深瞳工作室出品
科技日報駐法國記者 李宏策 策劃 王俊鳴 馮衛(wèi)東
2021年，在新冠肺炎疫情沖擊下，全球航空業(yè)經歷了連續(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)減排目標大幅提前：明確到2050年實現凈零排放。由于航空業(yè)具有跨境屬性，必然涉及國際協商，歐美在確立新目標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，已經成為航空業(yè)發(fā)展的核心問題。
聯合國將本世紀中葉實現全球凈零排放作為當前全人類最為緊迫的使命。2018年，一場名為“飛行恥辱”的運動自瑞典發(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)如果不能革新轉型，迎來的將是淘汰降級，而由此引發(fā)的新一輪技術革命和全球競爭已然拉開序幕。
視覺中國供圖
航空脫碳勢在必行?
2050年前碳排放要比2005年減少50%
聯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，在2050年實現二氧化碳凈零排放的目標至關重要。2015年《巴黎協定》簽署以來，盡快實現碳中和正在全球范圍取得共識，主要行業(yè)在本世紀中葉實現凈零排放已是大勢所趨。作為全球經濟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。
早有遠慮的航空業(yè)自2007年就已經開始探索全行業(yè)減排，很多民航相關的國際機構和組織都制定了相應規(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)減排市場機制，航空業(yè)也由此成為世界上第一個由各國政府協定實施全球碳中和增長措施的行業(yè)。根據該計劃，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年實現碳中和目標。歐盟委員會于7月提出“Fit?for?55”法規(guī)以確保2050年實現碳中和。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》，公布了實現2050碳中和目標的時間節(jié)點與技術路徑。美歐作為航空業(yè)的兩大“引擎”，都不約而同將航空業(yè)減排目標大幅提前：明確到2050年實現凈零排放。
由于航空業(yè)具有跨境屬性，必然涉及國際協商，歐美在確立新目標后隨即會著力向全球推廣。
2021年10月，代表全球航空運輸業(yè)的航空運輸行動小組（ATAG）敦促國際民航組織成員國根據行業(yè)承諾，支持在2022年第41屆國際民航組織大會上通過一項長期的減排目標。
在2021年11月召開的第26屆聯合國氣候變化大會（COP26）上，英、美、法等23個國家組成“國際航空氣候雄心聯盟”，簽署《國際航空氣候宣言》，旨在加強政府間合作，為國際航空排放設定具有雄心的長期目標。特別提出支持國際民航組織通過雄心勃勃的長期目標，敦促ICAO做出2050年實現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輸協會（IATA）對2050年凈零碳排放飛行計劃表示支持。
時間轉入今年2月，在歐盟輪值主席國法國主持下，42個發(fā)達國家于歐洲航空之都圖盧茲簽署《關于航空可持續(xù)發(fā)展和脫碳的圖盧茲宣言》，呼吁全球采取措施，到2050年實現航空業(yè)脫碳目標，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，從而推動在第41屆國際民航組織大會上通過全球航空運輸脫碳承諾。該倡議同時得到空客、法荷航、達索等146家行業(yè)公司的支持。各方強調，在ICAO框架下開展國際合作對于保證全球公平競爭至關重要。
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，他強調，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，采取了實際行動以促進實現國際航空脫碳。
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（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，相關協商進展將提交LTAG高級別會議，最終將在9月大會上做出表決。2050年實現航空業(yè)脫碳無疑將是一個極具雄心的目標，無論國際民航組織最終做出何種承諾和約束，航空業(yè)開展脫碳都已經箭在弦上。
航空技術醞釀巨變?
要實現航空脫碳，技術上能否取得突破是關鍵
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，要實現航空脫碳，技術上能否取得突破是關鍵。
法國《回聲報》認為，當前航空業(yè)即將迎來第三次航空革命。第一次航空革命是20世紀初萊特兄弟的第一架飛機成功試飛；第二次革命是上世紀50年代，渦輪式風扇發(fā)動機的問世宣告航空業(yè)進入黃金時代。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負責人弗蘭克·安東博士對此毫不猶豫地給出他的答案：電。安東指出：“電力推進技術是航空業(yè)的發(fā)展方向，否則航空業(yè)將沒有未來可言?！蔽鏖T子團隊已初步完成了油電混合推進系統的設計、研發(fā)與試飛工作。2015年，西門子推出的電動飛機電機，重量僅為50公斤，但功率卻高達260千瓦，實現了全球首架250千瓦級電動飛機的首飛。未來，通過電力系統的不斷優(yōu)化和電池技術的進步，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)表了航空運輸脫碳技術路線研究報告。該報告認為，未來需要通過不斷提升氫能飛機所占比重來實現行業(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，利用降低油耗和生物燃料實現碳中和；2035年推出短途氫能飛機；2045年推出中程氫能飛機；至2050年，氫技術可為航空業(yè)全部碳中和貢獻29%。在另外一項更為激進的歐洲聯合研究報告則指出，用氫代替燃油可將航空運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技術研發(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，純電力推進的應用將主要是小型飛機。對于大型飛機，混合電動推進可作為實現完全電氣化的過渡技術?；旌想娏ν七M可以通過將傳統發(fā)動機與電力推進串聯或并聯組合。這一概念已在汽車行業(yè)長期應用。
根據目前的技術展望，100座以上的全電動飛機難以在2050年前投入使用。19座以下的小型飛機業(yè)務正在增長，但目前僅占全球航空總排放量的不到1%。對于中遠程大型飛機，更為現實的技術選擇似乎只有氫氣和可持續(xù)航空燃料（SAF）。這里的氫推進與依靠氫氣發(fā)電的燃料電池不同，氫推進飛機是將氫氣燃燒作為發(fā)動機燃料。
目前，歐美主要國家都將氫推進視為飛機脫碳的最佳候選者，也是2035年可實現的主要技術解決方案之一。氫燃料的優(yōu)勢在于燃燒溫度高，可以提高發(fā)動機的熱效率，并且是零碳排放。從發(fā)動機制造商的角度來看，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。即使有必要進行調整，發(fā)動機的90%都可能保持不變。選擇氫的主要困難在于飛機上的存儲問題，相同的機載量下，氫燃料的重量是傳統燃油的三分之一，但所占體積是燃油的4倍，這需要對飛機結構做出調整。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)一種能夠在飛機應用要求下承受熱循環(huán)和壓力循環(huán)的液氫儲罐。
根據法國蒙田研究所的預測，為了實現2050年脫碳目標，目前占全球航空排放約3%—4%的區(qū)域航班（主要為100座以內小飛機）可以基于混合電力推進和氫燃料電池實現脫碳；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）可以主要依靠氫推進技術；占航空排放約30%的長途航班（主要為250座以上的大型客機）還需要依靠可持續(xù)航空燃料。
除了推進技術外，航空脫碳還需要在改善空氣動力學，優(yōu)化引擎性能，增加數字化等漸進性技術領域取得進展。
航空巨頭紛紛入場?
歐美航空企業(yè)加快研制氫能飛機
在歐洲，2020年9月，空客推出了ZEROe零排放商用飛機項目，公布了三款混合氫能概念飛機，分別用渦輪螺旋槳、翼身融合和渦輪風扇三種類型的發(fā)動機，利用燃燒氫氣作為燃料，暫定于2025年原型機試飛，2035年投入使用。
今年2月，在公布氫能飛機項目20個月后，空客宣布與通用和賽峰的平股合資公司CFM國際公司強強聯合，雙方決定于2025年左右共同啟動氫能飛機示范項目。該項目旨在對氫燃料發(fā)動機進行地面和飛行測試，為2035年推出第一款零排放飛機做好準備。該示范項目將使用A380測試飛機作為飛行測試平臺，配備由空客在法國和德國的工廠準備的液氫罐。從2026年開始，空客將在A380巡航期間對氫燃料發(fā)動機進行測試。
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、高效的氫燃料推進技術。
普惠公司參與的“氫氣蒸汽噴射、間冷渦輪發(fā)動機”項目將使用液態(tài)氫燃料，通過回收水蒸氣大大減少飛機凝結尾跡，從而實現零溫室氣體排放飛行，并將氮氧化物的排放減少80%。該項目采用的半封閉系統架構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，總運營成本可能進一步降低。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年實現飛機二氧化碳凈零排放這一戰(zhàn)略目標。
根據法國《回聲報》報道，波音似乎仍然對2035年實現氫動力飛機的可行性持保留態(tài)度，波音更傾向于優(yōu)先考慮使用替代燃料運行的傳統機型。
在俄羅斯，俄羅斯國家技術集團（Rostec）2021年7月宣布啟動一項為航空和地面應用開發(fā)氫動力發(fā)動機的計劃。俄羅斯聯合發(fā)動機公司首席設計師尤里·什莫廷稱：“為了減少航空業(yè)的碳足跡，氫燃料的使用是最有前途的發(fā)展領域之一。我們正在考慮兩種主要技術：在改進的燃氣輪機中直接燃燒氫燃料，以及使用氫燃料電池發(fā)電?！?/p>
對中國而言機遇和挑戰(zhàn)并存
零碳飛機涉及新技術的開發(fā)，大家都在同一個起跑線上
法國《費加羅報》文章稱，多位國際航空觀察家認為，零碳排放飛機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遇。全球咨詢公司AlixPartners董事總經理尼古拉斯·博格蘭和帕斯卡·法布爾相信：“零碳飛機涉及新技術的開發(fā)，長期投資的中國當然有牌可以打?！闭缌硪晃粚＜铱偨Y的那樣：“大家都在同一個起跑線上。”
中國旅法航協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遇，盡快起步。中國在經典航空發(fā)動機領域仍處于追趕階段，建議中國航空制造盡早向新能源技術方向跨越，大膽轉型。
中國旅法航協副會長、空客研發(fā)工程師丁一對記者表示：“空客零碳大飛機已經明確氫能技術路線。對于中國民機事業(yè)，氫燃料等新能源飛機架構和發(fā)動機，可能是彎道追趕的機遇，同時仍然是需要積累沉淀的長期挑戰(zhàn)。零碳飛機這一新賽道的本質還是航空制造業(yè)，需要立足我國型號任務穩(wěn)中求進，在設計理念、制造工藝和測試手段等方面努力縮小差距?！?/p>
半個多世紀以來，空客和波音通過技術進步不斷取得領先，但在變革之下，曾經的“巨無霸”并不能保證在未來持續(xù)領先。對于是否選擇氫能，空客和波音已經分道揚鑣，一個滿懷壯志，一個保守觀望。航空業(yè)要在不到30年內實現脫碳，必須依賴顛覆傳統的科技突破。未來航空業(yè)能否“氫”裝上陣，取決于大膽創(chuàng)新，也取決于膽識和遠見。
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氫燃料與交通運輸
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。
當世界上第一臺內燃機投入使用時，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。他的第一個試驗就是研究發(fā)動機氣缸內燃料爆燃膨脹后推動活塞運動的基本原理。當時，他使用氫氣和氧氣混合點火驅動內燃機運轉，試驗取得了初步成功。1807年，他將試驗原型發(fā)動機安裝在一架四輪馬車上，驅動馬車行駛了一段距離，此舉使這輛馬車獲得了“世界第一臺由內燃機驅動的汽車”的殊榮。
在20世紀，汽車企業(yè)、大學、發(fā)明家和愛好者都在進一步測試由氫驅動內燃機的可行性。在1970年，發(fā)明家保羅·迪格斯為燃氣動力內燃機的改進申請了專利，他的設計讓汽油發(fā)動機可以依靠氫氣運行。如今，氫燃料發(fā)動機已經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)動機的推進劑，為太空探索提供燃料。
氫作為飛機燃料的研究同樣有相當長的歷史。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)氫作為燃料的實驗性商用飛機升空。這架由蘇聯研制的圖-155共進行了約100次試飛。30多年后的今天，航空業(yè)再次將注意力轉向氫燃料商用飛機。
