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FerroviaISA:氢动力飞机 通往更可持续航空之路

日期:2021-01-22    来源:氢能观察

国际新能源网

2021
01/22
10:26
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关键词: 氢动力飞机 碳减排 碳排放

2019年,航空业排放了9.15亿吨二氧化碳,占同年人类排放二氧化碳的2%。

ATAG(航空运输行动小组)设定了在接下来的几年里到2050年二氧化碳排放量在2005年水平上减少50%的目标。

在《巴黎协定》签署之后,航空运输是第一个致力于应对气候变化的部门。然而,由于飞机年年增长,但飞机效率的提高在最近几十年中还远远不够。因此,需要一个创新的解决方案,从根本上减少航空业对气候的影响。

使用氢气作为喷气燃料提供了一种在飞行过程中二氧化碳零排放的可能性。因此,在取代传统航空煤油,以及由电池和可持续航空燃料驱动的电动机方面,氢气成为一种有希望的能源载体。

不同类型的氢气推进

目前飞机有两种氢推进模型:第一种是使用氢气通过燃料电池产生电能,为电动机提供动力。第二种推进模型基于在内燃机中的直接氢燃烧,与目前飞机上使用的类似。

图1 来源:费罗亚机标场

目前,这两种解决方案都在开发中,它们提供的主要优势是完全消除飞行过程中的排放。但它们有其自身的优缺点:直接氢燃烧需要排放氮氧化物和水蒸气,而燃料电池效率更高,只有水蒸气作为副产品。

据估计,使用氢气作为燃料,在飞行过程中对氢气涡轮机的气候影响可减少50%至75%,使用氢电池可减少75%至90%。

由于对电池的需要和目前的技术开发水平,使用氢燃料电池仅限于支线飞机和短距离飞行。实施氢内燃机将使大中型飞机的煤油能够取代煤油,飞行距离达10,000公里。

氢气:推进具有巨大潜力,但面临许多挑战

除了在飞行过程中不排放二氧化碳外,氢是地球上最丰富的元素,因此它在其他可持续的推进源中独树一帜。然而,生产,储存和分配需求使氢气不能在飞机上广泛应用。

在氢气生产过程中,消耗了大量能源,这必须来自可再生能源,以便氢可以用作可持续燃料。为了满足飞机推进对氢气的高需求,这种元素的蓝色和绿色类型的生产必须大幅度增加。

另一方面,储存用于为飞机提供动力的氢气所需的储罐相当大。如果考虑氢气经常被用于液体状态以减少其体积,那么这些储罐必须加压并承受非常低的温度,因此,需要更厚的弹壳,这意味着更多的重量。

飞机上携带氢气的后果

航空二氧化碳排放量的72%来自中型和大型飞机,这些飞机用于商业航空。此外,在高空飞行意味着这些排放对环境影响更大。通过内燃机或混合燃料电池系统实施氢推进,在这些飞机上使用内燃机将意味着减少大部分排放。

用液态氢代替煤油意味着将当前飞机燃料箱的体积增加四倍,将燃料重量减少70%,以保证飞行相同的距离。

由于储存飞机在远程飞行中消耗的氢气所需的储罐大小,飞机设计必须进行修改。目前的替代方案包括增加机翼的体积,以增加机翼的储存容量或增加机身长度以增加额外的储罐。

为了达到A350等飞机的当前最大航程,需要将机机翼面积乘以2.5并增加一个油箱,在组合解决方案中占用机身长度的5%

图2 来源:费罗维亚机场

至于飞机的重量,这一设计改变意味着将最终起飞重量比最大起飞重量减少11%。

因此,将氢气作为内燃机的燃料不仅可减少二氧化碳排放,还将减少氢气的排放,并且增加有效载荷。

氢气与其他推进器替代品

除了氢气,航空业还致力于开发100%电动飞机和使用SOF(可持续航空燃料)。

SOF目前与煤油一起使用,其水平高达50%,但预计其含量将达到100%。它们可用于任何类型的飞机,没有任何航程限制。但飞行过程中的高成本和部分减少二氧化碳排放,使得这一项目成为近期的一个很好的选择,但这不是一个明确的解决方案。

配备燃料电池和电动机的飞机将使零排放飞行成为可能。然而,应用仅限于小型飞机和1000公里以下的航班,有待于所需电池的进一步技术开发。

根据三种推进源在机场和飞机上的实施影响进行比较,氢气和电力推进器将需要更多的投资。这是因为机场需要新的分销和存储网络,以及新的飞机设计。另一方面,SOF不需要任何重大更改,因为它们使用与煤油相同的系统。

图3 来源:费罗维亚机场

考虑到各种替代品对环境的影响较低以及实施这些替代品的成本,每种备选方案都有最佳距离范围。通过结合不同的替代方案,并在效率最高的航班上实施这些替代方案,可以最大限度的实现减排。不过,要开发这三种方案,仍需要大量投资。此外,这完全取决于这些推进系统的技术进步和未来替代品的发展,如牛津大学提出的CO2推进。

注:效率是与传统燃料(100%)相比总成本和获得功率的组合

图4 来源:罗雄亚机场

根据这些当前替代品的特性可以得出结论,氢推进的多功能性使其能够覆盖广泛的飞机和飞行距离。因此,投入氢动力飞机将实现最大的环境效益,减少高达89%的航空二氧化碳排放量。


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