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美国NASA推进低温氢燃料客机开发工作;航空业碳减排发展为何要选氢动力飞机?

2023-08-08 来源:氢电邦 浏览数:192

美国宇航局(NASA)与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)签署协议,继续推进零排放概念客机的开发工作,其概念机使用液氢作为

美国宇航局(NASA)与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)签署协议,继续推进零排放概念客机的开发工作,其概念机使用液氢作为燃料和冷却剂,以实现超导性能,提高效率并减轻重量。

该协议将NASA在大学领导力倡议(ULI)下的高效电气技术飞机中心(CHEETA)项目延长了两年(开始第二阶段)。据悉,CHEETA项目第一阶段于2019年启动,原计划今年6月完成,CHEETA也是第一个进入第二阶段的ULI项目。

CHEETA项目开发了一种180座单通道概念客机,计划于2050年投入使用。该机采用零排放推进系统,包括液氢(LH2)燃料电池、超导电缆、电子设备和电动机,液氢储罐配置于机舱上方。

项目团队开发了一种集中式和分布式混合电力架构,峰值功率25mW,其氢燃料电池采用高温质子交换膜,产生的电力通过超导电缆以270V直流电的形式传输,经液氢冷却到20K后输送给一排单个功率2.5兆瓦的超导电动机,为风扇提供动力。

该机翼展40.9米(134.2英尺),较波音737-800客机长15%,长出的部分可折叠以适应机场布局;采用准圆柱形机身,液氢储罐安装在增压座舱外;使用液氢冷却电子设备,冷却效率超过99%;超导电缆的重量是铝导体的1/30,产生的热量是铝导体的1/100;低温冷却电机的系统功率密度50kW/kg,是目前飞机电机装置的10倍。

CHEETA项目第二阶段将开展300kW低温冷却电机、300kW零损耗超导电缆、300升液氢储罐等子部件测试。其中,液氢储罐的重量指数计划达到0.6,意味着该系统中60%的质量是液氢(现有液氢储罐小于30%)。

由于该机采用非常规配置,为了能够有效集成液氢储罐、机身和风扇等众多子系统,CHEETA团队计划先使用气态氢燃料开展缩小比例模型的飞行试验。

为何航空业碳减排发展可选氢动力飞机?

全球范围内,氢动力飞机正越来越受到关注。

今年3月8日,美国通用氢能源公司(Universal Hydrogen)的氢燃料电池验证机成功在美国华盛顿州莫斯湖完成首飞。这次试飞持续了15分钟,飞行高度达到3500英尺。据悉,这次的测试平台基于Dash8-300改装而来,这也是目前世界上最大的氢燃料电池飞机。

当前,气候变化让航空运输在未来几十年内面临着生存危机。

总部位于华盛顿的非营利研究机构世界资源研究所(World Resources Institute)的数据显示,航空业的二氧化碳排放量仅为汽车和卡车的六分之一。然而,飞机的日均乘客数却远低于汽车和卡车。

四大航空公司(美国航空公司、联合航空公司、达美航空公司和西南航空公司)航空燃料使用量在2014年至2019年间增长了15%。然而,尽管更高效、低碳的飞机已经投产,2019年后乘客量均呈下降趋势。

航空公司致力于在本世纪中叶实现碳中和,某些航空公司还投资了可持续燃料,从而让航空业在气候变化中发挥积极作用。

可持续燃料(SAF)是由食用油、动物脂肪、城市垃圾或其他原料制成的生物燃料。该燃料能够与传统燃料混合,为喷气发动机提供动力,且该燃料已在试飞阶段甚至是定期客运航班上投入使用。然而,可持续燃料成本高昂,约为传统航空燃料的三倍。随着越来越多的航空公司购买和使用可持续燃料,价格将进一步上涨。支持者们正在积极推动减税等激励措施,从而促进生产。

相关人士认为,可持续燃料是一种能够实现碳减排的过渡性燃料,直到电动或氢动力飞机等更重大的突破实现。事实上,或许这些技术在二三十年内都无法广泛应用于航空飞机。

有公司正尝试设计并制造电动飞机,但大多都是如直升机般垂直起降的小型飞机,只能容纳少数乘客。若要生产出能够搭载200名乘客的大型电动飞机(相当于中型标准航班),需要更大的电池,保证更长的飞行时间。按此标准,电池重量需要达到航空燃料的约40倍,才能保证充足电量。但若不改革电池技术,电动飞机将无法实现。

氢能源是实现低碳排放的有效工具,在全球能源转型中扮演了不可替代的重要角色。相比其他可再生能源,氢能的显著优势在于可以大规模跨季节存储。其中,绿氢是诸多行业深度脱碳的唯一手段,包括以石化、钢铁、化工为代表的工业领域以及以航空为代表的交通行业等。据国际氢能委员会预测,到2050年氢能源市场规模可达2.5万亿美元。

与传统燃料飞机相比,氢动力飞机主要有两方面的优势:一方面,氢具有良好的燃烧性能,其单位质量能量是传统喷气燃料的3倍,能源利用可以更高效;另一方面,氢能在减排上有明显优势,能大大较少污染气体排放,最终实现绿色飞行。

“氢本身是一种非常轻的燃料”,环保组织国际清洁运输委员会(International Council on Clean Transportation)汽车飞机脱碳研究学者丹·卢瑟福(Dan Rutherford)向美联社表示。“但储存氢需要大体积容器,油箱本身就很重。”

事实上,在航空领域应用氢能更多是要面对“怎么做”的问题,当前氢动力飞机商业化应用还面临诸多挑战:

经济挑战。经济性有待提高。绿氢高昂的生产成本,让其在飞行上高出传统石化燃料的使用成本很多,难以形成大规模商业化应用;

技术挑战。配套设施不足。氢动力飞机需要新的地面设施,氢气的储存、运输、加注等各环节都需要开发与建设;

制度标准挑战。氢动力飞机商业化市场环境还需完善,在氢能市场运行与监管制度上,各国没有统一的标准,这样的情况下,氢能航空发展也会被拖慢。

全球来看,氢动力飞机离商业化运营也还有很长一段距离,目前国内外航空企业对氢能“绿色飞行”的探索都还处在开发验证的示范阶段。业内认为,预计到2035年左右,各种氢动力飞机才能迎来快速发展阶段。

虽然“绿色飞行”还为时尚早,但是氢能航空的发展蓝图已然画下,随着氢能产业的进一步发展,氢动力飞机的发展步伐也将越来越快。

 

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