欧洲坚定推进的氢燃料飞机，究竟能减少多少碳排放？

2月22日，空中客车公司与CFM公司签署合作协议。根据这份协议，双方将于2025年左右共同启动一项氢动力演示项目。

该项目旨在对氢燃料发动机进行地面和飞行测试，为零排放飞机在2035年以前投入使用做好准备。该演示项目将使用一架A380（MSN1）测试机作为飞行测试平台，该机将配备由空客研发的液氢罐，并在巡航阶段对氢燃料发动机进行测试。空客还将负责制定对氢推进系统的要求，监督飞行测试。

对CFM公司来说，氢燃料相关的工作则是RISE计划的重要部分。

RISE计划启动于2021年6月，旨在开发一套用于未来的超高效动力装置技术，包括开式转子发动机等。CFM希望确保作为未来飞机动力系统的RISE系统不仅能使用可持续航空燃料（SAF），也能够使用氢燃料。

零碳天空之前的准备工作

按照空客公开的计划，这架使用氢能源的A380将在2026年开始试飞。如果能够如期实现，这将意味着欧洲航空制造商距离其理想的零碳天空迈出了实质性的一大步。但在试飞之前，还有巨量的改装工作需要紧锣密鼓地展开。

燃料分配系统

根据目前公开的信息，这架作为氢燃料发动机测试平台的A380，机身内将安装4个液氢罐。这些液氢罐将携带共400千克液氢，并可以将氢燃料输送到发动机的燃料分配系统。

低温的氢燃料分配系统需要新研发的燃料泵、管道、密封件和材料，还需要新型热交换器，将液氢转化为气态氢。这种新型热交换器将比传统的飞机热交换器具有更高的温差和压力。

因为氢气的燃烧速度比喷气燃料快10倍，因此还需要新技术来控制火焰并稳定燃烧，而在高空对氢燃料发动机进行点火也将是A380飞行测试的一个关键目标。

氢燃料发动机

这架A380上的氢燃料发动机将由GE Passport发动机改装而来。为了使用氢燃料，该发动机机的燃烧室、燃料系统和控制系统将被改造，然后被安装在A380的后机身段上，方便使用设备对发动机的排放（包括尾迹）进行监测。

由于氢燃料比碳氢燃料的温度更高，因此改进后的GE Passport发动机需要使用新的材料和涂层，燃烧室涡轮的冷却也需要重新设计。

重点监测数据

为了搜集相关数据，这架A380的飞机驾驶舱中还将安装额外的推力控制系统和用于监控性能的专用显示器，以管理氢燃料发动机的推力。

机上还将安装使工程师能够在飞行期间收集数据的仪器，相关数据可通过遥测设备传输到地面。主要的收集和监测对象是氢燃料发动机排出的氮氧化物和水蒸气。

因为氢燃料的温度更高，而更高的温度会产生更多的氮氧化物，因此试飞的重点之一是研究如何最大限度地减少氮氧化物。

此外，由于氢燃料产生的水蒸气是传统碳氢燃料的三倍，因此飞行中将收集相关数据，以便后续分析不同大气条件对凝结尾迹形成的影响。

氢燃料应用的多种方式

对全球航空巨头们来说，在航空业中应用氢能早已不是“if（假设）”或者“when（何时）”这样“做不做”的问题了，而是“where（何处）”和“how（如何）”这样“怎么做”的问题。

对于民航产业来说，大规模推广氢能应用已经是板上钉钉的未来。但这一未来，会以何种方式到来？哪些细分领域能从中获得最大收益？哪些领域将成为氢能应用的主要推手？这些问题依旧悬而未决。

在目前的研究中，氢被应用于商业航空领域的方式有许多种：

高压氢气和燃料电池的组合可用于小型、短程的通勤飞机；

液氢和燃料电池的组合可用于涡桨支线客机；

液氢还可直接作为燃料燃烧，用于中远程客机的涡轮发动机。

此外，氢气也可用于合成煤油（也称为“电子煤油”）的生产，作为可持续航空燃料（SAF）供飞机使用。

欧盟“清洁天空2”方案中的19座小型飞机（上图）与165座窄体短途飞机（下图）

但每种使用方式也都有各自的优缺点：

譬如，虽然高压氢气和燃料电池的组合技术已很成熟，但只适用于小型飞机；液氢和燃料电池的组合虽然在原理上与前者类似，但在飞机上装载和使用液氢则需要很多新装置，而且液氢在运输和储存过程中的损失很大，从生产出来到最终进入发动机甚至可能会损失20%至40%的氢气；而作为大飞机液氢燃料动力系统的氢涡轮发动机，研发难度则更高，迫切需要更多的新技术和新产品。

而使用氢气和二氧化碳生产合成煤油则需要大量的可再生能源来生产“绿色”氢气、捕获二氧化碳并转化为碳氢燃料。这意味着需要建设大量的氢基础设施，并研发出有新的氢气处理安全流程。

不过，这种合成煤油虽然生产成本很高（可能比制备液氢还高20%~40%），目前技术成熟度也不高，但通过这种工艺生产的燃料可以用于任何现役飞机，无需对飞机进行改造，也不必重新建立燃料运输和储存系统。

由于合成煤油的这种“两面性”，一些氢能支持者认为采用氢气来生产合成煤油的想法是“疯狂”的：

氢气本身就很绿色，根本没有必要再花费电力和金钱来把它们变成碳氢燃料，然后在使用过程中继续生成二氧化碳。

但是对航空业来说，对现有的飞机架构进行大幅改进非常艰难，由于涉及新材料与技术的研发，以及供应链的大幅变动，点滴改进都意味着耗日持久的推进。相比之下，采用氢来生产合成煤油反而具有一定的合理性。

但航空制造业毕竟是人类工业皇冠上的明珠，具有非凡的行动力和开创性。即便有一定的争议，但随着技术的不断进步，以及推进氢能应用的决心坚定，以上几个方案都已取得了一定的积极成果。

根据欧盟的“清洁天空2”阶段计划，可用于19座级小型飞机的氢电动力系统，最早可能在2024年就能进入市场。

可改装到ATR飞机平台的大功率氢电动力系统，计划在2025年取得认证并开始改装工作。

氢涡轮发动机则可能在2025年前进行一系列技术演示，并于2035年投入使用，届时机场的氢能基础设施也将建立起来。

而用氢和二氧化碳合成可持续燃料的工厂也计划于2022年内在德国正式投产，一些欧洲国家也已经发布了相关计划，希望投资氢能生产。

氢能减排成果到底如何？

但归根到底，应用氢能的飞机能够在多大程度上辅助航空产业做到碳减排？为了获得这样的碳减排，相关成本是怎样的？

为了回答这些问题，独立机构国际清洁交通委员会（ICCT）于2022年1月发布了《发展中的氢动力飞机性能分析》白皮书。

这份白皮书分析了可能在2035年投入使用的氢动力飞机的性能，将其航空排放的潜在影响进行了量化。

其以涡桨支线飞机和中型单通道飞机作为主要的分析平台，因为这两类飞机是最有可能在2035年首先在民航市场上使用液氢燃料的机型。

其中，双发涡桨飞机的类型，为航程1000海里以上、载客少于100名；而双发涡扇飞机的类型，则以航程超过2000海里、载客200名左右为基准。这两种机型其实分别对应着目前民航市场上的ATR72-600和A320系列飞机。

ICCT白皮书中，对比了ATR72飞机与A320neo飞机与同等载客量的氢燃料飞机的参数。

对于上述两种氢燃料飞机，ICCT假设飞机上装有容量1000至5000千克的液氢燃料箱，同时机上相关系统也设定为与2035年的技术体系相匹配。

不过由于液氢系统的重量更大，因此在具体载重和航程方面，氢燃料飞机与传统的ATR72-600和A320系列飞机依然有所不同。例如相对于标准的ATR72，氢燃料涡桨飞机的有效载荷减小了24%；而对于氢燃料涡扇飞机，受液氢燃料箱体积所限，其航程只有2800千米，远小于目前正在运行的标准型空客A320neo飞机，但这一航程依然足以覆盖A320neo最大航程的80%。

白皮书中展示的氢燃料涡扇动力单通道飞机（上图）与氢燃料涡桨飞机（下图）

在燃料方面，ICCT的报告涉及4种燃料：

传统的航空煤油（Jet-A）、合成煤油、“蓝色”和“绿色”氢气以及这两种氢气合成的液氢。

其中“蓝色”氢气来自于天然气中甲烷的制取，也会产生一些二氧化碳；“绿色”氢气则来自可再生能源发电设备。

根据这份白皮书，以2050年为基准来看，从制备成本上，“蓝色”液氢将是最昂贵的燃料，其次是合成煤油，再然后是“绿色”液氢和Jet-A。因此在使用方面，可能需要碳交易等手段来缩小液氢和传统喷气燃料之间的价格差距。

ICCT白皮书对不同地区航空氢能源价格作出的预测

ICCT这份白皮书预计，到2035年，美国的碳税价格需要达到276美元/吨才能保证“绿色”液氢的价格低于Jet-A。之后，随着氢气生产成本的下降，到2050年碳税有可能会降至106美元/吨。

而欧洲的氢气生产成本预计更高，在2050年碳税价要高达277美元/吨才能使“绿色”液氢具有成本竞争力。对于“绿色”液氢来说，燃料价格本身比合成煤油要低，这使得飞机使用液氢燃料的飞行成本将比用合成煤油低15%至20%。但建设氢能基础设施的成本却非常高昂，这可能会逆转其整体价格优势。

不过这份白皮书的数据仅针对了燃料成本本身，其背后基础设施建设的成本并没有被包括在内。

在上述条件下，ICCT经过分析发现，如果在2035年后有20%至40%的飞机更换为液氢动力，将会让航空业的总碳排放量减少6%至12%。其中，白皮书尤其强调了优先发展液氢燃料单通道飞机的重要性——因为单通道飞机运转得更多，可以减少更多的碳排放。此外，在氢动力技术成熟度的背景下，液氢涡桨飞机几乎可以取代目前所有的现役涡桨支线飞机。

白皮书预测的将传统燃料客机更换为氢燃料客机，可达到的年度碳减排目标。

虽然这份白皮书展示了一副客观且乐观的氢燃料飞机发展图景，但经过百余年的发展，航空业当前使用的燃料体系已经相当成熟，要引入新的燃料和动力系统绝非易事。这一过程可能长达十几年甚至几十年，并且牵扯到巨量的技术设施投资，至于何时能获得投资回报、或者回报率高或低，所有的分析都只能作为参考。