航空业需要一场能源革命
目前，全球航空业的飞机数量每年以大约4%的速度增长，尽管不断提高飞机效率，燃油消耗量每年以约1%的速度减少。根据罗兰贝格的估算，到2050年，航空业的二氧化碳排放量可能占全球总排放量的24%，而当前该比例约为3%。这意味着航空业将成为未来温室气体排放增长最快、占比最高的行业之一。值得注意的是，目前飞机引擎排放除二氧化碳外的其他物质对气候影响更为严重，包括氮氧化物、尾迹和微粒，它们都具有特定的温室效应。
为了解决未来航空业的碳排放问题，中国工业和信息化部、科学技术部、财政部以及中国民用航空局等四个主管部门最近联合发布了《绿色航空制造业发展纲要(2023—2035年)》，提出到2025年，使用可持续航空燃料的国产民用飞机实现示范应用，电动通航飞机投入商业应用，电动垂直起降航空器(eVTOL)实现试点运行，氢能源飞机关键技术完成可行性验证，绿色航空基础设施不断夯实。
图1.《绿色航空制造业发展纲要(2023—2035年)》发布
因此，航空业迫切需要进行能源革命，以取而代之的清洁能源成为未来航空业的主要燃料，这是当前亟待解决的重大问题。
氢燃料电池成为航空领域可行可扩展的零排放能源技术选择
氢燃料的优势
首先，氢在燃料电池发电中的独特之处在于其排放唯一的副产品是水，不会产生任何其他有害气体。其次，氢具有非常高的质量能量密度，达到33kWh/kg，借助先进技术，燃料储罐在相同体积下能够储存更多能源。第三，与锂电池相比，氢具备更快的燃料加注速度。
氢在航空领域的主要用途
几十年来，氢一直在航空航天和汽车工业中安全地应用。根据空客的观点，氢在航空领域有两个主要应用方向：
(1)直接用作燃料：氢可以直接作为燃料使用，通过改进的燃气涡轮发动机进行燃烧，也可以通过燃料电池将其转化为电能，从而为燃气涡轮提供额外能源。这两种方法的结合构建了一个高效的、完全基于氢驱动的混合电力推进系统。
(2)用于合成燃料：氢还可用于合成燃料，这些燃料可以完全由可再生能源产生。
各项技术的横向对比
目前，主要替代传统航空燃料的技术包括电池、氢燃气涡轮机以及燃料电池。具体来说：
(1)电池：锂电池是最常见的电池类型。尽管电池发电不会产生任何温室气体排放，但在长途飞行中所需的能量总量相当巨大，因此导致电池组的重量过重，需要频繁更换，并且其充电时间较长，不太适用于航空业。
(2)氢燃气涡轮机：这一技术可能导致非碳排放的气候影响，甚至可能比使用化石燃料更为严重。
(3)燃料电池技术：这是目前最适合用于航空业能源转型的技术之一。使用氢作为燃料，通过燃料电池发电，CO2和NOx排放均为零，水蒸气和凝迹的影响也可以得到合理控制。
图2.各项零排放能源技术对比
氢应用于航空领域的挑战
飞机结构更改
燃料电池系统与传统的燃气轮机系统存在显著差异。在采用燃料电池作为飞机动力系统时，几乎所有飞机部件都需要经过全新设计。其中，最主要的变化之一涉及燃料输送和存储。目前使用氢燃料电池的飞机通常需要大量的氢气储存容器，这会导致机身燃料存储空间的增加，进而增加机身的尺寸。
此外，燃料电池输出电能，因此其动力系统需要进行全面的重新设计，涉及分布式电力推进系统、高压/高功率电力系统等方面。这将带来氢动力飞机的管道和机翼结构设计的全新要求，与传统飞机设计存在明显的区别。
储氢
目前，存在三种主要储氢方案，分别为气态、液态和固态储氢。气态储氢是目前较为普遍采用的方法，但其储氢瓶的储氢容量相对较小。相对而言，液态储氢提供更高的体积能量密度，因此被视为更具潜力的储氢方式。然而，固态储氢目前还处于概念阶段。
尽管液态储氢在储能方面具备潜力，但其最大限制因素在于温度。氢气的沸点极低，为-253℃，这意味着需要耗费大量能量来维持氢气的低温状态，这一能量消耗占总储能量的约45%。此外，液态储氢系统还需要配备冷却系统、隔离系统等辅助部件。因此，无论采用气态储氢还是液态储氢方案，都需要克服相应的挑战。
为解决这些问题，首先需要研发更轻量化的储氢容器，其次需要设计更为先进的冷却系统，以减少能量消耗，从而提高储氢效率。
基础设施建设
仅凭技术发展无法完全推动航空领域的能源转型。氢基础设施的建设必须与技术进步同步进行，其中两个关键方面是机场燃料输送和机场加氢设施。氢气输送可以借助现有的天然气网络或采用大型货车进行运输。与一般的氢气加氢站相比，机场的加氢设施需满足特殊要求，这也是一个值得关注的挑战。
成本
不考虑储氢成本的情况下，绿氢的平均生产成本为0.14美元/千瓦时($0.14/kWh)，而灰氢的平均生产成本为0.05美元/千瓦时($0.05/kWh)。与灰氢相比，灰氢的生产成本接近煤油，而绿氢的成本约为煤油的三倍。为实现能源替代，绿氢的成本必须下降到竞争水平。
绿氢的生产和利用牵涉到多个能量转换步骤。首先，清洁能源如太阳能和风能被用于发电。接下来，多余的电能通过电解过程转化为氢气。随后，氢气需要经过压缩或液化处理，并使用储氢容器进行运输。最后，氢气被使用燃料电池或燃气轮机转化为电能或其他形式的能量。能量经历越多的转换步骤，损耗也越大，因而成本也就越高。
目前专注于航空领域氢应用的主要公司
H2FLY
H2FLY公司成立于2015年，由Josef Kallo及其团队创立。2016年，H2FLY成功完成了首次飞行测试，其研发的HY4飞机进行了为期四天的32次飞行测试，验证了H2FLY的燃料电池动力系统的可扩展性，同时展示了其快速加氢能力。
2021年，H2FLY被Joby Aviation收购，同时也得到了德国和欧洲政府的研究资助。公司宣布将与Deutsche Aircraft合作，计划在2025年之前共同开发氢燃料电池驱动的Dornier 328试验机。2022年，HY4创造了7000英尺的飞行高度纪录，并成功实现了世界上首次的越野飞行，展示了这一技术在当今空域和地面操作中的潜力。
2023年，H2FLY宣布在斯图加特机场建设氢航空中心，该中心将设有氢基础设施并直接连接到机场停机坪。值得一提的是，H2FLY与合作伙伴Air Liquide是首家成功使用液态低温氢气作为燃料的公司，解决了商用氢动力飞机在起飞前的最后一项技术挑战。
图3.H2FLY研制中的氢燃料电池飞机
ZeroAvia
ZeroAvia成立于2018年，于2019年推出了全球首架能实现零排放的六座机型。随后，该公司在2020年获得了价值4000万美元的A轮融资，用于研发10-20座零排放飞机。同时，ZeroAvia还与英国航空公司(British Airways)签署了合作伙伴协议。进入2021年，ZeroAvia进行了19座机型的地面测试，并发布了50座以上飞机的研发计划。
与此同时，ZeroAvia与亚马逊(Amazon)和英国航空公司合作，成功获得了3700万美元的投资，用于研发50座机型。2021年第四季度，ZeroAvia获得了500个燃料电池系统订单以及5000万美元的投资。2022年，ZeroAvia成功推出了全球首个机场氢气输送管道，并与壳牌(Shell)以及ZEV站(ZEV station)签订了氢气合作协议。
此外，ZeroAvia还与MONTE达成了100个动力系统订单。同年，公司完成了价值3500万美元的B轮融资，同时收购了燃料电池创新公司Hypoint。美国航空公司(American Airlines)向ZeroAvia下了预订单并进行了投资。2023年，伯明翰机场(Birmingham Airport)与ZeroAvia签署了合作伙伴协议。与此同时，ZeroAvia成功进行了全球最大的氢燃料电池飞机(19座的Dornier 228)试飞。
图4.ZeroAvia研制中的氢燃料电池飞机
Airbus
Airbus于2003年开始研发氢动力飞机，是全球飞机制造业中最早着手研发和设计氢动力飞机的公司之一。公司的愿景是在2035年之前将世界上首架商用氢动力飞机推向市场，其中ZEROe项目成为该计划的核心。
目前，Airbus共提出了几种采用氢燃料的ZEROe飞机概念。首种概念涉及氢直接燃烧，其中氢燃料通过改进的燃料喷射器和燃料系统驱动燃气涡轮机，与传统飞机的动力系统方式相似。第二种概念则是采用氢燃料电池产生电能，为驱动螺旋桨或风扇的电动机提供动力。这是一种全电力推进系统，与目前在现役飞机上使用的推进系统有着显著的区别。
图5.Airbus零排放飞机概念
