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氢燃料电池飞机—助力现代航空业脱碳和高效运营

作者:拉瓦锡1787
文长1652 - 时长5分

摘要:
航空业是当前碳减排进度最为缓慢的部门,到2050年还将增加至少一倍的排放量。越来越大的飞机和机场意味着更多的拥堵,更长的等待和更高的安全支出。氢的高能量密度辅以灵活高效的燃料电池理论上可适应不同航段的运营要求。美国、欧洲和俄罗斯均已启动氢燃料电池飞机的研发,以推动航空业脱碳和高效运营。

航空业的碳排放量占交通运输业排放总量的12%以上;在高海拔地区航空业碳排放量相当于地面排放量的2-4倍。大型机场枢纽中较高的乘客集中度往往带来最后一公里运营效率的大幅下降。 

目前,全球范围内的监管机构开始推动该行业大幅减排。到2050年,欧盟的碳排放量要减少4倍,氮氧化物排放量减少10倍。其中,短途航段是一种重要的解决方案:行业一半的碳排放来自小于1,000英里的航班。美国现有的小型机场已探索尝试零排放飞机实现点对点飞行。 

近年来,加利福尼亚州小型机场的着陆点数增加了25倍。由于跑道长度和噪音限制,只有较小的飞机可以飞往这些机场。10-20座飞机代表了灵活性和运营效率之间的最佳平衡,将大大减少航空旅客的拥堵并消除安全延误。

日前,硅谷初创公司ZeroAvia开发氢燃料电池动力系统已经在PiperM-Class原型机上成功进行了飞行测试。其创始人ValMiftakhov表示,使用当地可再生能源生产的氢气是在300-500英里(480-800公里)航段中实现具有商业意义的零排放飞机的最佳方法。得益于较低的燃料投入,较高的动力系统效率和较低的维护成本,搭载ZeroAvia氢燃料电池动力系统飞机的运营成本仅为常规涡轮飞机的50%。但ZeroAvia尚未披露技术细节,例如动力系统的设计、机身的集成、燃料箱的位置或发动机的性能。 

美国联邦航空管理局今年上半年向ZeroAvia的Piper M-Class平台颁发了实验研发证书。据称,这是世界上没有任何化石燃料支持的最大的零排放飞机,可以实现2吨的起飞重量和6个商务舱座位。除乘客运输外,ZeroAvia动力系统还可应用于包括货物,空中出租车,农业以及其他各种类型的飞机,包括有人驾驶和无人驾驶固定翼、旋翼飞行器等。

ZeroAvia计划从2022年开始商业运营,向飞机制造商和商业运营商提供其燃料电池发动机总成系统。运营模式将采用现有航空业流行的发动机租赁方式。

此外,NASA正在资助“低温高效飞机电气技术中心(CHEETA)”探索开发不产生温室气体排放的全电动客机的可能性。该项目由伊利诺伊大学领衔,探索液态氢燃料电池作为环保能源的潜力。通过使用低温液态氢,可以在不需要重型加压储罐的情况下产生清洁动力。这种转变可能为大飞机的研发以及航空商业带来革命性变化。

欧洲MAHEPA计划旨在使用轻型飞机作为测试平台开发和测试模块化混合动力推进技术,并对19座和70座飞机进行扩展研究,通过真实的飞行数据来研究如何在2050年前将航空碳排放量减少70%。目前,该计划已先后搭建G4(电池版)和HY4(氢燃料电池版)两个平台。其中HY4 是2016年9月试飞的四座飞机,搭载德国航空航天中心(DLR)开发的氢燃料电池动力总成。最新版本的HY4混合动力系统测试将在2020年进行。 

据报道,俄罗斯氢燃料电池飞机将在8月底莫斯科航展上展出。燃料电池被安装在一架俄罗斯Sigma-4飞机的机身内。该机长6.2米,翼展9.8米,起飞重量600公斤,功率75千瓦,飞行距离为300公里。早在上世纪80年代末,苏联就研制出氢燃料发动机,并用图-155飞机进行了搭载试验,相关成果构成了目前俄罗斯高超音速武器的技术基础。目前,俄罗斯正计划实施低温燃料战斗机项目,旨在研发使用氢燃料的高超音速第6代战斗机,其中会部分借鉴现有发动机技术。 

相对而言,纯电池供电的飞机通常要小得多,例如瑞士创业公司H55的双座电动飞机。其他公司主要从事混合动力飞机,拥有6个座位的Ampaire337于6月首飞。

文中信息图片来自ZeroAvia、DLR、HY4、yandex

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来源:拉瓦锡1787

封面图:ZeroAvia

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