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中國航空報訊：中國航空工業發展研究中心（以下簡稱“發展中心”）長期跟蹤研究飛行器新能源、新技術等的發展，2019年支撐中國航空研究院編制發布了《電動飛機發展白皮書》。近日，在歐盟框架計劃資助下聯合完成的《2050年前氫動力航空的技術、經濟和氣候影響：一項基于事實的研究》研究報告（簡稱《氫動力航空》報告）發布，為了更好地了解和掌握氫能在航空領域的應用前景和技術路線，發展中心聯合中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心（曾聯合國電投中央研究院開發“靈雀H”氫能源無人機并成功試飛）和太原理工大學航空航天研究院產業政策研究所對該報告進行了編譯研究和解讀。
2020年5月，在歐盟“地平線2020”（H2020）科研與創新框架計劃資助下，麥肯錫公司與“潔凈天空2聯盟”和“燃料電池與氫能2聯盟”合作，發布了《氫動力航空》報告。該報告在調研24家領先企業和相關機構基礎上，給出了氫動力航空的可行性以及對經濟和氣候影響方面的技術挑戰，目的是全面了解氫能應用方面的技術和工業風險，為未來氫能在航空領域應用提供建議。
《氫動力航空》研究是歐盟“潔凈天空”航空減排總體規劃的一部分，研判了基于氫燃料的運輸航空的技術可行性、機型設計路線、經濟性和環境影響。隨著人類航空活動的發展，其對全球氣候變化的影響也日益顯著。世界主要經濟體都紛紛推出了旨在降低和消除碳排放的行動計劃，發展和使用氫能是重要方向之一。歐盟在應對氣候變化和環境保護方面一直走在世界前列，《氫動力航空》研究報告對我國氫動力航空研究具有重要的參考價值。
研究背景脫碳是航空業面臨的一大挑戰。航空業每年排放的二氧化碳超過9億噸。假設每年工業增長3%到4%，燃油效率提高2%，到2050年排放量將增加一倍以上。在同一時期，航空運輸行動小組（ATAG）承諾到2050年將二氧化碳排放量減少50％(與2005年相比)，歐盟（EU）在綠色協議中設定了碳中立的目標。除了二氧化碳，飛機排放的氮氧化物(NOx)、煙塵和水蒸氣，凝結產生尾跡和卷云，也會對氣候產生較大影響，因此，航空業對全球變暖的“全部貢獻”遠遠高于僅僅二氧化碳排放量的影響。
航空脫碳需要新的燃料和推進技術。為了降低對氣候的影響，首先，航空業基于現有技術進行漸進式改進，燃油效率平均每年提高2%，與過去20年相比，當前的改進速度已顯著加快。雖然高鐵等其他交通方式是降低碳排放的一種有效模式，但只能替代通勤、支線等短程飛機，且這種短程飛行的碳排放量不足航空業碳排放總量的5%。其次，航空業必須做出根本性的變革。為了真正實現脫碳，航空業需要新的低碳推進技術和/或新燃料，作為對先進煤油推進系統和其他改進措施的補充，主要包括可持續航空燃料和新的推進技術。可持續航空燃料（SAF）包括生物燃料和合成燃料（synfuel）。新的推進技術包括電池和渦輪發電技術，以及氫渦輪和氫燃料電池電動技術。
氫動力在航空脫碳中起著關鍵作用。針對歐盟委員會制定的2050年目標，《氫動力航空》報告評估了氫能推進技術在航空脫碳方面的最新技術水平和發展潛力。報告指出：在航空脫碳要求下，氫能驅動有潛力成為未來航空動力技術組合的主要部分；作為一項顛覆性創新，該技術的發展需要大量研發、投資和配套監管措施。
部分研究成果對氫能飛機可行性的評估表明，盡管這些飛機需要重大的技術發展和基礎設施的革新，但它們有潛力成為短程和中程飛行的領先推進系統。然而，對于載客量超過250人，飛行距離超過10000千米的遠程飛行而言，液態氫儲罐的額外重量使得氫能成為不切實際的選擇。在維持當前空中交通模式的前提下，除非對遠程飛機進行革命性的先進設計，才能確保氫能是最好的選擇，否則合成燃料似乎是通向脫碳道路的更好選擇。
氫能是通航、中短程飛機的最佳推進燃料，合成燃料則為遠程飛機的最佳推進燃料。從氣候影響、飛機設計、飛機運行、機場基礎設施、燃料供應鏈和成本等幾個方面綜合考慮，評估氫和合成燃料的因素。從經濟角度來看，中短途航班采用氫能推進對減輕氣候影響的效果可能會超過合成燃料。
由于航空業目前只測量二氧化碳排放量，氫能推進和直接空氣捕獲中得到的合成燃料都將確保航空業可以完全脫碳。盡管如此，對于通勤飛機到中程飛機，氫能推進仍然是比合成燃料更經濟的選擇。
氫在航空脫碳中的作用表明，到2050年，其減排潛力可能達到45%~50％。對于“有效脫碳”情景，從通勤飛機到短程飛機等子類以及50%的中程飛機都將被氫能飛機所取代，氫能飛機在首次投入使用后將作為最具成本效益的脫碳手段。按照典型的替換率，到2050年，40%的飛機將改用液氫；剩余飛機將使用合成燃料和/或生物燃料。對于“最大脫碳”情景，所有技術上可由氫動力替代的飛機將在最早投入使用日期進行替換。在這種情況下，按照標準的替換率，到2050年，60%的飛機將改用液氫，而剩下的飛機將使用合成燃料和/或生物燃料。基于上述情景，估算出氫能航空未來潛在的CO2當量減排量。采用不同推進技術進行估計，完全的CO2當量影響,2050年c02當量總排放量約27億噸，“有效脫碳”情景將使排放量預計減少18億噸。該降低幅度比基準方案的預期降低幅度大45％。在基準方案下，僅對飛機進行了有效改進。在“最大脫碳”情景下，CO2當量排放量將減少約30億噸，與傳統飛機僅提高效率的基準情景相比減少了50%。在這兩種情景中，歐盟和航空運輸行動小組的碳減排目標都將實現。
提出的發展建議到2050年，氫能有可能成為推進系統的重要組成部分，并在航空脫碳中發揮關鍵作用。新穎而具有顛覆性的飛機、航空發動機和系統創新與氫技術相結合，有助于將飛行對全球變暖的影響降低50%~90%。此外，這些創新可以幫助實現歐盟綠色協議中制定的大幅減少航空排放的目標。為此，需要更進一步地開展研究、創新和開發活動，以開發潛在技術，將其集成到飛機上，并開發必要的基礎設施。
一是立即啟動氫推進技術研究的必要性。研究發現，氫作為一種主要的推進能源，可以用于燃料電池，在熱（燃氣渦輪）發動機中直接燃燒，也可以作為合成液體燃料的組成部分，并有望在2035年之前為短程飛機提供可行的動力。在短途飛行中，每人多花費不到18歐元，并對氣候的影響降低50％~90％，在未來的飛機和推進技術組合中，氫能將發揮核心作用。
這種顛覆性創新需要大量的飛機研發、燃料電池技術和液氫罐的進一步開發，還需要對機隊和氫基礎設施以及相關法規和認證標準進行投資，以確保安全、可靠和經濟的氫動力飛機能夠飛上天空。行業專家預計，要取得這些重要的進展將需要10~15年的時間，因此研究需要立即開始。該研究估計，如果對研究與創新（R&I）投入足夠的資金，第一架短程氫動力驗證機有望在2028年被研發出來。
氫作為機載能源的技術挑戰和獨特特性使其最適合通勤，支線，短程和中程飛機。在未來幾十年里，長途航空旅行很可能以液態碳氫燃料為基礎；但是這些燃料也越來越需要可持續發展，其生產也將依賴于氫。據《氫動力航空》報告描述，需要采取以下政策行動：制定航空路線圖，指導行業過渡。需要設定明確的目標，統一標準，協調基礎設施建設，克服市場失靈，并鼓勵先行者。大幅增加長期的R&I活動和資金。為技術發展帶來法律和財務的確定性。長期的政策框架應該為該行業制定保障措施，包括如何衡量氣候影響以及如何實施路線圖。歐盟可以首先在其管轄范圍內的通勤、支線和短程航班中實施，而后與國際合作伙伴一起將其擴展到中遠程機型。
總而言之，氫能驅動在降低航空業對氣候的影響和實現脫碳目標方面具有重大的、卻被低估的潛力。為了挖掘這種潛力，我們必須全面開發和部署新技術。加速開發和創新，將航空領域和航空業轉變為一個更加高效和脫碳的未來。
二是研究與創新技術路線圖。R&I活動既為行業路線圖和長期政策框架奠定了基礎，也加速了氫能飛機相關技術研發進度。基于對氫能技術的可行性分析、關鍵的成本驅動因素、不確定性以及引入壁壘，可劃分為四個領域：核心氫能組件的開發、氫能飛機系統的開發（包括新飛機設計）、明確基礎設施壁壘以及建立治理框架。這些領域都要包含認證和標準化工作，提供明確指導，以此推動R&I，并且還需要民航認證機構參與。
關鍵研究活動可分為三個階段：2020年至2028年：發展基礎性技術，促使通勤飛機通過認證，實現支線和短程氫能飛機成功試飛，并制定路線圖和基礎工作體系，從安全到市場激活機制等方方面面提供保障。2028年至2035年：R&I活動應集中于擴大這些組件的規模，將其應用于中程飛機，并使其準備投入使用，同時也為氫能航空的再次發展做好準備，其中包括安全和高效的機場氫加注設施。2035年到2050年：必須為中型和可能的遠航程開發概念機和首批原型機，包括新的革命性飛機設計以及用于大規模燃料供應和氫能快速加注新技術。
