雖然氫燃料的制備缰嘴、儲(chǔ)運(yùn)和加注在一些行業(yè)并不鮮見溉箕，但對(duì)航空運(yùn)營(yíng)商而言拒炎，引入液氫燃料是一個(gè)獨(dú)特的裹纳、前所未有的過(guò)程择葡。有必要進(jìn)一步明確航空用氫燃料的需求和保障供給，完善液氫燃料儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)韧獠慨a(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)剃氧，論證機(jī)場(chǎng)固定加氫設(shè)施建設(shè)的可行性敏储，為可能到來(lái)的氫能航空商業(yè)運(yùn)營(yíng)做好準(zhǔn)備。

技術(shù)的進(jìn)步正推動(dòng)氫能航空器從概念走向現(xiàn)實(shí)朋鞍，并有可能徹底改變?nèi)蚝娇諛I(yè)的未來(lái)已添。在保持航空市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)效率和滿足新的監(jiān)管要求的前提下引進(jìn)氫能航空器，以氫燃料制備滥酥、運(yùn)輸鹰觅、儲(chǔ)存和加注為代表的各個(gè)產(chǎn)業(yè)配套支持環(huán)節(jié)必不可少。當(dāng)前棍丽，與氫燃料在交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施還十分匱乏田蝠，指望氫能航空器像電動(dòng)航空器那樣直接借鑒轉(zhuǎn)化汽車行業(yè)的先期成果并不現(xiàn)實(shí)，傳統(tǒng)的航空運(yùn)營(yíng)商甚至完全沒有處理氫燃料的經(jīng)驗(yàn)與基礎(chǔ)慈翔，相應(yīng)的氫能航空產(chǎn)業(yè)配套也會(huì)有更多的工作需要提前準(zhǔn)備與布局权塑。氫能航空商業(yè)運(yùn)營(yíng)的主要環(huán)節(jié)構(gòu)想如圖1所示。

圖1   氫能航空商業(yè)運(yùn)營(yíng)的主要環(huán)節(jié)構(gòu)想（來(lái)源：美國(guó)國(guó)家科學(xué)院）

氫燃料制備

從全生命周期碳排放的角度看因镊，利用可再生能源電解水獲得的氫燃料（綠氫）是未來(lái)氫能航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理想燃料托茅。除了推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步、提升系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率并優(yōu)化催化劑原材料外晋劫，降低電解槽設(shè)備和可再生電力成本將是氫燃料制備發(fā)展的重點(diǎn)层焚，特別是在電力成本占據(jù)綠氫生產(chǎn)總成本三分之二的情況下，充足且廉價(jià)的可再生電力供應(yīng)將是大規(guī)模綠氫制備的核心前提條件钙幼。而立足航空產(chǎn)業(yè)自身雳唧，考慮到從電能到氫能的轉(zhuǎn)化損失，以及面向支線和干線的長(zhǎng)距離仿村、大載荷運(yùn)輸任務(wù)锐朴，伴隨氫能航空市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的整體電力需求，甚至可能超過(guò)單純的電動(dòng)航空器蔼囊。

英國(guó)航空航天技術(shù)研究院（ATI）主導(dǎo)的FlyZero項(xiàng)目曾估計(jì)焚志，在氫動(dòng)力飛行發(fā)展較為樂觀的假設(shè)下，到2050年需要7000萬(wàn)t氫燃料來(lái)滿足全球航空運(yùn)輸需求畏鼓，接近2021年全球全部電解氫產(chǎn)能的8倍酱酬，相應(yīng)的制備綠氫的電量將超過(guò)3800MW壶谒。如果使用海上風(fēng)力發(fā)電可能需要配置大約17.5萬(wàn)km2的風(fēng)電場(chǎng)，相當(dāng)于北海海域面積的30%膳沽。顯然汗菜，僅為航空業(yè)提供氫燃料就需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和清潔能源生產(chǎn)投資，考慮到氫燃料自身的理化特性帶來(lái)的獨(dú)特儲(chǔ)運(yùn)要求挑社，氫燃料供給可能會(huì)形成類似于傳統(tǒng)能源行業(yè)與化工行業(yè)那樣集中生產(chǎn)的格局陨界，并呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

氫燃料儲(chǔ)運(yùn)

儲(chǔ)能密度的巨大優(yōu)勢(shì)意味著液氫將是氫能航空最為可行的供能選項(xiàng)痛阻。氫燃料的液化過(guò)程耗能巨大菌瘪，與氫燃料制備類似，同樣需要充足且廉價(jià)的電力作為支持音拢，伴隨航空業(yè)對(duì)大規(guī)模液氫的特殊需求而來(lái)的是專門的材料技術(shù)開發(fā)和電力系統(tǒng)投資莱芥。而氫燃料最終如何輸送到機(jī)場(chǎng)主要取決于機(jī)場(chǎng)大小、位置以及燃料需求的情況丈蛇，隨著氫能航空器機(jī)隊(duì)數(shù)量的擴(kuò)張娩证，一些機(jī)場(chǎng)可能會(huì)在不同的儲(chǔ)運(yùn)模式選擇之間過(guò)渡，如圖2所示泌盒。

圖2   幾種不同的氫燃料儲(chǔ)運(yùn)概念方案（來(lái)源：ATI）

將液氫通過(guò)公路槽罐車運(yùn)送到機(jī)場(chǎng)是最簡(jiǎn)單最直觀的方式潦寂，航空運(yùn)營(yíng)商額外的成本負(fù)擔(dān)較小，在氫能航空運(yùn)營(yíng)最初的階段可能會(huì)是大部分市場(chǎng)的首選筛密，此時(shí)儲(chǔ)氫罐必須具備高度隔熱能力以防止溫度上升到使液氫汽化的程度捡路，對(duì)相關(guān)容器材料有較為苛刻的要求。儲(chǔ)氫罐的任何明顯膨脹和收縮都可能導(dǎo)致材料開裂鸭乱，還需要建立一個(gè)合理的燃料運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)悍蔫，減少對(duì)單個(gè)儲(chǔ)氫設(shè)施頻繁重復(fù)使用。顯然橱奶，一旦需求過(guò)大盯桦，這種移動(dòng)輸送方案的供應(yīng)能力就顯得捉襟見肘了。

管道輸送是長(zhǎng)距離大規(guī)模輸送氫燃料最高效的方法渤刃。除了專門建設(shè)新的氫氣輸送管道外也可利用現(xiàn)有輸送天然氣的管線設(shè)施拥峦，甚至在不同的壓力下實(shí)現(xiàn)氫氣和天然氣的混合輸送，這么操作的前提條件是天然氣輸送管道的金屬材料已被聚乙烯（PE）材料替換卖子，從而防止氫脆導(dǎo)致的泄漏略号。考慮到管道運(yùn)輸?shù)臍淙剂鲜菤鈶B(tài)的洋闽，需要在機(jī)場(chǎng)液化設(shè)施中液化后再轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)罐中供飛機(jī)使用玄柠，機(jī)場(chǎng)的空調(diào)系統(tǒng)和地面支持設(shè)備則可直接將氫氣作為替代能源。

理論上航空運(yùn)營(yíng)商還可在機(jī)場(chǎng)附近實(shí)現(xiàn)液氫制備和運(yùn)輸?shù)囊惑w化诫舅，但顯然這可能只會(huì)在一些資源稟賦極為突出的地方實(shí)現(xiàn)羽利。也許在機(jī)場(chǎng)附近可以因地制宜建設(shè)小型發(fā)電廠宫患，但從安全性的角度評(píng)估想要建設(shè)制氫廠則困難得多，就像現(xiàn)在也沒有哪個(gè)機(jī)場(chǎng)會(huì)配套建設(shè)煉油廠一樣这弧。對(duì)于絕大多數(shù)機(jī)場(chǎng)來(lái)說(shuō)娃闲，一旦公路槽罐車運(yùn)力瓶頸出現(xiàn)，氫燃料的管道供應(yīng)將是更為現(xiàn)實(shí)更為普遍的選擇匾浪，而自產(chǎn)自用氫燃料只會(huì)在極少數(shù)機(jī)場(chǎng)顯示出綜合優(yōu)勢(shì)珠校。

氫燃料加注

在氫能航空市場(chǎng)發(fā)展的初期，移動(dòng)加氫車可能會(huì)是所有機(jī)場(chǎng)燃料加注的首選方式栓授。當(dāng)氫能航空器機(jī)隊(duì)規(guī)模擴(kuò)大到一定程度后，機(jī)場(chǎng)需要考慮建設(shè)固定加氫設(shè)施谐绽，這一時(shí)間點(diǎn)可能會(huì)在2040年之后死发。而由于儲(chǔ)運(yùn)和加氫系統(tǒng)的投資花費(fèi)和復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過(guò)電動(dòng)航空器配套的快速充電設(shè)備，一些小型機(jī)場(chǎng)可能會(huì)一直選擇加氫車作為氫能航空器的供能方案绑僵。用充滿氫燃料的儲(chǔ)罐直接替換航空器上空儲(chǔ)罐的換氫模式似乎也是一種可能谴眶，不過(guò)這將給本就面臨很多問(wèn)題的氫能航空器設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的困難，并帶來(lái)了新的標(biāo)準(zhǔn)化和適航挑戰(zhàn)池致。通常情況下的氫能航空器燃料罐加注流程如圖3所示宰蘸。

圖3   液氫加注示意圖（來(lái)源：國(guó)際垂直飛行協(xié)會(huì)）

固定加氫設(shè)施需要使用低溫管道將液氫從儲(chǔ)存位置直接輸送到航空器上“福考慮到航空器位于距離液氫儲(chǔ)罐1km甚至更遠(yuǎn)的位置捂臣，肯定會(huì)有多架飛機(jī)同時(shí)加注燃料的情況出現(xiàn)。如果繼續(xù)沿用傳統(tǒng)航空燃料那種單一主干路和多個(gè)支路的管網(wǎng)布局邓星，整個(gè)加注系統(tǒng)的壓力差就會(huì)很難控制堡掏。潛在的設(shè)計(jì)方案就是在管路和加注終端之間加裝中繼罐旦坷，罐體的尺寸與航空器燃料箱尺寸一致乐跺。不過(guò)若將中繼罐建設(shè)在地下，不但施工成本很高吴趴，在到達(dá)使用壽命后也難以更換揩慕，采用中繼罐也會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)施提出很高的要求亭畜，除非重新設(shè)計(jì)建造專供氫能航空器使用的航站樓。

表1給出了不同氫能航空器對(duì)應(yīng)的燃料需求與加注時(shí)間迎卤。由于液氫的密度比傳統(tǒng)航空燃料低拴鸵，使用相同直徑和流量的軟管加氫比加油需要更長(zhǎng)的時(shí)間，導(dǎo)致航班周轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)止吐，從而使航空器在全生命周期內(nèi)的綜合利用率降低5%～10%宝踪。為此，在航空器設(shè)計(jì)時(shí)就要將支持更多數(shù)量碍扔、更大直徑加注端口的問(wèn)題納入考量瘩燥★踔兀考慮到連接或斷開加注端口時(shí)操作安全半徑比常規(guī)機(jī)隊(duì)大，這會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)的空間產(chǎn)生一定的影響露揽，同時(shí)改裝后的加注軟管可能過(guò)于沉重专运、操作時(shí)可能不夠靈活方便，也對(duì)地面服務(wù)提出了更高要求屏部。

表1   不同氫能航空器的燃料需求與加注時(shí)間（ 來(lái)源：國(guó)際垂直飛行協(xié)會(huì) ）

氫能航空經(jīng)濟(jì)性

氫能航空的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性主要從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本兩方面考量壮畏。其中，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本主要與氫燃料的儲(chǔ)運(yùn)和加注相關(guān)藐捉，除了氫液化和槽罐運(yùn)輸技術(shù)得益于外部氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而較為成熟外铭歪，與航空產(chǎn)業(yè)自身密切相關(guān)的長(zhǎng)距離管道輸氫、機(jī)場(chǎng)加氫固定管網(wǎng)氛玛、中繼罐儲(chǔ)氫系統(tǒng)和終端計(jì)量控制設(shè)備等技術(shù)成熟度普遍在3以下搀薛，很多概念方案還在構(gòu)想階段，這也意味著不同研究機(jī)構(gòu)對(duì)未來(lái)氫能航空基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用估算存在很大差異蹂勺，ATI估算的機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施改造成本如表2所示稻填。考慮到機(jī)場(chǎng)興建氫能航空基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)面對(duì)的復(fù)雜性携帘、不確定性和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)恰壁，有理由認(rèn)為實(shí)際成本支出會(huì)在預(yù)期最大值的基礎(chǔ)上進(jìn)一步上浮，這一點(diǎn)在氫燃料輸送管網(wǎng)建設(shè)上可能更加突出旨椒。

表2  氫燃料不同儲(chǔ)運(yùn)和加注方式對(duì)應(yīng)的機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施改造費(fèi)用預(yù)估（ 來(lái)源：ATI ）

為了降低建設(shè)成本晓褪，有必要將機(jī)場(chǎng)氫燃料配置與整個(gè)地區(qū)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展統(tǒng)籌考慮，例如機(jī)場(chǎng)儲(chǔ)氫能力一般根據(jù)氫能航空器機(jī)隊(duì)最大規(guī)模確定钩乍，在航班執(zhí)飛的非高峰時(shí)段過(guò)剩的氫燃料可以在機(jī)場(chǎng)的其他地方使用辞州，或者出售給第三方以增加航空運(yùn)營(yíng)商的收益，附近地區(qū)的汽車加氫站寥粹、發(fā)電廠和工業(yè)企業(yè)都可能成為受眾变过。換言之，雖然機(jī)場(chǎng)用氫具有很強(qiáng)的特異性涝涤，但其不應(yīng)被視作氫能產(chǎn)業(yè)終端的孤島媚狰，而應(yīng)當(dāng)成為一個(gè)具有強(qiáng)大輻射效能的樞紐節(jié)點(diǎn)，在滿足航空運(yùn)輸需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)氫燃料的分配調(diào)度阔拳，也只有這樣才能放大其基礎(chǔ)設(shè)施投資潛力崭孤。

氫能航空運(yùn)營(yíng)首先要分析購(gòu)買氫燃料的費(fèi)用。根據(jù)麥肯錫公司的研究結(jié)論糊肠，到2050年液氫燃料每噸價(jià)格約為1800歐元辨宠，不過(guò)由于氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的巨大投資，航空公司很可能附加所謂的機(jī)場(chǎng)建設(shè)費(fèi)并最終分?jǐn)偟搅嗣课宦每停凑?0%的費(fèi)率計(jì)算則此時(shí)的氫燃料成本為每噸2200歐元湾蝙，近似為傳統(tǒng)航空燃料的2倍宝猩。雖然液氫較傳統(tǒng)航空燃料有2.79倍的能量密度優(yōu)勢(shì)，但考慮儲(chǔ)罐的質(zhì)量后惰绘，前者綜合質(zhì)量效率僅相當(dāng)于后者的61.2%孙远，若認(rèn)為兩種燃料在航空器上的利用效率相同，氫燃料使用成本比傳統(tǒng)航空燃料高14%蟀蛆。

另一個(gè)影響運(yùn)營(yíng)成本的因素就是氫能航空器自身的產(chǎn)品特性友熟。有分析認(rèn)為，儲(chǔ)氫罐和燃料配送系統(tǒng)以及更大的機(jī)體可能會(huì)使得氫能航空器較737或A320的維護(hù)費(fèi)用增加47%男沛。即便燃料加注時(shí)間與現(xiàn)有機(jī)隊(duì)持平栓占，氫能航空器略低的巡航速度可能會(huì)使得飛行時(shí)間延長(zhǎng)、飛行循環(huán)減少滞泣，同時(shí)更少的載客量也意味著運(yùn)營(yíng)效率的降低紊尺。綜合各種因素，氫能航空器的飛行生產(chǎn)率大概會(huì)出現(xiàn)18%的損失领姨，加上上調(diào)的航空器銷售與保障支出后這一部分的合計(jì)費(fèi)用較常規(guī)飛機(jī)上升了26%。再與燃料成本合并加權(quán)张弛，氫能航空的運(yùn)營(yíng)成本要高出21%左右荒典。

如果說(shuō)電動(dòng)飛行的經(jīng)濟(jì)性在使用初期存在一定爭(zhēng)議、運(yùn)營(yíng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)潛力展示尚不夠充分的話吞鸭，那么氫能航空的經(jīng)濟(jì)性可能更是一個(gè)長(zhǎng)期困擾航空界的系統(tǒng)性問(wèn)題寺董，特別是在2035—2040年面向干線運(yùn)輸?shù)臍淠芎娇掌鲃傞_始進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，航空公司所承擔(dān)的額外成本可能遠(yuǎn)不止21%這么簡(jiǎn)單刻剥。例如遮咖，新機(jī)采購(gòu)費(fèi)用有可能是常規(guī)飛機(jī)的2倍甚至更多，在這種情況下想要說(shuō)服運(yùn)營(yíng)商啟動(dòng)氫能航空產(chǎn)業(yè)配套工作需要強(qiáng)大的外部助推力造虏。

結(jié)束語(yǔ)

同為完全零排放的飛行方案御吞，也許氫能航空器的市場(chǎng)應(yīng)用前景比電動(dòng)航空器更廣，能夠執(zhí)行各種支線和干線飛行任務(wù)漓藕，但因產(chǎn)業(yè)配套所衍生的一系列問(wèn)題卻也更加充滿挑戰(zhàn)陶珠。從氫燃料的制備角度看，在遠(yuǎn)離機(jī)場(chǎng)享钞、有資源優(yōu)勢(shì)的地方集中生產(chǎn)氫燃料可能會(huì)成為主流揍诽，盡管電解水制氫的技術(shù)已較為成熟，但要達(dá)到未來(lái)航空產(chǎn)業(yè)預(yù)期的成本與供應(yīng)能力并不容易泄楷。從氫燃料的儲(chǔ)運(yùn)角度看竖枚，當(dāng)前的氫能產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以氫氣為主，而氫能航空對(duì)大量液氫的特殊需求可能游離于一般意義的氫能經(jīng)濟(jì)體系之外，這必將伴隨額外的技術(shù)開發(fā)和設(shè)備投資路棍。從氫燃料的加注角度看持乌，為氫能航空配套的機(jī)場(chǎng)固定低溫加注系統(tǒng)方案有待進(jìn)一步論證，而保持現(xiàn)有機(jī)隊(duì)的周轉(zhuǎn)時(shí)間對(duì)于實(shí)現(xiàn)氫能航空器的高效商業(yè)化運(yùn)營(yíng)至關(guān)重要祖匕。

根據(jù)目前公布的氫能航空器概念的產(chǎn)品特性蒜座，不存在將其集成到現(xiàn)有空中交通管理系統(tǒng)的根本性障礙，當(dāng)然這一結(jié)論的根本前提是要有龐大完備的基礎(chǔ)設(shè)施體系進(jìn)行支撐汪怒，并同步制訂安全高效且符合成本效益的航班計(jì)劃叽渡，確保氫能航空器和機(jī)場(chǎng)空間利用率最大化。更新機(jī)場(chǎng)安全和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)章杭厘、打造成功商業(yè)案例形成試點(diǎn)效應(yīng)并增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)收益等也將是氫能航空產(chǎn)業(yè)關(guān)注的內(nèi)容酣殊，這一點(diǎn)與電動(dòng)航空器產(chǎn)業(yè)配套并無(wú)本質(zhì)差異。

（王翔宇 劉向雷 等 航空動(dòng)力 期刊）

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