摘要：随着航空业面临日益增长的脱碳压力，三种相互竞争的技术应运而生，成为迈向更清洁未来的潜在途径： 氢能、电力和可持续航空燃料 (SAF)。在减少排放、降低成本并保持商用机队运营效率的竞争中，每种技术都具有独特的优势和挑战。预计到 2050 年，航空旅行将翻一番，寻
随着航空业面临日益增长的脱碳压力，三种相互竞争的技术应运而生，成为迈向更清洁未来的潜在途径： 氢能、电力和可持续航空燃料 (SAF)。在减少排放、降低成本并保持商用机队运营效率的竞争中，每种技术都具有独特的优势和挑战。预计到 2050 年，航空旅行将翻一番，寻找可扩展的解决方案不再是一个遥不可及的目标，而是实现全球气候目标和维护航空业长期生存能力的必要条件。
氢动力和电力推进代表着迈向零排放飞行的重大飞跃，而SAF则提供了一种与现有飞机和基础设施兼容的即时解决方案。然而，这些技术的广泛应用之路并非一帆风顺。基础设施的限制、能源效率、生命周期排放和经济可行性都决定着创新的轨迹。本文探讨了氢动力、电力和SAF技术如何重塑航空业的未来，并最终可能在商业飞行脱碳方面发挥主导作用。
图片来源：Universal Hydrogen
氢能是航空业脱碳最有前景的长期解决方案之一。 空客的“零排放”（ZEROe）计划旨在到2030年代中期，使用改进的涡轮机或燃料电池，实现氢动力商用飞机的量产。与航空燃料不同，氢能仅排放水蒸气，利用可再生能源生产氢能，为实现零碳飞行提供了一条途径。
波音公司
还强调了氢能的高能量重量比和多功能推进潜力，使其成为航空业净零排放目标的基石。
重大挑战依然存在。氢气体积能量密度低，需要大型低温储罐，这反过来又会影响飞机设计和有效载荷。机场需要新的生产、储存和加油基础设施，以及严格的安全规程。目前的全球氢气供应链，尤其是绿色氢气的供应链，尚不足以支持大规模航空运输。
因此，空客调整了时间表，将重点放在混合动力和兼容SAF的设计上，同时继续氢能研发。尽管面临这些障碍，氢能仍然是航空业长期脱碳战略的核心，其成功取决于能源生产、储存技术和基础设施建设的进步。
图片来源：H2FLY
电力推进是实现绝对零排放飞行的最直接途径，它能够降低运行噪音、降低维护成本，并有可能通过可再生能源实现本地能源采购。 空客已在E-Fan X和CityAirbus NextGen等混合动力电动演示飞机上投入巨资，探索将电池与涡轮发电机相结合以延长航程的配置。电动飞机有望显著提高效率，电动机可将超过90%的输入能量转化为推力，远高于传统喷气发动机。小型全电动飞机已被证明可用于短途区域航线，这使得这项技术成为区域乃至通用航空飞行的变革性解决方案。
然而，电池技术仍然是决定性的制约因素。目前的锂离子电池能量密度仅为航空燃料的一小部分，这意味着电池的重量很快就会抵消其对中长途飞行的益处。国际清洁交通理事会 (ICCT) 的数据显示，即使能源存储技术取得了乐观的进展，全电动商用飞机在未来至少二十年内仍可能仅限于短途和通勤运营。电动汽车充电和维护基础设施也给机场和航空公司带来了物流和成本方面的挑战。
目前， 混合动力系统是最实用的过渡方案，既能降低油耗和排放，又能保持常规续航里程和安全性。随着电池化学技术的发展和轻量化材料的改进，电力推进最终或将为更大型的飞机提供动力。在此之前，电力推进最大的影响将是重塑区域和城市交通，使其更加安静、高效且可持续。
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氢动力飞机面临的重大工程挑战远不止燃料储存。飞机必须容纳大型低温储罐，同时保持气动效率和有效载荷能力。将氢气转化为电能的燃料电池系统仍然相对较重，需要先进的冷却和绝缘技术。设计师必须在重量、航程和安全性之间取得平衡，同时确保飞机性能与传统机型保持竞争力。
安全考量至关重要。氢气高度易燃且扩散迅速，这意味着任何泄漏都可能造成严重风险。工程师们正在开发多种冗余安全系统，包括先进的传感器、压力释放系统和灭火方案。 航空公司和监管机构还必须考虑地面处理、加油程序和应急响应培训等运营因素。液氢在航天等其他行业应用的经验正在被应用于航空领域。
方面细节优势挑战燃料类型氢气（气态或液态）具有高能量重量比，使用时二氧化碳排放量为零。低体积能量密度需要低温储存。推进方式涡轮燃烧或燃料电池可以为大型飞机提供动力，并具有灵活的推进选择。燃料电池很重，涡轮机需要重新设计以适应氢气。能量密度高重量、低体积每单位能量的轻质燃料需要大型油箱，这会影响有效载荷和空气动力学。排放水蒸气使用绿色氢气时实现真正的零碳。高空的水蒸气可能会形成凝结尾迹。基础设施需求生产、液化、储存和机场加油。可以通过专用集线器进行扩展资金成本高，全球供应链尚未高度发达。安全考虑高度易燃，需要泄漏检测和压力释放。从其他行业积累了氢气处理知识。存在泄漏或火灾风险，需要严格的协议。收养时间表2030年代中期（示威者）净零航空的潜在长期解决方案。商业可行性取决于基础设施和绿色氢气的可用性。制造商空客、波音大力投入研发，并正在进行示范项目。大型商用飞机的技术仍处于试验阶段。尽管面临这些障碍，研究仍在快速进展。空客、波音和其他制造商正在运行演示机和原型机，以验证新的燃料储存解决方案、混合动力推进概念和安全系统。虽然氢动力商业化飞行可能仍需数十年才能实现，但这些项目对于建立监管机构、航空公司和公众的信心至关重要，为未来氢能能够安全地为大规模商用航空提供动力奠定基础。
图片来源：ZeroAvia
电力推进有望显著提升效率，并实现近乎零排放。电动机可将超过90%的输入能量转化为推力，远超传统喷气发动机，而且运行过程中几乎无噪音。空客和其他制造商正在探索用于短途飞行、城市空中交通和区域航线的混合电动和纯电动配置。
电动飞机的主要限制因素在于能量存储。锂离子电池的能量密度远低于航空燃料，这意味着电池容量越大，飞机重量就越大。这限制了中远程飞行的有效载荷、航程和可扩展性。根据 ICCT 的研究，即使电池技术取得重大进步，商用飞机在未来二十年内仍可能保持短途飞行。机场充电基础设施和维护要求进一步阻碍了电动飞机的广泛应用。
方面细节优势挑战燃料类型/能源电池使用时零排放，运行安静。与喷气燃料相比能量密度低，航程有限。推进方式电动机（全电动或混合电动）效率高、机械结构更简单、维护成本更低。电池重量限制、飞机尺寸和有效载荷范围受到限制。能量密度与传统燃料相比低轻型、紧凑的电机减少了运动部件。电池很重；长途飞行需要大电池组。排放使用点归零如果电力是可再生的，清洁运行可以减少当地的空气污染。生命周期排放取决于电源和电池生产。基础设施需求机场充电站；电源管理可以与可再生能源相结合，比氢能基础设施更简单。可能需要更高的电力需求、更长的充电时间和电网升级。安全考虑电池热管理；火灾风险无易燃燃料，遏制更简单。过热、热失控和火灾风险需要先进的冷却系统。收养时间表短期适用于区域和城市空中交通；中期适用于短途混合交通已经适用于小型飞机；混合电动桥接技术。在电池能量密度提高之前，向大型商用飞机的扩展仍然受到限制。制造商/项目空客（E-Fan X、CityAirbus NextGen）等积极的演示者和原型；强烈的行业兴趣。中长期的全面商业实施仍需几十年的时间。混合动力飞机提供了一种过渡解决方案，将电池与传统的涡轮机或发电机相结合。这种方法可以减少燃料消耗和排放，同时延长飞行距离。虽然纯电动飞行目前仅限于区域应用，但电池化学、轻量化材料和电源管理系统的不断改进可以逐步扩大电力推进在商用航空中的作用，尤其是在短途和城市飞行中。
图片来源：Heart Aerospace
混合动力飞机将传统推进系统与电动机相结合，为当今的减排提供了一条切实可行的途径。通过在喷气发动机上补充电池驱动的电动机，这些飞机可以降低起飞和爬升等关键阶段的油耗。空客的混合动力验证机，例如 E-Fan X 项目，正在积极测试这些概念，以确定性能提升和运营可行性。在电池能量密度和氢能基础设施日趋成熟之际，混合动力系统也可以作为一种过渡技术。
这些系统在设计和运营方面提供了灵活性。航空公司可以在不牺牲航程或有效载荷的情况下减少燃油消耗和排放，这使得混合动力飞机对中短途航线具有吸引力。此外，混合动力配置可以帮助制造商满足监管排放目标，并通过降低油耗和减少发动机磨损来降低运营成本。混合动力飞机的早期采用可以加速该行业更广泛的脱碳目标的实现。
挑战依然存在，包括集成复杂的电源管理系统、在高需求阶段冷却电池以及确保混合动力运行下的安全性和可靠性。尽管如此，混合动力飞机仍是连接当今化石燃料机队和未来零排放推进的关键桥梁。通过将成熟技术与新兴创新相结合，混合动力解决方案使航空公司和制造商能够试验、调整并为下一代低排放航空做好准备。
图片来源：霍尼韦尔
可持续航空燃料 (SAF) 是实现脱碳的最直接途径。SAF由废油、农业残留物和捕获的二氧化碳等可再生原料制成，可直接与传统航空燃料混合，无需改造即可用于现有飞机。这种“即插即用”的特性使航空公司能够根据原料和生产方式，将生命周期排放减少高达 80%，使其成为实现近期气候目标的可扩展且实用的工具。
主要障碍在于供应。受高昂生产成本和基础设施有限的制约，全球SAF产量目前仅能满足不到1%的航空燃料需求。扩大供应需要对生产设施进行大量投资，并制定政策激励措施，并签订长期合同以保证需求。航空公司、飞机制造商和各国政府正开始合作开展SAF项目，以增强供应链信心，并缩小与传统燃料的价格差距。
尽管面临诸多挑战，SAF 仍然是航空业实现即时减排战略的核心。氢动力和电力推进技术是长期解决方案，而 SAF 则能够使现有飞机在当今更加可持续地运行。其简易性、可扩展性和监管支持使 SAF 成为迈向净零排放航空的最实用的短期途径，在新兴技术获得更广泛应用之前弥合差距。
来源：孟尝门下微湖客一点号
