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欧盟提出氢动力航空研发路线图建议

作者:中国储能网新闻中心 来源:先进能源科技战略情报研究中心 发布时间:2020-09-07 浏览:
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近期,欧盟氢能与燃料电池联合行动计划(FCH)发布《氢动力航空:到2050年氢技术、经济和气候影响》报告,评估了氢能在促进航空脱碳方面的潜力,提出了氢动力航空的研发路线图建议。报告指出,氢能可在未来经济低碳的航空动力中发挥核心作用,但需尽快加强研发和创新以实现这一潜力。为此,报告提出了到2050年的研究创新路线图及各阶段研发重点,以助力欧洲实现气候中性航空。主要内容如下:

一、氢动力航空是实现欧洲碳中性航空的关键

氢动力航空有潜力成为未来航空技术组合的主要部分,主要体现在:①氢动力航空可显著减少对气候的影响,使用氢作为燃料可减少航空部门50%-75%的气候影响,使用燃料电池作为动力可减少75%-90%;②氢动力飞机是最适合通勤、区域、短程和中程的飞机,其所避免的碳排放所花费的成本远低于对合成燃料飞机进行碳捕集的成本;③如果将氢动力飞机部署在脱碳成本较高的领域,到2050年氢动力飞机将占所有飞机的40%,航空业的氢需求将增至4000万吨/年。

二、氢动力航空研发路线图建议

报告建议应分三个阶段进行氢动力航空技术研究和创新,包括:

第一阶段(2020-2028年):发展技术基础,使氢动力通勤飞机通过认证,试点区域和短距离氢动力飞机,并为从安全到市场激活机制等各方面法规制定路线图和基础工作体系。

第二阶段(2028-2035年):重点进行扩大组件规模的研发活动,将其应用到中程飞机,并为其投运做好准备,同时也为氢动力航空的第二波发展做好准备,包括安全和高效的机场加氢设施。

第三阶段(2035-2050年):开发中远程氢能飞机的概念和首批原型机,包括新型变革型飞机设计及大规模燃料供应和快速加氢的新技术。

基于当前技术的可行性分析、关键成本驱动因素、不确定性和应用障碍,对氢动力航空的研究创新重点关注四个领域:氢动力推进关键组件开发;氢动力飞机的系统开发;解决基础设施障碍;建立监管框架。各阶段研究创新重点如下:

1、组件工程:安全可靠的液氢储存、分配和动力推进

(1)轻型安全的液氢储罐。重点关注如下研发:①将储氢罐集成到机身中,测试新型或非圆柱形或球型储氢罐,以及轻型安全储氢罐的先进材料;②确定液氢储罐的安全标准和认证流程及要求,包括对地面处理的特定蒸发要求;③开发冷却设备的可靠组件,如低温泵、阀门、管道等,以及状态监测功能的传感器。

(2)机载液氢分配组件和系统。重点关注如下研发:①轻型安全的液氢燃料组件,例如带有低温冷却器的双重绝缘燃料管、压缩机和热交换器;②可靠且优化的液氢系统布局,具有高度耐用的组件、泄漏和通风管理以及优化的汽化器。

(3)大功率、长寿命燃料电池系统,包括冷却概念。重点关注如下研发:①通过模块化、更高工作温度和轻型热交换器以扩大系统规模;②通过优化运行方式和使用轻质材料开发具有更长寿命(超过25000小时)的可靠组件;③研究飞行中水处理以最大程度减少气候影响。

(4)高效、低氮排放的氢涡轮机。重点关注如下研发:①开发针对氢气燃烧特性设计的燃烧室,其具有超低温压缩机并对燃料流入进行优化;②开发专有液氢控制系统,可调节燃料流量,并采用稀薄喷射技术减少NOx排放;③开发高温涡轮机冷却系统,通过使用冷氢气流进一步提高效率。

2、氢动力飞机系统:高效、可靠的系统架构和原型开发

(1)通勤机原型。将开发H2推进组件及安全可靠的系统集成,并在实际飞行条件下进行测试,可能采用气态氢作为燃料以加快开发和早期测试速度。

(2)区域、短程飞机原型。将使用现有机型(如Bae 146、ATR 72、空客A320)进行飞机常规组件的开发和测试,然后集成至新的优化机身中。完成示范后,将对氢动力飞机进行全面评估(包括经济因素,如效率、部件寿命等),以确保获得认证并减轻新飞机设计风险。还需验证原型飞机液氢组件应用于更大规模飞机的可扩展性,开发混合动力推进机构,并验证效率改进及其经济性。

(3)中程飞机原型。开发液氢动力飞机原型,示范高功率氢涡轮机以及将超大型液氢罐集成于客舱前后部分的可行性。

(4)下一代变革型飞机。重点关注如下研发:①变革型飞机设计,针对特定性能要求、氢动力推进的约束条件和加压客舱的集成进行量身定制和优化;②原型和飞行测试,以验证模拟的空气动力学和推进效率的改进以及飞机的可控性;③为变革型新概念的大规模生产做好供应链准备。

3、加氢基础设施:加氢系统、安全和液化

(1)高效加氢系统。重点关注如下研发:①加氢管路设计,允许最大流量同时具备较低重量和最佳可操作性(尤其是当流量超过1000升/分钟);②新型更高效的管路连接系统,可确保与非常规储氢罐兼容,并通过自动闭合的快速接头确保可靠、安全的连接;③使用自主式、机械驱动的软管和/或外骨骼进行自动化实验,以用于未来流量远高于1000升/分钟的管路;④优化飞机加氢设置和处理标准,尤其应考虑使用额外软管可能会加长加注时间。

(2)安全措施和并行操作。重点关注如下研发:①检查潜在的安全问题,包括加注期间的泄漏等;②泄漏管理及应对措施,可在往返期间并行运行;③安全标准和法规,包括新的法规框架,以确保液氢的安全处理和加注;④液氢加注设备周围的无火区和安全缓冲区,以评估是否可以在往返期间并行运行。

(3)机场和飞机加氢设施。重点关注如下研发:①优化加氢车概念,包括优化管路连接系统、开发新的安全标准等;②模块化设置,包括地面运营和基础设施的最佳组织,以实现加氢系统的并行运行。

(4)大规模液化及液氢处理。重点关注如下研发:①通过改进设计、大规模制造和优化采购,提高液化效率冰降低资本支出;②通过建立气氢管网或改造旧天然气管网,以及开发现场液化设施,优化液氢供应;③评估及扩展最优的运氢解决方案(包括液氢、氨、液体有机氢载体<LOHC>),以优化氢的运输。

(5)液氢栓式加注基础设施。重点关注如下研发:①从运营和成本角度,对液氢栓式加注设施进行性能评估,确定其相比液氢加注车的优势;②低温冷却系统设计和集成,确保对现有运行的影响最小。

4、监管框架:气候影响研究和市场激励机制

(1)气候影响监测。探究氢动力推进方式及其燃料对气候的影响。①通过开发新模型、进行模拟和飞行试验以评估合成燃料及氢燃料对气候的影响,如验证合成燃料及氢燃料在涡轮机中燃烧的NOx排放变化,并与常规涡轮机进行比较;②开发燃料电池模型以模拟评估其对凝结尾迹和卷云形成的影响;③针对不同尺寸和飞行高度的飞机评估上述影响;④研究气候影响相关的其他主题,如燃料及相关技术的上游排放的生命周期分析,以及缓解气候影响的措施(如改变飞行路线和高度以减少凝结尾迹)。

(2)部署路线图和市场激励机制。开发氢动力航空路线图,明确短、中、长期目标,以促进对创新和部署的投资,为此应进行:①技术评估和比较,包括安全和认证要求,基础架构和部署方案的规划,以及对合适的支持机制和市场激活政策的研究;②对路线图进行定期更新和调整以确保部署;③随着技术成熟,需要从长期政策转向中期政策,如提供研发资助、气候友好型飞机补贴、通过政府和社会资本合作(PPP)支持基础设施开发和部署等;④制定公平、长期的监管框架。

关键字:氢能

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