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      減排箭在弦上 新能源飛機蓄勢待飛

      時間:2023年10月01日   來源:

      邴元春/編譯

      隨著全球航空業的不斷發展,其產生的碳排放也逐漸增加。當前,全球航空業產生的碳排放量約占全球碳排放總量的2.5%。相關數據顯示,未來20年,全球民航旅客年增長率將達3.7%,旅客量的增加將對環境產生更大影響。2022年10月,國際民航組織第41屆大會確定了到2050年全球航空業實現二氧化碳凈零碳排放的長期目標。為實現這一目標,航空業已采取多項措施減少碳排放,新能源飛機便是其中之一。

      航空新能源是什么?

      航空業的碳排放主要來自化石能源燃燒。為減少碳排放,主要可以使用3種能源替代傳統航空燃料:可持續航空燃料(SAF)、氫能和電能。

      可持續航空燃料:以廢棄的動植物油脂、油料、使用過的食用油、城市生活垃圾和農林廢棄物為原料生產,也可直接從空氣中捕獲二氧化碳合成??沙掷m航空燃料是目前已經用于商業航空的液體燃料,最高可減少80%的二氧化碳排放??沙掷m航空燃料之所以是“可持續的”,是因為其原料與糧食作物或水供應不存在競爭關系,也不增加資源使用,不會對環境產生影響。

      氫能:氫以液體形式存在,每千克所含能量大約是煤油的2.5倍,在燃燒時只產生水蒸氣,從環保和能源含量的角度來看潛力很大。氫能可用作傳統發動機的推進燃料,也可用于電力燃料電池。

      電能:電能儲存在電池中或通過燃料電池產生,為飛機提供動力,分為全電動和混合動力。電池是全電動的唯一動力來源?;旌蟿恿t結合了內燃機與電動發動機的優點,可能是大型飛機應用全電動推進系統必要的中間步驟。

      新能源飛機的類型

      目前,幾乎所有可用的可持續航空燃料都是鏈烷烴可持續航空燃料,不含芳烴等其他碳氫化合物??蜋C不能只使用純鏈烷烴可持續航空燃料,需要與足夠的傳統航空燃料混合,使其化學成分符合飛機燃料質量標準。多家飛機制造商宣布,到2030年,其所有民用產品將與100%鏈烷烴可持續航空燃料兼容。

      混合可持續航空燃料的成分和性質與傳統航空燃料完全相同,不需要對飛機進行任何改裝。美國材料與試驗協會(ASTM)目前正在制定標準,使現有飛機能夠使用100%混合合成燃料飛行,預計這項工作將在2024年前完成。

      氫可通過兩種方式為飛機提供動力:在燃料電池中產生電能驅動電動飛機,或在燃氣輪機中燃燒,這與噴氣燃料的燃燒方式一樣。與大多數使用機翼儲存燃料的飛機不同,氫動力飛機通常在機身內部設有氫燃料箱。

      氫氣已經開始分階段在航空運輸系統使用,首先是在非推進系統中的應用,如地面輔助設備,使用氫動力公交車、火車或出租車運送旅客往返機場。

      電動飛機是以儲能裝置(蓄電池、燃料電池等)給電動機供電,驅動螺旋槳、涵道風扇或其他裝置產生飛行動力的飛機。全電動飛機在運行期間的二氧化碳排放為零。翼身融合混合動力飛機最多可減少40%的二氧化碳排放。美國航空航天局(NASA)的研究顯示,商用電動飛機可實現節能超過60%、減排超過90%、降噪超過65%。

      電動垂直起降飛機(eVTOL)依賴更簡單的動力裝置,安全性更高,采購和運營成本大大降低。無論是全電動飛機還是混合動力飛機,與傳統飛機相比,其噪聲更小,對空氣的污染更少,具有改變空中交通的潛力。城市空中交通(UAM)通過新興運輸工具開發低空空域,在人口稠密地區建立一個安全高效的空中運輸系統,運輸旅客或貨物,其主要運輸工具就是電動垂直起降飛機(eVTOL)。

      新能源飛機的前世今生

      2008年,英國維珍航空首次使用生物噴氣燃料進行試飛。2016年3月,美聯航成為首家在常規商業運營中使用可持續航空燃料的航空公司。2019年11月,全球使用可持續航空燃料的商業航班已超過25萬架次,超過45家航空公司使用了可持續航空燃料。2023年,使用可持續航空燃料的航班已超過49萬架次??沙掷m航空燃料價格較高,是普通航空煤油的3倍~8倍,目前供給量較少,2022年產量約3億升。盡管航空公司與全球各地供應商簽署了可持續航空燃料協議,但目前可持續航空燃料在全球航空燃料消耗量中的占比仍不足1%。

      航空碳排放的17%以上來自966公里以內的短途飛行。據估計,所有4025公里以內的飛行都可以通過電能或由氫氣提供動力,而這些飛行的碳排放占航空碳排放的一半以上。

      盡管氫動力飛機研究已經開展了幾十年,但在運送旅客方面尚未獲得認證。

      早期的測試包括美國在20世紀50年代進行的B-57B氫氣試飛和20世紀80年代的TU-155飛行。此外,波音公司自本世紀前十年以來,使用氫燃料電池和內燃機進行了6次氫技術演示,包括載人和無人駕駛飛機。

      2010年,空客公司開啟了電氣化之路,研發了全球首架全電動、四引擎特技飛機(Cricri)。此后,空客公司在飛行電氣化方面取得了重大進展,先后研發了全電動雙螺旋槳飛機(E-Fan)和電動飛機示范項目(Vahana和CityAirbus NextGen)??湛凸疽研佳邪l全新窄體氫動力飛機ZE—ROe項目。

      德國羅蘭貝格咨詢公司是歐洲最大的戰略管理咨詢公司,該公司持續對飛機電力推進領域進行研究。根據該公司的研究報告,截至2021年,全球范圍內超過一半的電動飛機項目是自2017年以來啟動的。

      美國垂直飛行協會(VFS)也關注到了電動飛機的發展熱潮,自2016年底起編制世界電動垂直起降飛機(eVTOL)目錄,于2017年正式發布。

      新能源飛機的未來

      根據國際航空運輸協會(IATA)的預測,未來進行長途飛行和超長途飛行的飛機應完全或部分由可持續航空燃料提供動力,而氫氣在不久的將來將應用于中短途飛行中,極短距離的通勤飛行可通過電池提供動力。

      同樣,根據國際航空運輸協會的分析,到2050年,航空業65%的碳排放需要通過可持續航空燃料實現。因此,需要大幅增加可持續航空燃料產量。2025年,可持續航空燃料產量將達到50億升。2030年,SAF年產量有望從2021年的1.25億升增加到300億升,達到生產和利用的轉折點。2030年以后,可持續航空燃料產能將達到最大。

      空客公司正在開發3種氫燃料零排放商用飛機,分別是渦輪螺旋槳飛機、渦扇設計飛機和翼身融合設計飛機,航程1000海里起,最高達到2000海里,最多搭載200人,預計將于2035年投入使用。到2040年,氫動力飛機在減少全球航空碳排放方面的影響仍將非常小。2050年左右,氫技術可能應用于長途航班。2060年和2070年可能發生變化,很大一部分飛機將由氫氣提供動力。但要做到這一點,必須應對一些技術上的挑戰,如大規??色@得性、提供適當的供應基礎設施等。由于液氫燃料占據的空間約是煤油的4倍,對機身設計者來說也是一項挑戰。

      由混合動力推進的小型飛機(15座-20座)預計將在10年內投入使用,支線飛機將在本世紀30年代投入使用,自2040年起將推出載客量更大的飛機。2050年左右,電池技術可能成熟到足以為支線航班提供動力。在未來幾十年內,電動垂直起降飛機(eVTOL)可能成為世界各地公共服務機構在消防、公共安全、搜救、救災和執法等領域應用的重要工具。

      (本文由中國民用航空局國際合作服務中心邴元春編譯)

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