氢动力飞行的天空开始热闹起来

ZEROAVIA

前几天的文章中提到过，交通正在迈向电动化。火车、公共汽车和私家车正在远离导致全球变暖的燃料——这一过程通常被称为脱碳。详细可见文章：向氢动力飞行的飞跃。

初创企业和大型航空公司争相将H2转化为未来的喷气燃料。

这架19座的Dornier 228螺旋桨飞机在1月天空中起飞，乍一看这似乎很普通。然而，旋转其左螺旋桨的一个2兆瓦的电动机，是由两个氢燃料电池驱动的，右侧则使用了标准煤油发动机，这是迄今为止最大的氢燃料飞机。加州初创公司ZeroAvia的创始人兼首席执行官Val Miftakhov称这是“可持续航空发展的历史性一天（historical day for sustainable aviation）”。ZeroAvia在英国格洛斯特郡进行了10分钟的试飞。

总部位于洛杉矶的Universal Hydrogen公司计划在2月底前测试一架50座氢动力飞机。两家公司都承诺在2025年前进行改装涡轮螺旋桨飞机的商业飞行。法国航空巨头Airbus公司计划在2026年对其标志性的A380客机进行示范飞行，该飞机将使用氢燃料电池，并直接在发动机中燃烧氢气。同时，Rolls Royce也在燃烧纯氢的飞机发动机上取得了进展。

航空业约占全球碳排放量的2.5%，已承诺到2050年实现净零排放。要达到这一目标，需要多条路线共同推进，包括可持续燃料、混合动力发动机和电池飞机。

氢气是另一种潜在的途径。无论是用于在燃料电池中发电，还是在发动机中燃烧，它都与氧气结合以释放水蒸气。如果绿色氢在卡车和船舶上推广，它可能是一种低成本的燃料，而不存在电池的环境问题。

氢飞行带来了储存和飞机认证方面的挑战，但航空公司现在正在为2035年前的氢飞行做准备。Airbus Americas公司负责研究和技术的副总裁Amanda Simpson表示：“氢气正在应用于天空，我们将把它带到那里。”

氢是最丰富的元素，也是工业对抗重力的最轻的关键，其能量是喷气燃料重量的三倍。氢气的问题在于其体积。运输时，必须将其作为压缩高压气体或低温液体储存在重型储罐中。

ZeroAvia正在使用压缩氢气，因为它已经被批准用于公路运输。它的试验飞机在机舱内装有两个氢燃料电池和储存箱，但该团队现在正在创造性地考虑打造一个更加紧凑的系统，对飞机设计进行最小的改动，以加快美国和欧洲的认证。燃料电池增加的重量可能会减少飞行距离，但“这不是问题，因为飞机的设计要比最终使用时的距离更远，”ZeroAvia公司战略副总裁James McMicking说。

该公司得到了包括Bill Gates和Jeff Bezos在内的投资者的支持，同时达成了与英国航空公司和联合航空公司的合作伙伴关系。

到2027年，ZeroAvia计划改装更大的70座涡轮螺旋桨飞机，其航程是欧洲的两倍。该公司正在开发5兆瓦的电动机，并计划改用更高能量密度的液态氢，以节省空间和重量。McMicking说，这种燃料对航空业来说是新奇的，可能需要更长的监管审批程序。

他说，接下来将为100至150个座位的飞机提供10兆瓦的动力系统，这或将成为“行业的主力军”。McMicking表示，ZeroAvia也在开发专有的高温燃料电池，能够重新利用产生的大量废热。他说：“我们有设计和技术路线图，将把我们带到喷气发动机领域寻求动力的未来发展。”

Universal Hydrogen公司将Airbus，GE Aviation和American Airlines列为其战略投资者，正在押注液态氢。创始人兼首席执行官Paul Eremenko表示，这家初创公司“是一家以氢供应和物流为核心的公司”，希望在加快速度的同时，确保氢航空的无缝交付网络。该公司生产绿色氢气，将其转化为液体，并将其放入技术含量相对较低的隔热铝罐中，通过公路、铁路或轮船运输。“我们希望他们在2025年获得联邦航空管理局的认证，这意味着他们不仅是一个科学项目，”他说。

Eremenko表示，预计到2025年，绿色氢的成本将与煤油持平。但“还没有人能提供氢飞机解决方案。这是一个鸡和蛋的问题”。

为了解决这个问题，Universal Hydrogen公司与领先的燃料电池制造商Plug Power合作，为区域涡轮螺旋桨飞机开发了数千套转换套件。这些套件将流线型外壳（也称为机舱）中的发动机更换为燃料电池组、电力电子设备和2兆瓦电动机。虽然该公司的竞争对手在起飞时使用电池作为缓冲，但Eremenko表示，Universal Hydrogen公司使用智能算法来管理燃料电池，因此它们可以快速加速并做出反应。“我们是氢的Nespresso，”他说，“我们买别人的咖啡，把它装进胶囊，然后送到顾客手中。但我们必须制造第一台咖啡机。我们是唯一一家同时孵化鸡肉和鸡蛋的公司。”

与大型中央发动机相比，燃料电池有一些优势。它们允许制造商在飞机上部署较小的推进电机，从而使其具有更大的设计自由度。而且由于没有高温运动部件，维护成本可以更低。然而，对于长途飞机来说，高功率燃料电池的重量和复杂性使得氢燃烧发动机具有吸引力。

Airbus正在考虑为其ZERO氢动力飞机系统提供燃料电池和燃烧推进。该公司与德国汽车燃料电池制造商Elring Klinger合作，并与GE Aviation和Safran的合资企业CFM International合作开发直燃发动机。在今天的发动机中燃烧液态氢仍然需要轻微的修改，例如更短的燃烧室和更好的密封。

Airbus Americas公司的Simpson表示，Airbus也在评估混合动力推进概念，即在同一轴上安装氢发动机驱动的涡轮机和氢燃料电池驱动的发动机。“然后你可以优化它，这样你就可以在起飞和爬升时同时使用两个推进系统，然后在巡航时关闭其中一个。”

该公司并不局限于简单的飞机重新设计。Simpson说，氢罐可以储存在飞机顶部的冲天炉、机翼下的吊舱或后部的大罐中。她说，如果机翼中没有像传统飞机那样的液体燃料，“你可以优化机翼的空气动力学性能，使其更薄或更长。或者可能是一个混合翼体，这可能会非常不同。这为优化飞机的效率提供了机会” —— 这种新型飞机的认证可能需要数年时间，而Airbus预计到2035年才能进行商业飞行。

McKinsey&Co.公司分析师Robin Riedel表示，考虑到25至30年的寿命，如今制造的常规飞机将在2050年左右问世。他说，氢可以在那里发挥作用，通过“能量转化为液体技术，可以利用混合氢和捕获的二氧化碳来制造航空燃料”。

即便如此，Riedel认为氢在2050年之前会成为航空可持续发展解决方案的一小部分。“但到了2070年，氢将发挥更大的作用，”他说，“不过，我们现在必须开始把氢燃料利用和研究起来。”他表示，Airbus和Boeing投入氢燃料的资金只占航空航天的一小部分，但大型航空公司投资氢燃料公司或订购动力传动系统的大比例投入则“显示了他们的更多愿景”。

Simpson说，航空业要想发展，就必须整顿。生物燃料是一块垫脚石，因为它们只减少碳排放，而不减少其他有害的排放。她说：“如果我们要走向清洁航空，我们必须从头开始重新思考一切，这就是ZERO正在做的事情。这是一个机会，可以做出真正革命性的改变，而不只是进化性的改变。”