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美國NASA推進低溫氫燃料客機開發工作;航空業碳減排發展為何要選氫動力飛機?

2023-08-08 來源:氫電邦 瀏覽數:597

美國宇航局(NASA)與伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(UIUC)簽署協議,繼續推進零排放概念客機的開發工作,其概念機使用液氫作為

美國宇航局(NASA)與伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(UIUC)簽署協議,繼續推進零排放概念客機的開發工作,其概念機使用液氫作為燃料和冷卻劑,以實現超導性能,提高效率并減輕重量。

該協議將NASA在大學領導力倡議(ULI)下的高效電氣技術飛機中心(CHEETA)項目延長了兩年(開始第二階段)。據悉,CHEETA項目第一階段于2019年啟動,原計劃今年6月完成,CHEETA也是第一個進入第二階段的ULI項目。

CHEETA項目開發了一種180座單通道概念客機,計劃于2050年投入使用。該機采用零排放推進系統,包括液氫(LH2)燃料電池、超導電纜、電子設備和電動機,液氫儲罐配置于機艙上方。

項目團隊開發了一種集中式和分布式混合電力架構,峰值功率25mW,其氫燃料電池采用高溫質子交換膜,產生的電力通過超導電纜以270V直流電的形式傳輸,經液氫冷卻到20K后輸送給一排單個功率2.5兆瓦的超導電動機,為風扇提供動力。

該機翼展40.9米(134.2英尺),較波音737-800客機長15%,長出的部分可折疊以適應機場布局;采用準圓柱形機身,液氫儲罐安裝在增壓座艙外;使用液氫冷卻電子設備,冷卻效率超過99%;超導電纜的重量是鋁導體的1/30,產生的熱量是鋁導體的1/100;低溫冷卻電機的系統功率密度50kW/kg,是目前飛機電機裝置的10倍。

CHEETA項目第二階段將開展300kW低溫冷卻電機、300kW零損耗超導電纜、300升液氫儲罐等子部件測試。其中,液氫儲罐的重量指數計劃達到0.6,意味著該系統中60%的質量是液氫(現有液氫儲罐小于30%)。

由于該機采用非常規配置,為了能夠有效集成液氫儲罐、機身和風扇等眾多子系統,CHEETA團隊計劃先使用氣態氫燃料開展縮小比例模型的飛行試驗。

為何航空業碳減排發展可選氫動力飛機?

全球范圍內,氫動力飛機正越來越受到關注。

今年3月8日,美國通用氫能源公司(Universal Hydrogen)的氫燃料電池驗證機成功在美國華盛頓州莫斯湖完成首飛。這次試飛持續了15分鐘,飛行高度達到3500英尺。據悉,這次的測試平臺基于Dash8-300改裝而來,這也是目前世界上最大的氫燃料電池飛機。

當前,氣候變化讓航空運輸在未來幾十年內面臨著生存危機。

總部位于華盛頓的非營利研究機構世界資源研究所(World Resources Institute)的數據顯示,航空業的二氧化碳排放量僅為汽車和卡車的六分之一。然而,飛機的日均乘客數卻遠低于汽車和卡車。

四大航空公司(美國航空公司、聯合航空公司、達美航空公司和西南航空公司)航空燃料使用量在2014年至2019年間增長了15%。然而,盡管更高效、低碳的飛機已經投產,2019年后乘客量均呈下降趨勢。

航空公司致力于在本世紀中葉實現碳中和,某些航空公司還投資了可持續燃料,從而讓航空業在氣候變化中發揮積極作用。

可持續燃料(SAF)是由食用油、動物脂肪、城市垃圾或其他原料制成的生物燃料。該燃料能夠與傳統燃料混合,為噴氣發動機提供動力,且該燃料已在試飛階段甚至是定期客運航班上投入使用。然而,可持續燃料成本高昂,約為傳統航空燃料的三倍。隨著越來越多的航空公司購買和使用可持續燃料,價格將進一步上漲。支持者們正在積極推動減稅等激勵措施,從而促進生產。

相關人士認為,可持續燃料是一種能夠實現碳減排的過渡性燃料,直到電動或氫動力飛機等更重大的突破實現。事實上,或許這些技術在二三十年內都無法廣泛應用于航空飛機。

有公司正嘗試設計并制造電動飛機,但大多都是如直升機般垂直起降的小型飛機,只能容納少數乘客。若要生產出能夠搭載200名乘客的大型電動飛機(相當于中型標準航班),需要更大的電池,保證更長的飛行時間。按此標準,電池重量需要達到航空燃料的約40倍,才能保證充足電量。但若不改革電池技術,電動飛機將無法實現。

氫能源是實現低碳排放的有效工具,在全球能源轉型中扮演了不可替代的重要角色。相比其他可再生能源,氫能的顯著優勢在于可以大規??缂竟澊鎯?。其中,綠氫是諸多行業深度脫碳的唯一手段,包括以石化、鋼鐵、化工為代表的工業領域以及以航空為代表的交通行業等。據國際氫能委員會預測,到2050年氫能源市場規??蛇_2.5萬億美元。

與傳統燃料飛機相比,氫動力飛機主要有兩方面的優勢:一方面,氫具有良好的燃燒性能,其單位質量能量是傳統噴氣燃料的3倍,能源利用可以更高效;另一方面,氫能在減排上有明顯優勢,能大大較少污染氣體排放,最終實現綠色飛行。

“氫本身是一種非常輕的燃料”,環保組織國際清潔運輸委員會(International Council on Clean Transportation)汽車飛機脫碳研究學者丹·盧瑟福(Dan Rutherford)向美聯社表示。“但儲存氫需要大體積容器,油箱本身就很重。”

事實上,在航空領域應用氫能更多是要面對“怎么做”的問題,當前氫動力飛機商業化應用還面臨諸多挑戰:

經濟挑戰。經濟性有待提高。綠氫高昂的生產成本,讓其在飛行上高出傳統石化燃料的使用成本很多,難以形成大規模商業化應用;

技術挑戰。配套設施不足。氫動力飛機需要新的地面設施,氫氣的儲存、運輸、加注等各環節都需要開發與建設;

制度標準挑戰。氫動力飛機商業化市場環境還需完善,在氫能市場運行與監管制度上,各國沒有統一的標準,這樣的情況下,氫能航空發展也會被拖慢。

全球來看,氫動力飛機離商業化運營也還有很長一段距離,目前國內外航空企業對氫能“綠色飛行”的探索都還處在開發驗證的示范階段。業內認為,預計到2035年左右,各種氫動力飛機才能迎來快速發展階段。

雖然“綠色飛行”還為時尚早,但是氫能航空的發展藍圖已然畫下,隨著氫能產業的進一步發展,氫動力飛機的發展步伐也將越來越快。

 

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