各制造商抢占氢能赛道(全球三大氢动力公司)

氢燃料是减少航空碳排放最有发展前景的方向之一。目前,氢动力技术方案有燃气涡轮发动机直接燃烧氢气(氢燃料飞机)、氢燃料电池电推进(氢电池飞机)以及氢电混合动力三种,各大研究机构和商业公司都在开展相关技术研究。
氢动力技术已经成为一种重要发展趋势。而且除了将液氢作为航空燃料外,科研人员还在研究利用低温液氢来冷却推进系统,以提高推进效率和减轻飞机重量。

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英国FlyZero(零碳飞行)

2021年12月6日,英国航天技术研究所(ATI)公布了FlyZero液氢动力远程中型飞机概念。FlyZero飞机翼展54m,可载客279名,航程达5250海里(约9700km),可在伦敦和旧金山之间连续飞行,航程比A330neo少一点,但是将比目前的任何窄体客机都要远。
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FlyZero中型氢动力飞机概念
该飞机以液氢为燃料,存储在后机身及沿前机身两侧的低温燃料罐中,存储温度为-250℃(-418℉),外形与普通宽体客机不同,但速度和舒适度与普通的客机无异。在飞行中,通过液氢消耗的重量调整来保持飞机的重心平衡,并减少对整机气动结构的设计需求。
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FlyZero项目由英国ATI牵头,于2020年7月宣布启动,旨在2030年前研制出零碳排放飞机。项目团队计划于2022年初发布三种(支线、窄体和中型)飞机的详细概念。同时还将公布技术路线图、财务和市场报告以及可持续性评估。在FlyZero概念飞机的研制过程中,已经确定了需要研究开发的技术领域,包括:无内置油箱的机翼(干式机翼)、氢气罐、低温燃料系统、燃料电池、电力系统以及可直接使用氢气为燃料的涡轮发动机。
英国希望能借FlyZero项目支持在民航领域的世界领先地位,以此创造新的就业机会,实现零碳目标,并引领全球向净零航空过渡。

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GKN公司H2GEAR

英国GKN航空航天公司正在牵头英国的氢能航空合作应用研究项目,该项目称为H2GEAR(氢电混动系统)。该项目于2020年 12 月启动,为期 5 年。
H2GEAR的目标是开发首个可以应用于支线飞机的氢能电驱动系统,该系统使用液氢(LH2)和燃料电池,并可扩展应用到较大的飞机。该项目计划在2026年应用于氢能支线飞机,在之后10年内通过发展氢能航空技术,在英国创造3000多个高技术工作岗位,有望带动168亿英镑的经济效益。
H2GEAR 项目的前身是GKN公司在2015—2018年进行的E-volution可行性研究。该项研究的结构是在一架混电客机中配置两台传统燃料涡轮发动机和一个中心线电动推进器以提供减阻附面层摄入。研究发现,电机与低温系统、超导网络一起工作的效率最高,此时不能采用常规的能量载体(航空煤油)。不仅需要超导系统,而且还需要一种散装的致冷剂,这样就可以将冷冻器从系统中去除,进一步减轻重量。研究得出的结论是,飞机的环境性能受到燃料的限制,这意味着研究应该转向类似液氢这样的产品,而为了获得整体的效益,应该转向超导系统,该系统将使用大量的燃料来产生能量和热沉。
将电力系统冷却到低温,可以减少损耗,提高效率,增加功率密度。冷却到高温超导(HTS)材料可以使用的程度,就可以进一步减少损耗和重量。但这意味着重量和高维护成本,因此 H2GEAR项目正在考虑混合电力系统,使用液氢作为燃料推进和散热器冷却剂。
2021年6月10日,GKN公司的新飞行器概念主管表示,在飞机上使用液氢作为零排放能量载体,就有可能产生低温电力系统。在常规的混电推进系统中,航空燃料中储存的能量由发动机驱动发电机转化为电能,整个系统的损失会导致从电源到发动机的转换效率仅为83%。低温冷却将减少这些损失,如果使用超导系统,则可以实现高达95%的转换效率,从而减轻系统重量。
H2GEAR计划开发的氢燃料电池推进系统,其峰值功率为 1.25~2 兆瓦,并配装有一台低温电机。液氢冷却电机至低温,加热并变成气态氢,在燃料电池中被消耗,由此产生电力以驱动电机。为了与飞机集成,项目团队开发了一个综合飞机概念,包括两个独立、分离的推进系统,从燃料箱到发动机,驱动后机身的推进器。这是一架航程为500 海里的小型支线客机。
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H2GEAR项目研究的混合氢/电客机GKN公司认为,这是一种逐步从低温冷却的传统电力系统转到部分超导、最终实现完全超导系统的方法。目前,有些技术在地面上是成熟的,比如电缆和低温系统的电流引线,但超导电机的技术还不是那么成熟。

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空客ASCEND

液氢在飞机上的应用主要有两种途径:第一种是利用低温冷却来提高传统电力系统的性能。第二种是利用低温超导技术推动推进技术的突破,以显著减少损失,减轻重量,提高飞机的效率。
2021年4月,空客启动了“先进超导和低温电驱验证”(Ascend)项目,计划研制一套500千瓦低温超导航空电驱动通用总成验证系统,展示低温冷却超导材料在减重、提高电力转换效率方面的潜力,在2028年进行飞行演示。
空客认为,电驱动技术目前的研究和短期应用集中在轻型飞机和支线飞机上,而大型飞机动力需求的安装重量很大,并会产生大量热量。因此,使用低温超导材料有望增加功率密度,从而减轻电流传输系统的重量。空客前期的研究表明,超导材料在航空推进系统的主要优势有3点:
1.大幅降低电驱动力总成的重量。
2.电气损耗可能减半,所需的电压可以降至500V以下,而降低电压对于电动飞机来说非常有意义,因为高电压会带来诸如电弧和电路保护等系列问题。
3.提高动力总成系统的效率,有望达到96%~98%。

Ascend计划将使用地面技术开发几个“模块”:直流配电网络,具有低温冷却电流引线、10 m长的超导电缆和故障保护器;配备应用低温电力电子技术的冷电机控制单元;超导电动机。
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ASCEND的结构图
该项目将研究500千瓦以内的超导电驱动通用总成,其中液态氢只用于冷却,而不作为燃料。该项目的目标不是服务于某个特定机型,而是旨在证明超导电驱技术应用的可行性和潜力。eVTOL机型可能需要几百千瓦的功率,而大型干线飞机则需要数兆瓦的电驱动功率。
ASCEND动力总成将包括一个变速箱,通过超导电缆和连接器将功率传递到电机控制单元,然后将直流电转换为交流电,最终通过超导电机产生推力。这个传输系统中,一个低温系统将为超导组件提供冷却,低温介质可能是液氢,也可能探索采用液氮或液氦。此前,空客已经探索使用零下253℃的液氢作为零排放燃料的可行性。由于液氢必须从该温度升温后才能注入燃料电池,因此将其用作热交换器以冷却低温动力总成将是双赢的局面。尽管整个超导系统需要保持冷态,但是动力总成的不同组件可能需要不同的温度,例如电缆可能需要-193.15℃,常规半导体需要-173.15~-123.15℃,因此该项目将着眼于改变液态氢的温度或为某些组件开发特定的冷却系统。
空客公司将通过其子公司UpNext在慕尼黑的电动飞机系统研究所建造该超导动力总成,将测试可适用于多种发动机的解决方案(如涡桨、涡扇和混合动力)。测试计划在2023年底完成,这些结果将用于验证系统模块的模型,这些模块可以从100千瓦放大到兆瓦级的功率水平,供空客在不同的飞机研究中使用。
如果基于地面技术的Ascend计划第 1 阶段测试取得成功,那么在2024—2025年中期的第2阶段将开发针对飞机的技术和目标飞机的动力总成。2026—2028年的第三阶段将进行动力总成的飞行测试。

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结束语

要实现绿色航空,液氢是最适合的燃料,可是它需要极大的冷却系统和存储系统。要产生同样的能量,氢需要的体积是航空燃油的4倍,所以需要对飞行器进行重大革新。从机体布局到发动机,再到燃料储存系统,几乎所有的部件都需要重新设计。
与此同时,氢能源的利用并不简单,需要供应链各个环节共同发力。首先是氢的生产制造。工业用氢目前只有4%是通过电解制备的,其余如甲烷蒸气转化法和煤炭气化法等都会产生副产物二氧化碳,这与利用氢能源实现航空业低碳发展的初衷是背道而驰。即便是电解法,如果不利用可再生能源发电的话,也无法成为“绿色”氢能源。其次,即使不计算储存费用,“绿色”氢气的生产成本接近航空煤油的3倍。
另外,氢能源基础设施建设应与技术攻关同步进行,其中的关键就是如何由工厂向机场输送液氢以及如何在机场给飞机加氢。目前,有研究表明利用现有天然气网络改造实现氢气运输是可能的,只是需要大量的资金支持。如何安全、有效地使用氢能,还需要政府监管机构、研制厂商等共同协作,实现管理措施、关键技术等方面的创新突破。

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