氫能航空產(chǎn)業(yè)配套分析

雖然氫燃料的制備、儲運和加注在一些行業(yè)并不鮮見，但對航空運營商而言，引入液氫燃料是一個獨特的、前所未有的過程。有必要進一步明確航空用氫燃料的需求和保障供給，完善液氫燃料儲存和運輸?shù)韧獠慨a(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)，論證機場固定加氫設施建設的可行性，為可能到來的氫能航空商業(yè)運營做好準備。技術的進步正推動氫能航空器從概念走向現(xiàn)實，并有可能徹底改變?nèi)蚝娇諛I(yè)的未來。在保持航空市場運營效率和滿足新的監(jiān)管要求的前提下引進氫能航空器，以氫燃料制備、運輸、儲存和加注為代表的各個產(chǎn)業(yè)配套支持環(huán)節(jié)必不可少。當前，與氫燃料在交通運輸領域應用相關的基礎設施還十分匱乏，指望氫能航空器像電動航空器那樣直接借鑒轉化汽車行業(yè)的先期成果并不現(xiàn)實，傳統(tǒng)的航空運營商甚至完全沒有處理氫燃料的經(jīng)驗與基礎，相應的氫能航空產(chǎn)業(yè)配套也會有更多的工作需要提前準備與布局。氫能航空商業(yè)運營的主要環(huán)節(jié)構想如圖1所示。圖1

氫能航空商業(yè)運營的主要環(huán)節(jié)構想（來源：美國國家科學院）氫燃料制備從全生命周期碳排放的角度看，利用可再生能源電解水獲得的氫燃料（綠氫）是未來氫能航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的理想燃料。除了推動技術進步、提升系統(tǒng)轉化效率并優(yōu)化催化劑原材料外，降低電解槽設備和可再生電力成本將是氫燃料制備發(fā)展的重點，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，充足且廉價的可再生電力供應將是大規(guī)模綠氫制備的核心前提條件。而立足航空產(chǎn)業(yè)自身，考慮到從電能到氫能的轉化損失，以及面向支線和干線的長距離、大載荷運輸任務，伴隨氫能航空市場運營的整體電力需求，甚至可能超過單純的電動航空器。英國航空航天技術研究院（ATI）主導的FlyZero項目曾估計，在氫動力飛行發(fā)展較為樂觀的假設下，到2050年需要7000萬t氫燃料來滿足全球航空運輸需求，接近2021年全球全部電解氫產(chǎn)能的8倍，相應的制備綠氫的電量將超過3800MW。如果使用海上風力發(fā)電可能需要配置大約17.5萬km2的風電場，相當于北海海域面積的30%。顯然，僅為航空業(yè)提供氫燃料就需要大量的基礎設施建設和清潔能源生產(chǎn)投資，考慮到氫燃料自身的理化特性帶來的獨特儲運要求，氫燃料供給可能會形成類似于傳統(tǒng)能源行業(yè)與化工行業(yè)那樣集中生產(chǎn)的格局，并呈現(xiàn)出較強的規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢。氫燃料儲運

儲能密度的巨大優(yōu)勢意味著液氫將是氫能航空最為可行的供能選項。氫燃料的液化過程耗能巨大，與氫燃料制備類似，同樣需要充足且廉價的電力作為支持，伴隨航空業(yè)對大規(guī)模液氫的特殊需求而來的是專門的材料技術開發(fā)和電力系統(tǒng)投資。而氫燃料最終如何輸送到機場主要取決于機場大小、位置以及燃料需求的情況，隨著氫能航空器機隊數(shù)量的擴張，一些機場可能會在不同的儲運模式選擇之間過渡，如圖2所示。圖2

幾種不同的氫燃料儲運概念方案（來源：ATI）將液氫通過公路槽罐車運送到機場是最簡單最直觀的方式，航空運營商額外的成本負擔較小，在氫能航空運營最初的階段可能會是大部分市場的首選，此時儲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，對相關容器材料有較為苛刻的要求。儲氫罐的任何明顯膨脹和收縮都可能導致材料開裂，還需要建立一個合理的燃料運輸調度系統(tǒng)，減少對單個儲氫設施頻繁重復使用。顯然，一旦需求過大，這種移動輸送方案的供應能力就顯得捉襟見肘了。管道輸送是長距離大規(guī)模輸送氫燃料最高效的方法。除了專門建設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施，甚至在不同的壓力下實現(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，從而防止氫脆導致的泄漏。考慮到管道運輸?shù)臍淙剂鲜菤鈶B(tài)的，需要在機場液化設施中液化后再轉移到儲罐中供飛機使用，機場的空調系統(tǒng)和地面支持設備則可直接將氫氣作為替代能源。理論上航空運營商還可在機場附近實現(xiàn)液氫制備和運輸?shù)囊惑w化，但顯然這可能只會在一些資源稟賦極為突出的地方實現(xiàn)。也許在機場附近可以因地制宜建設小型發(fā)電廠，但從安全性的角度評估想要建設制氫廠則困難得多，就像現(xiàn)在也沒有哪個機場會配套建設煉油廠一樣。對于絕大多數(shù)機場來說，一旦公路槽罐車運力瓶頸出現(xiàn)，氫燃料的管道供應將是更為現(xiàn)實更為普遍的選擇，而自產(chǎn)自用氫燃料只會在極少數(shù)機場顯示出綜合優(yōu)勢。氫燃料加注

在氫能航空市場發(fā)展的初期，移動加氫車可能會是所有機場燃料加注的首選方式。當氫能航空器機隊規(guī)模擴大到一定程度后，機場需要考慮建設固定加氫設施，這一時間點可能會在2040年之后。而由于儲運和加氫系統(tǒng)的投資花費和復雜程度遠超過電動航空器配套的快速充電設備，一些小型機場可能會一直選擇加氫車作為氫能航空器的供能方案。用充滿氫燃料的儲罐直接替換航空器上空儲罐的換氫模式似乎也是一種可能，不過這將給本就面臨很多問題的氫能航空器設計帶來更大的困難，并帶來了新的標準化和適航挑戰(zhàn)。通常情況下的氫能航空器燃料罐加注流程如圖3所示。圖3

液氫加注示意圖（來源：國際垂直飛行協(xié)會）固定加氫設施需要使用低溫管道將液氫從儲存位置直接輸送到航空器上?？紤]到航空器位于距離液氫儲罐1km甚至更遠的位置，肯定會有多架飛機同時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支路的管網(wǎng)布局，整個加注系統(tǒng)的壓力差就會很難控制。潛在的設計方案就是在管路和加注終端之間加裝中繼罐，罐體的尺寸與航空器燃料箱尺寸一致。不過若將中繼罐建設在地下，不但施工成本很高，在到達使用壽命后也難以更換，采用中繼罐也會對機場設施提出很高的要求，除非重新設計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應的燃料需求與加注時間。由于液氫的密度比傳統(tǒng)航空燃料低，使用相同直徑和流量的軟管加氫比加油需要更長的時間，導致航班周轉時間延長，從而使航空器在全生命周期內(nèi)的綜合利用率降低5%～10%。為此，在航空器設計時就要將支持更多數(shù)量、更大直徑加注端口的問題納入考量?？紤]到連接或斷開加注端口時操作安全半徑比常規(guī)機隊大，這會對機場的空間產(chǎn)生一定的影響，同時改裝后的加注軟管可能過于沉重、操作時可能不夠靈活方便，也對地面服務提出了更高要求。表1

不同氫能航空器的燃料需求與加注時間（來源：國際垂直飛行協(xié)會）氫能航空經(jīng)濟性

氫能航空的市場經(jīng)濟性主要從基礎設施建設成本和運營成本兩方面考量。其中，基礎設施建設成本主要與氫燃料的儲運和加注相關，除了氫液化和槽罐運輸技術得益于外部氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而較為成熟外，與航空產(chǎn)業(yè)自身密切相關的長距離管道輸氫、機場加氫固定管網(wǎng)、中繼罐儲氫系統(tǒng)和終端計量控制設備等技術成熟度普遍在3以下，很多概念方案還在構想階段，這也意味著不同研究機構對未來氫能航空基礎設施的建設費用估算存在很大差異，ATI估算的機場基礎設施改造成本如表2所示。考慮到機場興建氫能航空基礎設施時面對的復雜性、不確定性和經(jīng)濟風險，有理由認為實際成本支出會在預期最大值的基礎上進一步上浮，這一點在氫燃料輸送管網(wǎng)建設上可能更加突出。表2

氫燃料不同儲運和加注方式對應的機場基礎設施改造費用預估（來源：ATI）為了降低建設成本，有必要將機場氫燃料配置與整個地區(qū)的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展統(tǒng)籌考慮，例如機場儲氫能力一般根據(jù)氫能航空器機隊最大規(guī)模確定，在航班執(zhí)飛的非高峰時段過剩的氫燃料可以在機場的其他地方使用，或者出售給第三方以增加航空運營商的收益，附近地區(qū)的汽車加氫站、發(fā)電廠和工業(yè)企業(yè)都可能成為受眾。換言之，雖然機場用氫具有很強的特異性，但其不應被視作氫能產(chǎn)業(yè)終端的孤島，而應當成為一個具有強大輻射效能的樞紐節(jié)點，在滿足航空運輸需求的基礎上實現(xiàn)氫燃料的分配調度，也只有這樣才能放大其基礎設施投資潛力。氫能航空運營首先要分析購買氫燃料的費用。根據(jù)麥肯錫公司的研究結論，到2050年液氫燃料每噸價格約為1800歐元，不過由于氫能基礎設施建設的巨大投資，航空公司很可能附加所謂的機場建設費并最終分攤到了每位旅客，按照20%的費率計算則此時的氫燃料成本為每噸2200歐元，近似為傳統(tǒng)航空燃料的2倍。雖然液氫較傳統(tǒng)航空燃料有2.79倍的能量密度優(yōu)勢，但考慮儲罐的質量后，前者綜合質量效率僅相當于后者的61.2%，若認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%。另一個影響運營成本的因素就是氫能航空器自身的產(chǎn)品特性。有分析認為，儲氫罐和燃料配送系統(tǒng)以及更大的機體可能會使得氫能航空器較737或A320的維護費用增加47%。即便燃料加注時間與現(xiàn)有機隊持平，氫能航空器略低的巡航速度可能會使得飛行時間延長、飛行循環(huán)減少，同時更少的載客量也意味著運營效率的降低。綜合各種因素，氫能航空器的飛行生產(chǎn)率大概會出現(xiàn)18%的損失，加上上調的航空器銷售與保障支出后這一部分的合計費用較常規(guī)飛機上升了26%。再與燃料成本合并加權，氫能航空的運營成本要高出21%左右。如果說電動飛行的經(jīng)濟性在使用初期存在一定爭議、運營的價格優(yōu)勢潛力展示尚不夠充分的話，那么氫能航空的經(jīng)濟性可能更是一個長期困擾航空界的系統(tǒng)性問題，特別是在2035—2040年面向干線運輸?shù)臍淠芎娇掌鲃傞_始進入市場時，航空公司所承擔的額外成本可能遠不止21%這么簡單。例如，新機采購費用有可能是常規(guī)飛機的2倍甚至更多，在這種情況下想要說服運營商啟動氫能航空產(chǎn)業(yè)配套工作需要強大的外部助推力。結束語

同為完全零排放的飛行方案，也許氫能航空器的市場應用前景比電動航空器更廣，能夠執(zhí)行各種支線和干線飛行任務，但因產(chǎn)業(yè)配套所衍生的一系列問題卻也更加充滿挑戰(zhàn)。從氫燃料的制備角度看，在遠離機場、有資源優(yōu)勢的地方集中生產(chǎn)氫燃料可能會成為主流，盡管電解水制氫的技術已較為成熟，但要達到未來航空產(chǎn)業(yè)預期的成本與供應能力并不容易。從氫燃料的儲運角度看，當前的氫能產(chǎn)業(yè)化應用以氫氣為主，而氫能航空對大量液氫的特殊需求可能游離于一般意義的氫能經(jīng)濟體系之外，這必將伴隨額外的技術開發(fā)和設備投資。從氫燃料的加注角度看，為氫能航空配套的機場固定低溫加注系統(tǒng)方案有待進一步論證，而保持現(xiàn)有機隊的周