义乌氢能~欧洲氢能如何飞起来？航空业基础设施竟是这样建设！

由于氢能的使用涉及整个航空运输业产业链，因此欧美多家企业、科研机构和民航监管部门都展开了氢能基础设施的研究，在全产业链的角度进行探索。

氢能作为新兴的清洁能源，正在悄然进入欧洲航空业，多家公司都启动了相关项目，从氢能的生产、存储和应用到飞机设计、技术整合和机场运营和的全产业链研究。尽管目前还没有成熟的产品推出，但是氢能的发展势头良好，航空业也正在迎来一次重要的技术转型。

空客的氢能机场运营复杂

2020年，空客公司公布了其氢能飞机将在2035年入役的计划，之后整个欧洲航空业和一些美国初创公司都在迅速跟进。随着飞机制造商开始参与到供应链之中，巴黎的机场运营商开始选择合作伙伴进行基础设施装备的测试，欧洲航空安全局（EASA）也正在收集这方面的相关信息。

但是，氢能的利用还面临一些技术挑战。例如为了达到适合的能量密度，就必须使用液态氢，而氢在-252℃以下才能液化，因此在液氢在储存方面面临巨大挑战。另外，航空业作为全球产业，氢能全球可用性就是关键问题，特别是如何以环保的方式制备氢气。例如，氢燃料是在全球范围内提供供给，还是只能在某些地区提供等问题。

对此，空客首席执行官纪尧姆·傅里（Guillaume Faury）认为，虽然在航天业中其运营环境是高度可控的，因此液氢的应用不是问题；但是航空业不同，必须保证每分钟都有飞机能够起飞，运营环境更加复杂。与氢类似，当前的常规燃料也会燃烧和爆炸，但航空业已学会了如何在商业航空运输的框架内处理这样的风险。当然，虽然目前很多问题还没有解决，但是氢动力仍然是支线或中短途飞机未来发展的重要方向。而且，诸如A320系列或更大级别的飞机也不会一下子就被取代，留给技术发展的时间还很充裕。

针对氢能飞机研发，空客计划在2020～2024年进入为期5年的技术成熟期，在2025～2027年寻找资本和供应商并建立生产系统，在2027～2028年启动飞机建造计划，目标是在2035年投入使用。傅里认为，氢能能够塑造供应链，空客正在与合作伙伴讨论，解决诸如投资意愿、可用技术、参与氢能项目时间表等重大问题。在这些问题当中，速度至关重要，在功能测试、失效测试、安全分析、地面操作试验之后，还需要进行大量的验证，以满足航空航天业的周期要求和高标准的认证要求，因此整个行业系统都必须参与进来。

阿丽亚娜集团计划在2023年对小型氢推进系统进行地面测试。阿丽亚娜集团和其股东空客和赛峰已开始研究该系统，包括飞机上的液氢分配系统等，项目名为Hyperion，部分资金来自法国政府对航空业的援助计划。

与此同时，空客已将液氢罐的研发任务交给了新建的零排放发展中心，计划在2025年进行飞行试验，一架A380将充当飞行试验台。据空客公司预计，商用飞机近期应用的液氢罐将是金属结构，未来可能使用复合材料来制造。

巴黎机场成为引领者

欧洲航空安全局（EASA）清楚地认识到，目前行业尚未掌握氢能的相关情况。但是，通过培训、吸取航天部门的经验，可以加快氢动力技术的发展。

对此，EASA成立了一个科学委员会，用来加强学术合作，并建议开始认证分析工作，预计全球范围的行业规则制定则需要4～5年的时间。

在飞机技术之外，EASA也关注氢能的运输链等问题，例如在加注燃料的时候，氢燃料的风险与目前Jet-A1燃料显著不同，因此必须对地面氢燃料运输网络进行认证，加注时间可能也需要监管，加注时必须与机场运营商进行沟通。任何想向氢能应用的转型都需要在机场战略层面进行早期规划，而为提高经济效益，机场需要向氢燃料枢纽转型，以生产和使用尽可能多的氢燃料。

为了验证这一概念，巴黎机场运营商Groupe ADP领导11家公司组成一个财团进行了一项综合研究，命名为H2枢纽机场项目，包括研究以氢作为航空燃料使用的一些实地测试。未来，该组织还将扩大研究范围，以涵盖机场所需的调整，并计划在2023年开始测试一些概念。在Groupe ADP之外，空客、法航荷航和法兰西岛地区也参与了项目，项目得到经济发展组织“Choose Paris Region”的支持。

目前，该财团选出了11个项目，这些项目是从此前收到的124份意向征集中选出来的，主要涉及3个领域：氢能的生产、储存、运输和分配；氢能应用的多样化；氢能和其他副产品的回收。

法国Absolut系统公司专门从事低温系统的开发，特别是用于科研、卫星和超导的系统。该公司已经开始与空客合作，为商用飞机设计新的超导系统。公司的研发经验也可用于机场环境，例如液氢应用中的一个挑战是其气化倾向强烈，而Absolut正在研究两种方法来解决这个问题：对气态氢进行再利用和氢气的再液化。

液氢在储罐中储存时，有一部分会气化，因此Absolut公司正在研究如何回收低温的气体氢。目前的进度是已经用多种气体进行了测试，处于4级成熟度（TRL 4）的水平，未来还需要使用氢气进行更多测试，而在达到TRL 6之后，该技术才能进行产品开发。

Absolut公司在TRL 4阶段的第2项测试可能会用于改善为飞机加注燃料的过程，其工程师正在设计一种移动液化系统，用来重新液化气体，从而充分利用加氢设备中的液氢。根据这一概念，加注液氢燃料过程中将有部分操作在闭环中进行。

该氢气回收系统使用的技术已经大规模应用于工业设施以及卫星上的设备中，Absolut公司的研发创新点在于该系统的尺寸适合在机场中应用。

Sakowin和Ways2H公司的制氢方案

2017年，法国绿色能源供应商Sakowin表示已经拥有了一种生产氢气的绿色解决方案。如果对氢气制取采用集中生产的方式，就必须对氢气进行运输和储存，那么氢能与石油能源相比就没有竞争力。天然气的储量预计还能维持数百年，是目前制取氢气最有效的来源。

天然气主要由甲烷（CH4）构成，虽然燃烧甲烷的能效也很高，但会释放二氧化碳，而Sakowin公司的技术可以在不产生CO2的情况下从甲烷中提取氢气。Sakowin公司采用低能等离子体技术，工艺过程与从石油制品中生产“灰色”氢的重整过程相近，产生出的碳则可以用于电池电极和轮胎。

制氢的紧凑型反应装置设置在一个独立的隔间内，通过2个或多个隔间的组合使系统模块化，由于反应装置可以安装在靠近使用氢能的地方，因此这种模块化的生产模式可实现分布式生产。其中一个反应装置的功率需求约80千瓦，每天可以产生1吨的氢气，而且无需运输和储存环节。Sakowin公司已经建成了一个在实验室环境下运行的原型设备，当前达到了TRL4的水平，有望在2025年上市量产型设备。

美国Ways2H公司成立于2019年，也为当地的氢气生产研发了一套系统。该公司使用的原料主要是各种有机废物，采用的热化学转化工艺。日本蓝色能源公司（JBEC）和美国投资集团清洁能源公司是Ways2H的两大股东，其中JBEC从21世纪初开始研发相关技术，并在日本建造了4座测试设备来改进技术。

Ways2H首席执行官让-路易斯·金德勒（Jean-Louis Kindler）表示，最新版的反应设备自2018年以来一直在东京附近成功运行，公司在此基础上还设计了一种更紧凑、更便于运输的型号，设备制造已于3月完成。该技术的原理是将有机物分解成分子，如甲烷、水、碳氧化物等，以及氢，其中氢的含量达到50%以上，再使用气体分离技术来提取氢气。该技术重要特征是温度管理，系统能够自稳定反应温度，防止温度过高而转化为危险的高压，也防止温度过低而导致焦油的形成。

可以用Ways2H技术处理的原料很多，包括木屑、城市垃圾、污水污泥或医疗废物等，该公司正准备在洛杉矶地区安装一个反应装置，每天可以用1吨城市垃圾生产40～50千克氢气。当然Ways2H公司的技术也能够处理机场中的可用垃圾，由于机场拥有自己的专属车队，是发展氢能基础设施的理想场所。Ways2H计划在巴黎戴高乐机场修建的设施每天将能够处理24吨垃圾，从中提取1.5吨氢气，足以供300辆氢燃料汽车使用。而尽管目前这种设备还不能产生足够的氢来给飞机使用，但可为地面运营的车辆提供燃料。

该制氢设施具有分布式的特点，可将垃圾处理和制氢装置打造成微型网络，机场也不再需要付费运输垃圾，因此Ways2H提供的是一种循环经济的产品。

不同公司方案迥异

Air Liquide是一家专门为航天发射制造液氢和液氧的公司，目前正在研发“高容量、高输出和可快速连接的”液氢加注车。该车的成熟度已经达到了TRL 5，后续发展也会很快，预计在2025年就能实际运行，为机场的地面车辆加氢站提供燃料。由于公司也在运用冷凝蒸汽技术，因此能与Absolut系统公司的技术实现协同效应。

其他的氢燃料地面支援设施近期可能就会出现在机场，有地面动力装置、飞机拖车、行李拖车或装载机等类型，技术成熟度等级为TRL6～9不等。一家法德合资财团和Engie能源集团正在设计此类系统和车辆，并界定装备用途及培训驾驶员等。美国初创公司环球氢气公司（Universal Hydrogent）计划将支线飞机改装为氢燃料电池飞机，使用模块化储氢罐对氢进行储存和运输。

法国民航局（DGAC）、国家工业环境与风险研究所（Ineris）和古斯塔夫埃菲尔大学联合成立了H2应用联盟。由于氢将在机场内用于多种用途，因此必须解决一些安全和安保问题，并及早识别重要风险。

Ineris公司表示，如果氢能只计划在天空中运用，那么问题会少一些，但是这样就会失去乘用车这个潜在的应用领域。另一个宏观问题是Jet-A1燃料、氢气、天然气和电动汽车将在同一平台上共存，这些燃料都要遵守不同的安全标准，从而为运营带来麻烦。

此外，装满爆炸性原料的储氢罐不应位于控制塔台旁边，且氢也可能面临Jet-A1燃料目前面临的问题，例如在加氢过程可能会被其他车辆扯掉加氢管导致氢燃料泄漏等。而要为这些风险作好准备，需要设计一个安全系统来防止大面积的泄漏。

这些实际运营中的问题，开发新技术的工程师可能并不清楚。对此，法国民航局（DGAC）技术服务部的科学和国际顾问纪尧姆·罗杰（Guillaume Roger）表示，在设计阶段就解决问题的成本是最低的，而在制造或部署阶段才发现问题的话，需要更高的成本来解决问题。

总的来看，很多氢能项目的成熟度还很低，整体可能只有TRL2水平，距离真正的运营还有很长的路要走。

DLR主导的制氢/储氢/用氢示范工程

德国汉堡开始筹建氢能源相关开发平台，为新能源航空产业发展应用做准备。在未来两年内，由德国汉堡市出资，由德国航空航天研究中心（DLR）、汉莎航空技术公司、应用航空研究中心（ZAL）和汉堡机场基于各自专业优势，将联合开展一项制氢/储氢/用氢示范工程，进行氢能维护/地面处理过程的设计和测试，为全球航空产业氢能源安全、高效应用奠定基础，计划在2022年开始运行。

研发团队由DLR领导，其中DLR负责氢能应用虚拟环境的开发，汉莎航空技术公司负责商用飞机平台维修和改装，ZAL负责燃料电池和数字化验证，汉堡机场作为主要运营商负责定义未来液氢动力飞机的地面处理要求。

德国汉堡作为世界上最大的3个航空运输枢纽之一，在2020年提出了成为主要的氢能运用大都市的愿景。目前，汉堡港口、能源部门、工业界、航空界都参与其中，为氢能技术突破做准备。

DLR的氢能应用项目第一阶段工作目标是在2021年底，由研发团队评估出最急需的研究领域，以确定攻关方向，在此基础上开展概念研究和相关测试，在2022年初开始概念验证实施，包括对一架退役的空客A320飞机进行改造。该机将配备液态氢制备相关基础设施，作为汉莎技术公司汉堡基地的一个功能齐全的固定实验室。

同时，DLR将创建一个虚拟平台，通过参数化的高精度虚拟模型，验证在地面上使用氢能对飞机平台运行维护的具体要求。这些数字化过程可直接用于面向未来需求的飞机配置设计。

汉堡机场将基于专业技术储备，重点攻关解决氢能在机场的储存和输送问题。通过该试验项目，汉堡机场能够最终确定气体氢能源和液态氢能源之间的协同效应，并尽可能充分利用这种新能源。根据先期构想，气态氢将用作行李牵引车能源，液态氢将用作飞机能源。

来源：国际航空