分析 | 全球氢动力飞机产业发展对航空供应链的影响

航空产业网 2024-03-07

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在2050年航空行业脱碳的大目标之下,氢动力飞机已成为主要的发展方向之一,如新一代氢能飞机在2030年代服役投入运营,航空业将成为未来液氢重要使用场景之一,航空业的供应链各环节均会也将会受到较大的影响。

首先,考虑到与传统飞机相比,氢动力飞行中对储氢罐的空间要求增加,飞机结构将为之调整。此外,氢能加注基础设施需要大量升级调整。液氢加注主要借助于特殊的泵车或罐车。同时机场的其他配套设施、操作和安全法规也要进行相应的调整,以适应氢燃料需要低温存储,易挥发等特性,确保基础设施建设和飞机投放同步进行。


氢动力飞机市场发展趋势预测?航空产业网

也基于氢动力飞机将带来上述多方面调整,第一批成规模投入应用的氢动力飞机倾向于在2030年代起步,乃至2040年之后且是短途飞机,以过渡其对航空供应链带来的冲击和对技术带来的挑战。2050年之后,更大规模的推广可能出现,领域扩展到中程氢能飞机。航空业对氢能的需求将增长到每年4000万吨,这需要大规模扩大氢能供应链和机场加油基础设施。这种规模扩大将带来挑战,包括寻找更高效的加油技术,调整停机坪以容纳更大的飞机等等。

目前,氢动力飞机三种主要类型,分别是:

氢燃料飞机:这些飞机依赖于使用氢作为燃料的喷气式动力发动机,液态或气态氢在燃气涡轮发动机中燃烧以产生推力。其方式类似于当今的燃油飞机,是大型长途飞机最有可能的氢动力选择。

氢燃料电池飞机:氢用于在燃料电池内发电,然后作为电力推进来转动螺旋桨。这可能用于小型飞机。

同时也有二者的结合,氢气涡轮机和氢燃料电池系统的混合系统可以兼具涡轮发动机的高功率与燃料电池系统的高效率以及受气候影响较小。

氢动力飞机的发展与航空供应链
机体结构的变化:
由于氢燃料的储存需求,氢动力飞机的机体结构设计将与传统飞机的设计有所不同。与传统航空煤油相比,液态氢的体积能量密度仅是其四分之一,因此为获得同等能量,储氢罐的体积也需要是其四倍大。


航空煤油与液氢燃料能量对比?航空产业网

此外,对于液态氢存储来说,其需要保持低温,并且必须最小化热量传递以避免氢气蒸发,因此采用“低表面积体积比”的油箱形状有助于减少热量外泄,球形或圆柱形罐体则有助于保持低损失。也因此,氢燃料不能像燃油一样放置在机翼内。而为了有效地将罐体集成到飞机的机身上,需要延长机身结构,这将增加飞机的空机重量。

一个潜在的解决方案是中短程飞机的氢气罐可以放置在客舱上方,而远程飞机的液氢则储存在两个大型储氢罐中,一个位于驾驶舱后方,另一个位于客舱后方。


(图片来源:Adler and Martins, 2023)

另一方面,液氢的重量能量密度约为煤油的三倍,即为了获取与煤油相同的能量,所需的液氢重量是所需煤油重量的三分之一。这将意味着起飞重量更低,因此机翼可以更小,特别是对于那些燃油比高的飞机。更小的机翼进一步降低了飞机的阻力和结构重量。然而,如前文所述,由于液氢储存罐的额外重量和体积,存在重量或阻力损失。因此,目前提升氢动力飞机的综合效率是一个有待解决的课题。

此外,飞机还需要装配液态氢燃料系统、燃料电池、氢燃烧涡轮发动机等。

首先,液态氢燃料系统用于分配、汽化和向燃料电池或涡轮机供液氢,需要低温冷却至20开尔文(-253°C)。这一温度要求需要通过管道、阀门和压缩机来处理;必须保持较低的沸腾损耗,同时避免材料的泄漏和脆化。

燃料电池驱动的飞机中,氢气被转换成电能,然后驱动电动机和风扇或螺旋桨。目前最先进、最适合航空应用的是低温质子交换膜(PEM)燃料电池。在这个系统中加入能量存储设备,如电池,有助于确保快速负载跟随和功率峰值削减,以优化燃料电池系统的大小。

氢燃烧涡轮机用于氢气燃烧。在氢燃料飞机中,液氢像煤油一样直接在涡轮机中燃烧,以产生推力。

配套设施的变化
为了服务氢动力飞机,机场需要配备新的氢能制备及储存设备,以及适配氢燃料飞机的航站楼和飞机加油设备等基础设施。

首先在氢的储存方面,为提高空间利用效率,机场更适合储存液化氢。例如,NASA目前使用的最大储存罐(直径20米)可以容纳大约220吨(约4000立方米)的液态氢。

氢燃料可以通过卡车、火车和管道运送到机场,或在机场生产。如果氢以气态形式到达机场或现场生产,则在储存或加油前需要一个液化过程。这个过程需要一系列基础设施,包括液化器、冷却塔、空气分离器和控制室等。

由于氢动力飞机的机身将比当前飞机更长,机场可能需要为氢动力飞机和使用煤油燃料的飞机设立两套独立的航站系统。CleanSky2估计氢动力飞机将比当前飞机长5-15米。并且,氢动力飞机的周转时间可能比当前飞机更长,因为所需的氢燃料安全区域比煤油燃料的要大得多。并且,这也可能干扰其他活动,如乘客登机和餐饮服务,增加周转时间并降低航站楼的容量。随着氢动力飞机的使用量增加,机场可能需要额外的航站系统来服务氢动力飞机。

另一个需要重大更新的领域是飞机燃料加注设备,氢燃料飞机可以在停机坪上以类似于传统飞机的方式加注燃料,因此与传统飞机类似有两种主要途径——罐车和管道+泵车。考虑到液氢的易挥发性并需要低温储存和运输,管道加油优于罐车。加快周转时间和最小化成本的最有效方式,将是设置煤油和液氢两种燃料的停机位。然而,在氢能飞机使用的早期,可能会使用罐车进行加注燃料。另一个替代方案是,将氢气通过气态管道运输到登机口,并在登机口设置微型液化设施。

此外,由于液氢软管可以达到与煤油/合成燃料软管相同的流量率——大约每分钟900升。考虑到液氢的体积密度较低,所需体积较大,所以燃料加注仍然较慢。

环球氢能(Universal Hydrogen)正在研究一种轻质模块化氢能胶囊,氢燃料胶囊在氢生产基地加注封装,之后从生产地点运输到机场,并利用现有的多式联运货运网络和货物处理设备送达机场并直接装载到飞机上。使用完的胶囊存储罐运送回生产基地实现全流程闭环。

以上液氢配套设施与现有设施不同,因此需要一系列针对性的培训并搭建运营安全保证框架。

国际航空产业氢能技术相关企业介绍
氢能作为环保能源,已成为航空低碳发展的重要方向,有望在航空动力领域发挥更大作用。众多航空企业已经开始布局研究氢能飞机和氢能航空动力。

空中客车
2020 年 12 月,空客推出了四架液氢动力“ZEROe”概念飞机,其中三种使用氢燃烧和混合动力发动机作为动力源,第四种则是完全电动的。

在2020年10月,空中客车公司与ElringKlinger共同创建了Aerostack合资企业,以开发氢燃料电池堆,这些电池堆将是ZEROe飞机上电动推进系统的核心。此外,公司还在法国、英国、德国和西班牙设立了专门的发展中心,以研究油箱和低温燃料系统。

2022年2月,空中客车公司宣布A380 MSN1作为测试飞机来测试这些关键技术,这些技术对于将氢动力商用飞机推向市场至关重要。

2023年6月,空客完成了1.2兆瓦燃料电池系统的测试,10月份完成1兆瓦动力系统的测试之后,铁舱的电动马达首次使用氢燃料电池启动。据称氢能飞机将于 2035 年投入使用。

波音
作为“SAF and”(Sustainable Aviation Fuel)方法的一部分,波音公司继续推进其他可再生能源的安全性和可行性,以及它们在飞机上的使用。

自2000年代中期以来,波音公司已经使用氢燃料电池和燃烧引擎的有人和无人驾驶飞机,进行了六次氢技术演示。

2022年,波音在日本名古屋研发其氢能大型客机,扩大了他们2019年的合作协议,现在包括关注可持续航空燃料(SAF)、电动和氢能源动力系统技术,以及将促进零气候影响航空的未来飞行概念。

2023年6月,波音公司与Equatic达成了一项预购期权协议,Equatic是一家新兴的初创公司,其拥有创新的碳捕获和绿色氢技术,可以帮助波音公司实现其可持续航空燃料(SAF)目标。

ZEROAVIA
ZEROAVIA成立于2017年,在美国和英国设有基地。在2020年,ZA250氢电动力系统的安装和测试在克兰菲尔德的一架六座Piper Malibu飞机上进行,同年9月,氢电Malibu飞机进行了首次商业飞行。

2022年12月23日,英国民航局 (CAA) 已授予?ZEROAVIA?的Dornier 228飞机飞行许可证,该飞机已改装了原型氢电动动力系统。2023年19 座Dornier 228?双发飞机以测试台配置首次飞行,推动 ZEROAVIA 朝着实现 2025 年仅使用氢燃料电池动力的商业飞行的目标前进。

2020年12月16日,ZEROAVIA在A轮融资中筹集了 2140 万美元,由比尔·盖茨支持的电力投资基金?Breakthrough Energy Ventures?和环境可持续发展风险投资公司Ecosystem Integrity Fund 领投。ZEROAVIA于2021年3 月31 日宣布,在第二轮A轮融资中筹集了2430 万美元,用于开发2兆瓦氢电动力系统的项目。同年12 月 13 日宣布,企业在B轮融资中筹集了3500万美元。2023 年9月,ZEROAVIA 宣布了新一轮融资,空客作为主要投资者。空中客车公司还将与ZEROAVIA合作,研究认证方法和技术,如加油操作和燃料电池测试。

航空产业网团队与ZEROAVIA负责供应链的团队有良好的联系,ZEROAVIA也在积极开发在华供应链,欢迎联系我们。

环球氢能
环球氢能(Universal Hydrogen)是一家专注于航空氢能领域的美国公司。2022年12月在其位于法国图卢兹的工程中心公布了其模块化氢气输送系统的首次运行测试。2023年3月2日,一架在一侧改装了氢燃料电池动力系统(包括Plug Power的燃料电池和MAGNIX的电机)的Dash 8飞机,进行了首次飞行。

巴西航空工业公司
2021年11月8日,巴西航空工业公司宣布了一组概念飞机系列,旨在帮助航空业实现2050年实现净零碳排放的目标。该公司与国际工程大学联盟、航空研究机构和中小型企业合作,以更好地理解能源收集、储存、热管理及其在可持续飞机推进中的应用。

Energia包括四种不同大小的概念飞机,采用了不同的推进技术——电动-Energia Electric (E9-FE)、氢燃料电池-Energia H2 Fuel Cell (E19-H2FC) 、双燃料燃气轮机-Energia H2 Gas Turbine (E50-H2GT) 和混合电动-Energia Hybrid (E9-HE)。

2023年 6月,巴西航空工业和GKN(吉凯恩)宣布就尖端氢技术开发项目达成合作协议。该合作伙伴关系旨在加速氢技术在航空领域的实施。

GKN公司
H2GEAR项目于2020年启动,由GKN领导(AERO100连载 | GKN公司),是一个英国开创性项目。该项目旨在为新一代可持续飞机开发可扩展的氢电推进技术。

2023年GKN公司、马歇尔航空航天公司和派克航空航天公司进行合作,旨在探索下一代零排放飞机的液氢燃料系统解决方案。以上企业联合开发液氢燃料系统,该系统将能够支持氢电和氢燃料应用。

拟议的液氢燃料系统合作将受益于H2GEAR 计划,该计划将于2025年对可扩展的氢电燃料电池推进系统进行地面测试。

川崎重工业株式会社
2021年11月5日,川崎重工宣布,其氢动力飞机核心技术开发项目被选为“下一代飞机开发项目”,接受新能源和产业技术综合开发组织 ( NEDO)绿色创新基金。

基于日本的良好氢能技术基础,川崎重工的项目围绕三个研究领域:氢能飞机发动机燃烧器和系统技术开发、液化氢燃料储罐开发以及氢飞机结构概念研究。川崎重工计划用10年时间开发核心技术,并将其整合到一个集成系统中,之后该公司将于2030年进行用于验证目的的地面测试。

2022年4月,空中客车公司和川崎重工签署了一份谅解备忘录 (MoU),共同致力于氢燃料生态系统的准备工作。范围将包括氢气供应链的不同方面,包括氢气的生产、将氢气输送到机场以及加注在飞机上。

罗尔斯-罗伊斯
2022年6月,罗·罗公司通过收购德国电解堆专业公司Hoeller Electrolyzer GmbH 54%的股份,进入了绿色氢生产市场。Hoeller Electrolyzer开发聚合物电解质膜(PEM)堆,用于生产氢燃料,品牌名为Prometheus。

2022年11月,罗·罗公司和易捷航空证实,他们已经创造了航空史上的新里程碑,世界上首次对现代航空发动机进行了氢燃料试车。这次地面测试是在英国国防部的Boscombe Down户外试验设施进行的,使用了一台经过改造的AE 2100-A区域飞机发动机。测试用的绿色氢燃料由位于苏格兰奥克尼群岛的Eday的欧洲海洋能源中心(EMEC)提供,该中心利用可再生能源生产氢气并测试潮汐能。

2023年12月,罗·罗和易捷航空最新的测试系列,旨在验证航空低温液氢泵系统。这些测试将解决一个关键工程挑战,即如何将低压液氢(冷却至低于-250°C)加压,以便然后将其泵入发动机进行燃烧。

HyPoint
HyPoint公司正在开发新一代氢燃料电池系统。HyPoint已经通过为无人机和机器人制造燃料电池来验证其技术的各个方面。所有HyPoint燃料电池均由专有的催化剂、膜和轻质双极板构成该公司正在与全球eAircraft和eVTOL(空中出租车和货运无人机)制造商建立关系。2021年HyPoint和Piasecki达成650万美元协议,为eVTOL开发氢燃料电池系统。

HyPoint基于LTPEM(低温质子交换膜)和HTPEM(高温质子交换膜)燃料电池,为商用无人机市场开发了自己独特的设计。

中国氢动力飞机发展历程

  • 2017年,中国自主研制的首架有人驾驶氢燃料电池试验机在沈阳试飞成功。飞机飞行高度320米,全程零污染排放。至此,中国成为继美、德之后第三个拥有该技术的国家。

  • 2019年3月10日,中国商飞新能源验证机——“灵雀H”在郑州上街机场试飞成功。飞机飞行平稳,全系统状态良好,符合仿真预期,作为动力源的氢燃料电池动力系统得到充分验证。至此,从2019年1月以来,“灵雀H”新能源验证机开展了4个构型10架次的试飞任务圆满完成,标志着中国商飞未来民机在新能源领域的探索取得实质进展。

  • 2022年3月13日,由航空工业直升机所研制的20千克级变距多旋翼无人机AR20顺利完成换装氢动力试飞试验,验证了氢动力电池应用在变距多旋翼无人机上的可行性。

  • 2023年3月25日,首款四座氢燃料内燃机飞机验证机在沈阳某机场完成首飞,是我国自主研制的第一架以氢内燃机为动力的通航飞机。

  • 2023年9月4日,在2023年服贸会北京首钢展区,中国商飞公司展示了国内新一代氢能源技术验证机——“灵雀M”,其机身部按照加载液态氢原料设计。“灵雀M”原型机拟于下月进行试飞,但实现商用化仍需要较长时间。

全球氢动力飞机挑战与机遇并存

供应链全面调整
氢动力飞机的应用涉及航空供应链各个环节的协同调整,包括氢燃料的制备、运输、加注;以及机场基础设施的配套升级,例如航站楼,存储设施、能源加注车辆等等。这不仅带来新的技术挑战,也会带来巨大的成本压力。但另一方面,各环节的新需求也会带来新的市场机会,企业将有良好的发展前景。

制氢成本和污染问题
氢气的清洁生产仍然是一个有待解决的问题。如今,“灰氢”在市场上占据主导地位,是通过化石燃料(例如天然气)燃烧产生的氢气。这种类型的氢气约占当今全球氢气产量的95%。虽然“蓝氢”是一种更清洁的替代品(如使用碳捕获和储存),但理想的生产方法是使用电解水,从而产生“绿氢”。如今,只有1%的氢气是使用这种无污染系统生产的。

氢燃料比传统燃料更贵,研发投入和基础设施投入的摊销也巨大,这意味着氢能飞机需要面临经济性的挑战和机遇,这也成为产业链企业的主要驱动力之一,为企业带来广阔的发展空间。

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