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通向碳中和的航空新能源动力发展路径分析

国际金属加工网 2022年07月18日

当前基于传统石化燃料的航空动力,燃油效率平均每年提高不足2%,未来采用新能源的航空动力可显著降低航空业的碳排放。

航空运输业的碳排放主要源于航空煤油的燃烧,约占其总排放量的79%。而与20世纪50年代投入使用的早期喷气发动机相比,目前的燃油效率已提升了80%以上,在此基础上继续提升效率的技术难度极大,采用低碳排放的新能源航空动力可助力航空运输业奔向零碳。航空运输业在2050年前实现净零碳排放的新能源动力主要有3个发展方向:可持续航空燃料(SAF)、氢燃料和电推进。需要说明的是,在未来的航空动力产品中,这3种新能源动力可能会以要素组合的形式出现,如混合电推进航空发动机同时采用了可持续航空燃料或者氢燃料。

航空碳中和

航空新能源动力的主要方向

可持续航空燃料

国际民航组织(ICAO)在国际航空碳抵消和减排(CORSIA)计划中,定义可持续航空燃料为“满足可持续性标准的来自生物质或废弃物的航空燃料”。作为新型航空燃料,可持续航空燃料需要满足适航审定的要求,美国对新燃料的性能验证主要按照美国材料与试验协会(ASTM)的ASTM D4054标准进行(分为全流程审批和快速审批,全流程审批所需时间一般为3年以上,快速审批所需时间为1年左右),ASTM D7566标准对通过审批的技术途径进行说明,中国民航局前期已发布《含合成烃的喷气燃料》(CTSO-2C701),对可持续航空燃料的性能验证,也主要借鉴ASTM D4054的方式进行。

SAF仍属于航油,适用于绝大部分现役飞机和发动机,无须对发动机做出结构设计上的改变,只需替换油品即可且可与航空煤油混合使用。当前制约SAF大范围使用的主要挑战是成本和产能问题,目前SAF成本为航空煤油的2.5~8倍,产量仅占全球商用航空燃料的0.1%。航空油料占航空公司营业成本的30%左右,加氢脂和脂肪酸(HEFA)因其可以较早实现较低的生产成本,将是SAF早期主要的生产方式,当前阶段HEFA的成本为1400~1500美元/t。

氢燃料

氢的能量密度约为120MJ/kg,大约是传统航空煤油的3倍,但由于液氢的密度仅为煤油的1/11,储存同等能量的燃料箱体积约为常规飞机油箱的4倍。航空氢动力主要有两种基本技术路径:氢燃料电池,利用氢化学能发电,电机驱动风扇/螺旋桨/旋翼产生动力;氢燃料发动机,用氢燃料替代发动机现用的航空煤油,还可以进一步与电池(锂电池、氢燃料电池等)组成混合动力。除航空发动机外,氢燃料也可用于其他类型的内燃机。

氢燃料电池飞机及氢涡轮飞机概念

氢燃料电池动力和氢燃料涡轮发动机两种技术路径都在积极推进。美国20世纪60年代即开展了氢燃料电池研究并应用于阿波罗飞船,近些年各国的氢燃料电池飞机研发更是风生水起;美国和苏联在20世纪50年代就开始了氢燃料涡轮发动机相关研究,近些年各国的研发活动加强,重点是在发动机更换氢燃料和采用氢燃料进气预冷等方面。

氢是一种极难储存的物质,且其分子穿透力极强,很容易发生泄漏且对金属还有一定的腐蚀性,对氢储罐与运输管道(特别是接缝位置)的材料提出了很高的要求,同时氢易燃易爆,自燃浓度范围非常宽(4%~75%)。航空氢燃料电池还面临低成本、长寿命、高环境适应性、高功重比、大功率等挑战。氢动力飞机的机体结构、动力系统以及燃料储存方式均与传统的航空燃料飞机存在显著差异,未来的氢动力飞机需通过更高的适航标准后才能投入实际运营。

电推进

电推进是以电动机带动螺旋桨/风扇/旋翼等推进器产生动力的推进方式,包括纯电推进和混合电推进。以能量来源区分,仅采用电能作为能源时为纯电推进,同时采用燃气轮机和电能作为能量来源时为混合电推进。在纯电推进系统中,电池是飞机的独特动力来源,电池给电机供电以驱动风扇/螺旋桨/旋翼转动,通过电动机将电能转换成机械能。混合电推进系统主要包含5种构型,根据构型不同还包括燃气涡轮发动机、电池、发电机、转换器、电动机等部件,同时还需要控制系统进行能量的分配与管理。

纯电推进系统构型

混合电推进系统构型

当前纯电推进系统主要用于10座以下的小型飞行器,已有产品进入市场,混合电推进系统还处于技术攻关阶段,未来的大范围应用还需要攻克高能量密度电池、高效高功率密度电机、高效高功率密度转换器、高功率小尺寸的燃气涡轮核心机、飞发一体化和热管理等关键技术。

航空新能源动力的减碳潜力对比分析

能量密度对比

从能量密度角度对3种航空新能源途径的对比分析,详见表1。由表可以看出:可持续航空燃料与当前的航空煤油相当;氢燃料的质量能量密度是航空煤油的3倍,但体积能量密度为航空煤油的1/4且氢燃料的储罐更大,未来的飞机设计需要提升液氢的体积储量;当前电池的能量密度仅为航空煤油的1/40,且电能使用后电池的质量并不会减轻,其技术发展水平直接决定了纯电动和混合电动飞机的未来。

表1   新能源的能量密度比较

气候影响及技术创新对比

从气候影响及技术创新的角度,对上述3种航空新能源途径的对比分析,详见表2。由表中可以看出,与传统的航空煤油相比:可持续航空燃料在全生命周期内可减少80%的二氧化碳排放,减少30%~60%的温室气体(包括二氧化碳、氮氧化物、水蒸气等)排放,且无须对飞机、发动机做出结构设计上的改变,只需替换油品即可,因此在更换使用上具有一定的便捷性,根据实际操作,SAF在能源效能、驾驶、操控性等方面均不逊色于传统的航空煤油;氢燃料完全消除了二氧化碳排放,氢燃料发动机可减少50%~75%的温室气体(水蒸气和氮氧化物)排放,氢燃料电池可减少75%~90%的温室气体(水蒸气)排放,飞机和发动机需要进行结构设计上的改变,机场基础设施方面需要液氢燃料的运输、储存和加注等设备;纯电推进没有温室气体排放,混合电推进系统可减少20%~70%的二氧化碳排放,减少10%~50%的温室气体排放,飞机和发动机需要进行结构设计上的改变,机场基础设施方面需要快充或换电系统。

表2   新能源的气候影响及技术创新对比

表3   新能源动力投入使用的时间及适用飞机对比

新能源动力投入使用的时间及适用飞机对比

综合考虑当前的技术成熟度、能量密度及未来技术发展,新能源动力投入使用的时间及适用飞机对比见表3:SAF目前已投入使用,且未来适用于所有飞机;受到能量密度的限制,纯电推进系统仅适用于通勤飞机;氢燃料电池动力适用于通勤、支线飞机,※早可于2030年进入市场;氢燃料发动机、混合电推进系统将竞争支线、近程和中程飞机市场,可能于2035年左右进入市场(混合电推进系统可能早于氢燃料发动机进入市场);由于氢动力和电推进系统的能量密度限制,2050年前远程飞机可能依赖于SAF。

结束语

面对我国的2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的“双碳”目标,采用低碳排放的新型能源,包括SAF、氢燃料和电推进,可显著减少燃油燃烧产生的碳排放,助力未来航空业的低碳发展和国家“双碳”目标的实现。

( 韩玉琪 王则皓 等 航空动力 期刊)

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