歐盟提出氫動力航空研發路線圖建議
作者:官方
來源:先進能源科技戰略情報研究中心
所屬欄目:國際新聞
發布時間:2021-01-13 22:46
[ 導讀 ]近期，歐盟氫能與燃料電池聯合行動計劃（FCH）發布《氫動力航空：到2050年氫技術、經濟和氣候影響》報告，評估了氫能在促進航...
近期，歐盟氫能與燃料電池聯合行動計劃（FCH）發布《氫動力航空：到2050年氫技術、經濟和氣候影響》報告，評估了氫能在促進航空脫碳方面的潛力，提出了氫動力航空的研發路線圖建議。報告指出，氫能可在未來經濟低碳的航空動力中發揮核心作用，但需盡快加強研發和創新以實現這一潛力。為此，報告提出了到2050年的研究創新路線圖及各階段研發重點，以助力歐洲實現氣候中性航空。主要內容如下：
氫動力航空有潛力成為未來航空技術組合的主要部分，主要體現在：①氫動力航空可顯著減少對氣候的影響，使用氫作為燃料可減少航空部門50%-75%的氣候影響，使用燃料電池作為動力可減少75%-90%；②氫動力飛機是最適合通勤、區域、短程和中程的飛機，其所避免的碳排放所花費的成本遠低于對合成燃料飛機進行碳捕集的成本；③如果將氫動力飛機部署在脫碳成本較高的領域，到2050年氫動力飛機將占所有飛機的40%，航空業的氫需求將增至4000萬噸/年。 報告建議應分三個階段進行氫動力航空技術研究和創新，包括： 第一階段（2020-2028年）：發展技術基礎，使氫動力通勤飛機通過認證，試點區域和短距離氫動力飛機，并為從安全到市場激活機制等各方面法規制定路線圖和基礎工作體系。 第二階段（2028-2035年）：重點進行擴大組件規模的研發活動，將其應用到中程飛機，并為其投運做好準備，同時也為氫動力航空的第二波發展做好準備，包括安全和高效的機場加氫設施。第三階段（2035-2050年）：開發中遠程氫能飛機的概念和首批原型機，包括新型變革型飛機設計及大規模燃料供應和快速加氫的新技術。基于當前技術的可行性分析、關鍵成本驅動因素、不確定性和應用障礙，對氫動力航空的研究創新重點關注四個領域：氫動力推進關鍵組件開發；氫動力飛機的系統開發；解決基礎設施障礙；建立監管框架。各階段研究創新重點如下：（1）輕型安全的液氫儲罐。重點關注如下研發：①將儲氫罐集成到機身中，測試新型或非圓柱形或球型儲氫罐，以及輕型安全儲氫罐的先進材料；②確定液氫儲罐的安全標準和認證流程及要求，包括對地面處理的特定蒸發要求；③開發冷卻設備的可靠組件，如低溫泵、閥門、管道等，以及狀態監測功能的傳感器。 （2）機載液氫分配組件和系統。重點關注如下研發：①輕型安全的液氫燃料組件，例如帶有低溫冷卻器的雙重絕緣燃料管、壓縮機和熱交換器；②可靠且優化的液氫系統布局，具有高度耐用的組件、泄漏和通風管理以及優化的汽化器。 （3）大功率、長壽命燃料電池系統，包括冷卻概念。重點關注如下研發：①通過模塊化、更高工作溫度和輕型熱交換器以擴大系統規模；②通過優化運行方式和使用輕質材料開發具有更長壽命（超過25000小時）的可靠組件；③研究飛行中水處理以最大程度減少氣候影響。 （4）高效、低氮排放的氫渦輪機。重點關注如下研發：①開發針對氫氣燃燒特性設計的燃燒室，其具有超低溫壓縮機并對燃料流入進行優化；②開發專有液氫控制系統，可調節燃料流量，并采用稀薄噴射技術減少NOx排放；③開發高溫渦輪機冷卻系統，通過使用冷氫氣流進一步提高效率。 2、氫動力飛機系統：高效、可靠的系統架構和原型開發 （1）通勤機原型。將開發H2推進組件及安全可靠的系統集成，并在實際飛行條件下進行測試，可能采用氣態氫作為燃料以加快開發和早期測試速度。 （2）區域、短程飛機原型。將使用現有機型（如Bae 146、ATR 72、空客A320）進行飛機常規組件的開發和測試，然后集成至新的優化機身中。完成示范后，將對氫動力飛機進行全面評估（包括經濟因素，如效率、部件壽命等），以確保獲得認證并減輕新飛機設計風險。還需驗證原型飛機液氫組件應用于更大規模飛機的可擴展性，開發混合動力推進機構，并驗證效率改進及其經濟性。 （3）中程飛機原型。開發液氫動力飛機原型，示范高功率氫渦輪機以及將超大型液氫罐集成于客艙前后部分的可行性。 （4）下一代變革型飛機。重點關注如下研發：①變革型飛機設計，針對特定性能要求、氫動力推進的約束條件和加壓客艙的集成進行量身定制和優化；②原型和飛行測試，以驗證模擬的空氣動力學和推進效率的改進以及飛機的可控性；③為變革型新概念的大規模生產做好供應鏈準備。 （1）高效加氫系統。重點關注如下研發：①加氫管路設計，允許最大流量同時具備較低重量和最佳可操作性（尤其是當流量超過1000升/分鐘）；②新型更高效的管路連接系統，可確保與非常規儲氫罐兼容，并通過自動閉合的快速接頭確保可靠、安全的連接；③使用自主式、機械驅動的軟管和/或外骨骼進行自動化實驗，以用于未來流量遠高于1000升/分鐘的管路；④優化飛機加氫設置和處理標準，尤其應考慮使用額外軟管可能會加長加注時間。 （2）安全措施和并行操作。重點關注如下研發：①檢查潛在的安全問題，包括加注期間的泄漏等；②泄漏管理及應對措施，可在往返期間并行運行；③安全標準和法規，包括新的法規框架，以確保液氫的安全處理和加注；④液氫加注設備周圍的無火區和安全緩沖區，以評估是否可以在往返期間并行運行。 （3）機場和飛機加氫設施。重點關注如下研發：①優化加氫車概念，包括優化管路連接系統、開發新的安全標準等；②模塊化設置，包括地面運營和基礎設施的最佳組織，以實現加氫系統的并行運行。 （4）大規模液化及液氫處理。重點關注如下研發：①通過改進設計、大規模制造和優化采購，提高液化效率冰降低資本支出；②通過建立氣氫管網或改造舊天然氣管網，以及開發現場液化設施，優化液氫供應；③評估及擴展最優的運氫解決方案（包括液氫、氨、液體有機氫載體<LOHC>），以優化氫的運輸。 （5）液氫栓式加注基礎設施。重點關注如下研發：①從運營和成本角度，對液氫栓式加注設施進行性能評估，確定其相比液氫加注車的優勢；②低溫冷卻系統設計和集成，確保對現有運行的影響最小。 （1）氣候影響監測。探究氫動力推進方式及其燃料對氣候的影響。①通過開發新模型、進行模擬和飛行試驗以評估合成燃料及氫燃料對氣候的影響，如驗證合成燃料及氫燃料在渦輪機中燃燒的NOx排放變化，并與常規渦輪機進行比較；②開發燃料電池模型以模擬評估其對凝結尾跡和卷云形成的影響；③針對不同尺寸和飛行高度的飛機評估上述影響；④研究氣候影響相關的其他主題，如燃料及相關技術的上游排放的生命周期分析，以及緩解氣候影響的措施（如改變飛行路線和高度以減少凝結尾跡）。 （2）部署路線圖和市場激勵機制。開發氫動力航空路線圖，明確短、中、長期目標，以促進對創新和部署的投資，為此應進行：①技術評估和比較，包括安全和認證要求，基礎架構和部署方案的規劃，以及對合適的支持機制和市場激活政策的研究；②對路線圖進行定期更新和調整以確保部署；③隨著技術成熟，需要從長期政策轉向中期政策，如提供研發資助、氣候友好型飛機補貼、通過政府和社會資本合作（PPP）支持基礎設施開發和部署等；④制定公平、長期的監管框架。
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