谁在卡氢燃料飞机的脖子

沈海军

燃料储存并非易事

众所周知，每千克氢气的质量能量密度为40千瓦·小时，几乎是柴油或汽油的3倍，但氢气需要冷却至-253℃才可以保持液态。这给氢燃料的储存和运输带来了不小的挑战。

首先是氢的存储体积过大。在常温标准大气压下，氢气的密度很小，同等能量下，其体积约是航空煤油的2750倍。为节省空间，人们通常采用272倍大气压对氢气进行增压储存，或者在大气压下将温度降至-253℃，使氢由气态转化为液态。氢的体积能量密度非常低，这意味着，即使经过压缩或液化，氢燃料也会占用很大的空间。相较于传统的航空燃油，在同等含能情况下，液氢燃料需要额外占据3倍体积，压缩氢气则需要额外占据5倍体积。从系统复杂程度而言，压缩氢气方案实施起来相对容易，但需要付出更高的空间和重量代价。低温储存的液氢相对密度更大，对于未来的商用航班，液氢方案更加现实可行。

其次是难以安全储存。无论采用哪种储氢方式，对储存系统密封性的要求都比传统燃油系统更高、更复杂。这是因为，氢分子比航空煤油的分子小得多，更容易从管路缝隙中逃逸。储存液氢时，还必须考虑恒温条件的实现问题，否则，液氢燃料升温气化后，体积膨胀的氢气有可能导致燃料箱因压强骤增而直接爆炸。应用于航天领域的液氢储存系统相对简单，氢氧发动机火箭在起飞前才会加注低温液氢，火箭发射一般只需数分钟，而飞机的飞行时间往往会持续数小时，所以，必须寻求更可靠的储存方式。目前，氢能储存技术主要有高压储氢、液化储氢、固态储氢和有机氢化物储氢等形式。其中，高压储氢的应用最广，通常将气瓶作为容器。不过，由于氢的密度小、储氢效率低，故需加大压力来提高储氢量，而加压有可能导致氢分子从容器壁溢出或产生氢脆爆炸的风险。

如今，新型复合材料的发展为储氢环节提供了更多支持。相较于传统的金属材料，相同强度的复合材料结构所需付出的重量代价更小。就液氢储存罐而言，新型复合材料可以极大地减轻自重并增加有效容积。例如，一些国家研制的碳纤维复合材料燃料罐，在同等容积下，可比现有的最先进的航天低温罐减重75%。

“绿氢”生产成本高企

目前的制氢技术主要分为化学能制氢、生物质制氢和风电、光电制氢技术等。

化学能制氢以石化燃料或天然气为主要原料，是由化学链与蒸汽法制氢相结合的制氢技术，具有装备简单、污染物排放量低、投资少等优点。它是通过燃料与反应器、蒸汽反应器以及空气反应器的互相作用，将烃类水蒸气制成氢气。在这一过程中会产生二氧化碳，但相比于传统的制氢技术，化学能制氢技术排放的温室气体数量较少。

除了要求1000℃以上的高温以外，生物质制氢技术可以称得上是一种理想的制氢技术。我国地大物博，可将城市生活垃圾和农林废弃物作为生物质制氢的原料。该技术也更符合绿色环保、节能减排的生态发展理念。

风电、光电制氢技术可实现零碳排放，且制出的氢气纯度高。其中，风能、水能是可再生资源，利用风能、水能发电，再电解水制氢，既能多元化利用可再生资源，将不稳定的电能转化为氢能，又可实现规模化制氢，还能有效节约电力资源，一举数得，但这种制氢方法的成本较高，与煤制氢技术相比，经济性较低。

目前，全球每年生产的7000万吨氢中，从石化燃料中提取、伴随有二氧化碳排放的“灰氢”工艺制得的氢占96%。由可再生能源电解制得的“绿氢”只占1.4%左右，“绿色”氢气的生产成本接近航空煤油的3倍，尚难以和传统石化能源制氢相比。若要用氢能完全替代传统石化燃料，达到真正的零碳排放，需要大幅增加“绿氢”占比，但这对于氢生产技术及生产规模来说，都是一个巨大的挑战。

基础设施有待完善

氢能基础设施、设备的不完善也是制约其应用的关键环节。机场的氢能基础设施主要包括液氢燃料的运输、储存和液氢加注等基础硬件。氢燃料与传统石化燃料有较大差别，如何实现氢燃料的低成本运输和储存，直接影响到氢能在航空业的商业化运营。根据目前的研究，氢气可通过现有天然气管网输送至机场，并在到达机场后进行液化处理；然而，这种方式不仅需要全面评估现有管网的安全性，而且需要考虑氢气的产地与机场之间的距离以及因长距离输运带来的附加成本等问题。

对于新型氢能动力飞机，其推进系统需要建设新的地面配套设施，而现有基础设施是依据在用飞机的动力系统和配套设备所搭建，各国开发者需要研究和解决在尽量短的时间内为飞机加注氢燃料、尽量缩短飞机的停场时间，并确保加注过程的安全性和经济性等问题。氢能飞机的运行需要在规划初期就确定好基础设施的建设工作。目前，无论航空公司还是机场的配套设施，都不适合氢能飞机的商业化运行，新型氢能源的推广需要重新搭建相关基础设施及配套设施。