量密度只有航空煤油的四分之一左右，這意味著，要想提供同樣的能量，液氫所需的儲(chǔ)罐體積將是航空煤油的四倍。這樣一來，飛機(jī)要么減少載客空間、給儲(chǔ)罐騰地方，要么增加體積?？湛偷那皟杉芨拍顧C(jī)采用的便是第一種方案，這將造成機(jī)票收入減少，但其它都保持不變。第三架概念機(jī)采用的則是第二種方案，這需要更大的機(jī)身，而更大的機(jī)身就意味著更大的拖曳力。此外，機(jī)場還需要搭建全新的基礎(chǔ)設(shè)施，用于氫的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。

　　另外還有一個(gè)問題：氫能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)？是否能在不產(chǎn)生大量碳足跡的前提下保證價(jià)格競爭力？如今工業(yè)中使用的絕大多數(shù)氫都是用化石燃料甲烷生產(chǎn)的，過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。氫也可以借助可再生能源、通過水的電解反應(yīng)生成，但這一過程目前成本很高，并且十分耗能，如今只有約1%的氫是通過這種方法生產(chǎn)的。

　　就目前來看，液氫的成本超過傳統(tǒng)航空煤油的四倍。在接下來幾十年間，隨著基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模增加、效率提高，液氫的價(jià)格會(huì)有所下降。但據(jù)英國皇家學(xué)會(huì)與管理咨詢集團(tuán)麥肯錫表示，就今后幾十年而言，液氫的價(jià)格仍將至少高達(dá)化石燃料的兩倍。

　　考慮到這些因素，再加上其它一些原因，部分航空業(yè)巨頭的腳步有所遲疑?？湛偷闹饕獙κ植ㄒ艄镜沫h(huán)境策略總監(jiān)肖恩?紐森最近表示：“我們認(rèn)為，氫推進(jìn)系統(tǒng)所需的技術(shù)和元素還需要再過一段時(shí)間才能……用于商業(yè)用途。”此外，英國政府的關(guān)鍵顧問團(tuán)隊(duì)之一對此也抱有疑慮。英國氣候變化委員會(huì)的戴維?喬菲指出：“要想直接使用氫能，還需數(shù)十年時(shí)間進(jìn)行過渡?！?/p>

　　那么，我們還有哪些替代方案呢？2020年9月，航空交通行動(dòng)組織（ATAG）發(fā)布了一組場景模擬，提出即使航空客運(yùn)量繼續(xù)增加，全球航空業(yè)也有可能做到二氧化碳零排放，只不過要到2060年后才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這些場景，直接用氫只是“小打小鬧”，真正改變形勢的還是所謂的“可持續(xù)航空燃料”。

　　這個(gè)籠統(tǒng)的詞匯包含了一系列產(chǎn)品，比如生物燃料，其產(chǎn)生的二氧化碳凈排放、以及與傳統(tǒng)航空燃料相關(guān)的其它污染物水平都很低?？沙掷m(xù)航空燃料的支持者指出，與純氫相比，它們具有很多顯而易見的優(yōu)勢。由于它們在化學(xué)組成上與現(xiàn)有的航空燃料完全相同，因此幾乎不需要重新設(shè)計(jì)、不需要投入時(shí)間、也不需要?dú)鋭?dòng)力飛機(jī)所需的大量附加投資，便可用于現(xiàn)有系統(tǒng)中。勞斯萊斯首席技術(shù)官保羅?斯坦稱，可持續(xù)航空燃料是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)未來的關(guān)鍵所在?！暗鹊?050年，航空業(yè)每年需要的燃料將多達(dá)5億噸。如果可持續(xù)航空燃料能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，我們將對地球做出巨大貢獻(xiàn)?！?/p>

　　可持續(xù)航空燃料可分為兩類。一是通過對農(nóng)業(yè)廢棄物等生物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)處理或熱處理產(chǎn)生的生物燃料，二是所謂的“電燃料”。借助這些燃料，氫終將在航空業(yè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　電燃料通過氫與二氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生，產(chǎn)物名叫“合成氣”。接著，這些合成氣通過“費(fèi)托工藝”轉(zhuǎn)化為“電原油”，可作為原油替代品，提純加工成為航空煤油及其它燃料。假如各生產(chǎn)階段所需的大量能量都來自零碳能源，那么整個(gè)過程便可實(shí)現(xiàn)碳平衡，即在生產(chǎn)這些燃料后，大氣中的二氧化碳沒有增加。

　　位于奧斯陸的Norsk e-Fuel公司利用瑞士公司Climeworks研發(fā)的空氣直接捕捉技術(shù)收集二氧化碳，又借助可再生能源電解水產(chǎn)生氫氣。該公司計(jì)劃于2023年在挪威開設(shè)全球首家電燃料工廠，每年為挪威和歐洲市場生產(chǎn)1千萬升燃料。等到2026年，生產(chǎn)目標(biāo)將達(dá)到每年1億升。該公司總經(jīng)理卡爾?霍普梅爾指出，一家全規(guī)模運(yùn)作的工廠可以為挪威國內(nèi)使用最頻繁的五條航線提供一半的燃料，將排放量減少一半。

　　就目前而言，有一件事是幾乎可以肯定的：在接下來數(shù)年、乃至數(shù)十年間，氫和電燃料的成本仍將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)航空燃料，導(dǎo)致它們在航空業(yè)“綠色化”中的作用受到限制，除非航空業(yè)其它成本的權(quán)重發(fā)生變化。環(huán)保人士利奧?穆里指出，使用傳統(tǒng)燃料的航空業(yè)務(wù)必須將其對環(huán)境的破壞體現(xiàn)在價(jià)格中。這樣做盡管會(huì)導(dǎo)致機(jī)票價(jià)格上漲，但可以舍小利而保全球。（葉子）