氢气对客机的挑战(第2部分：生态系统)

2020年7月31日©。利厄姆新闻：在我们关于氢气作为客机能源储存的系列报道中，我们从观察能够生产和分配氢气的所需生态系统开始。

三年前，当我对氢作为推动我们客机的手段持怀疑态度时，主要问题是缺乏这种生态系统。那一年，也就是2017年，13家运输和能源公司成立了氢理事会，创建了这个生态系统。今天理事会有81个成员，其中22个是在去年加入的，如图1所示。名单上写着运输和能源领域的名人录。

氢理事会是一个由首席执行官领导的全球倡议，由领先的能源、运输和工业公司组成，他们对氢气有着统一的愿景和长期抱负，以促进能源转型。这个由81个成员组成的联盟，包括大型跨国公司、创新的中小企业和投资者，在世界各地总共代表着超过18.7万亿欧元的总收入和近600万个工作岗位。自2017年成立以来，该联盟的规模已经增加了三倍多，拥有13个成员。

这一群体有必要的动机、知识和火力来建立一个氢能生态系统的生产和分配能力。

欧盟通过其清洁天空倡议赞助了一项关于氢动力航空的研究，该研究已于上个月发表，图2。

它有空客和波音作为参与者，氢气理事会的几名成员对这份报告做出了贡献。*它有关于航空运输氢气的几个主题的最新信息，我们将在前进的过程中引用它。

我们的第一个摘录是围绕在2050年之前支持部分航空公司改用氢气的能力(报告为氢气坡道勾画了两种情景，在我看来，一种是激进的坡道，另一种是更现实的坡道)：

在这两种情况下，到2040年，全球对氢气的需求将达到每年约1000万吨或4000万吨，到2050年将达到约4000万吨或1.3亿吨。根据氢理事会的预测，到2040年，这一数量占全球氢气总需求的5%或20%，到2050年，占全球需求的10%或25%。

我们看到，较低的预测到2040年占全球氢气产量的5%，到2050年占全球氢气产量的10%，这是完全现实的数字。

该报告的撰稿人之一是法国液化空气公司(Air Liquide)，该公司在氢气作为燃料方面拥有丰富的经验，其中包括太空发射器领域。下面是它对飞机氢气研究和经验的描述：

自2010年代初以来，液化空气一直致力于将氢气引入航空领域。由欧盟(EU)支持的一个项目于2013年启动，证明了空中气态氢气罐为燃料电池提供动力的可行性。它清楚地表明，考虑到所需的大量(机上几吨)，气态氢不是飞机推进的解决方案，液氢(LH2)是唯一的前进道路。

我们现在认为，当务之急是使用飞行演示器作为评估、成熟和验证使用液氢所需的技术和程序的主要手段。这是燃料电池和氢气联合项目(FCH Ju)授予的天堂项目的目标，液化空气负责储存，而德国航空航天中心(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR)将修改其现有的“HY4”研发平台，从气态储氢转变为液态储氢。首次飞行将于2022年进行，这将是世界上第一架由液氢燃料电池提供动力的客机。

法国和德国政府的声明，他们支持发展氢生态系统和2035年之前的第一架氢燃料飞机，应该在欧洲参与氢理事会和不同的欧盟研究计划的背景下看待。

在过去的一年里，围绕氢的幕后发生了很多事情。法国政府6月10日宣布，他们将投资150亿欧元支持本国工业，其中包括开发第一架氢动力客机，这是与行业合作伙伴和欧盟仔细协调的。

非常有趣的是，(LH2改装的)HY4原型是基于燃料电池的，而不是基于燃烧的。如果大型商用飞机能够做到这一点-这将让我感到惊讶-这将是对环境反对者的一次重大胜利，他们喋喋不休地谈论燃烧室产生的NOx。

嗯，燃料电池的效率不错，它的效率是燃气轮机的2-3倍。他们的权力很低。因此，他们可以用燃料电池起飞和飞行，还可以给电池充电。为了避免压缩损失和钢材的重量，他们可以在超级绝缘的或杜瓦罐中使用液氢，他们必须将其煮沸来喂养熔化的电池。所以这是非常可行的。

液化氢是注入飞机的燃料，但它会沸腾，很可能会被压缩注入发动机。那些向发动机输送H2和LH2混合物的电动压缩机既不便宜，也不容易在大修时进行认证或测试。因此，霍尼韦尔、Argo Tech、Hamilton Sundstrand(现在是柯林斯的部门)和Safran通过不同的涡轮泵零部件供应商，如菲亚特和GKN，可能会抢占先机，在今天的火箭涡轮泵制造商看到这一巨大业务打开之前，从这一业务中分一杯羹。(火腿。桑德。已经是其中之一)。

RocketLab为他们的卢瑟福发动机提供了一系列漂亮的电力泵。目前用于RP-1和LOX，但应该值得关注LH2。由于这些泵特别不是涡轮泵，它们避免了预燃器等的所有复杂和安全问题。

过渡到LH2将是HY4很好的第一步。但随后需要在技术和供应链方面进行大幅改进，才能扩大到商业服务。因此，在这成为现实之前，还有很长的路要走。

可能最初增加的氢气产量将首先被陆地应用所消耗，其中许多比航空更容易和更快地可行。

多年来，液化空气一直是一个非常严肃和有利可图的巨头。因此，我们可以相信它的说法；液化空气自2010年代初以来一直致力于在航空领域引入氢。由欧盟(EU)支持的一个项目于2013年启动，证明了空中气态氢气罐为燃料电池提供动力的可行性。它清楚地表明，考虑到所需的大量(机上几吨)，气态氢不是飞机推进的解决方案，液氢(LH2)是唯一的前进道路。

结论很清楚：气态氢是死的。但是：液氢也有它自己的问题-有没有什么现实的方法来大规模生产绿色液氢？-储罐压力是多少？温度呢？(我们可以读取大约350巴)-我们如何在飞机上定位这些坦克？他们的体重是多少？-泄漏造成的损失似乎是一个严重的问题(宝马因此取消了计划)有什么新的解决方案吗？

问题可能不是LH2的生产，而是为了经济和环保，今天最便宜的方式是将天然气用于氢气工厂，就像德国通过Northstream管道从俄罗斯进口的天然气一样。为了使足够的电力对环境无害，另一种方法是用最新的催化涂层技术经济地运营一家H2电解工厂，以降低能耗，然后将其转化为LH2并进行分配。

储罐压力和温度取决于储存设计条件。有了低温绝缘层，LH2可以在20K时以过冷液体的形式储存到大气中，如果你容忍蒸发损失或有一个小型回收装置的话。

然而，对于移动式储存，储罐可能是冷冻压缩的，因为它们是冷冻隔热的，但允许升高温度和压力，以保持液体和蒸汽的饱和混合物。LH2的最高饱和温度为33K(临界点)，约为13个大气压。

在这上面，你有一个超临界状态，不是明显的液体、蒸汽或气体。在这种情况下，压力是限制因素(结构强度)，并相应地控制温度。真空绝缘低温压力容器的额定气压可能为275大气压，低于普通氢气压力容器的额定气压，后者可能为350至700大气压。

当您装满或排空冷冻压缩储罐时，H2可能会经过上述所有热力学状态，因此必须提供冷却以供灌装，提供热量以供排出，以充分利用储罐容量。

总的来说，这是一个复杂的过程。以下是对汽车冷冻压缩储罐设计的一个很好的研究，包括对氢气生产、储存和输送的全周期经济分析：

有趣的是：对于飞机，压力是在LH2加满油后形成的，直到APU启动(无论是燃气轮机还是燃料电池)。对于向燃烧器压力输送H2和LH2混合物的燃气轮机来说，我真的不知道如何配置理想的飞机燃油泵，因为您确实不想因为所需的轴功率而将H2气体压缩到超过30-50巴的燃烧器压力。我知道火箭发动机可以将LOX和LH2(富含氢气)泵送到预燃器中，为涡轮泵提供动力，涡轮泵在涡轮后有足够的压力注入主火箭发动机燃烧器，但对于商用飞机来说，这种设置听起来风险很大，成本也很高。

我给出的研究环节是PEM燃料电池，调节氢气供应压力为4个大气压。对于燃气轮机来说，燃料压力大约在15到30大气压之间。

对于需要消耗很大一部分油箱体积的航空，你必须在燃烧器上使用氢气，而不是液体，因为液体只有在特定的油箱条件下才能使用。对于冷冻压缩油箱，最初你会有所需的压力，但必须增加热量或使用压缩助推器(或两者兼而有之)，以在整个飞行过程中保持恒定的燃油压力。

这一切都是可行的，但需要油箱、发动机、节气门和其他燃料调节机构的小心和协调操作。你不能简单地假设发动机在所有运行条件下都有燃料可用。计算机化的坦克和发动机控制系统应该可以做到这一点。但这将是一个新的复杂程度。

拥有大量的冷却剂可以用来冷却HPC，使其更高效地运行，从而为燃烧器提供更凉爽的空气。这可以用来增加功率到今天的油管入口温度，或者使发动机在较热的部分运行得更凉爽。让燃烧器加热气化LH2，并在达到燃烧器热量燃烧之前与空气预混几毫秒是一项经过验证的技术(RR)。

虽然这具有特定的生态效益，但还为时过早。主要原因是，为了生产和运输有问题的氢气，将会燃烧大量的碳氢化合物。“最环保”的战略将是等到这些能源所需的大部分能源都可以由可再生能源生产为止。此外，庞大的性质或LHY将需要更大的飞机，具有高度专业化和昂贵的存储和分配系统。这是从生产设施到飞机本身的一切。总而言之，这是一个最有价值的目标，但时机还没有到来。我们应该做初步研究，但不能草率行事。.D.H.🤔。

我同意这其中有一些元素类似于围绕电动飞机的炒作。在这种情况下，储能技术的限制太大了，正如比约恩指出的那样，但能源载体本身(电力)是现成的。

在这种情况下，储能的技术门槛较低，但能源载体(氢)的供应仍有一些途径可用。因此，它比电动更可行，但所需的投资要大得多。航空部件只是问题的一部分。

这就是为什么首先取代化石燃料的其他用途更有意义，随着我们这样做，技术和供应将得到发展，以至于航空将成为最后的应用之一，成为投资回报最低、悬挂最高的果实。

虽然我从来没有用LH运行过燃气轮机，但我用它运行过柴油车。如果你在燃烧气体，气体H2的质量流量是惊人的，但我们有一个系统，利用储罐压力输送液体，并直接注入液体。LH也有一些用途，因为它是冷的，冷却空气、机油和关键发动机部件也是可能的。LH实际上是合理的，易于操作和合作。用“绿色”方法制造H2实际上可能是最大的一次挤成一团。

第一起事故将是氢气飞机的终结。它们在装填时会像小型核弹一样。还记得兴登堡号吗？答案是捕获的碳与氢结合在一起。一种碳中性且安全的简单碳氢化合物。

“下一个最大的细分市场，中程飞机，需要大大延长的机身来储存lh2。

因此，航空非二氧化碳排放对气候的确切影响是一个科学争论的问题。请参阅关于气候变化的第一章，了解按技术进行的估计，并请参阅附件1，了解这些估计背后的方法和来源。

氢气燃烧可以将飞行中对气候的影响减少50%到75%，燃料电池推进可以减少75%到90%。

将比传统飞机多消耗约25%的能源；这些飞机将导致每个PAX的成本增加30%-40%。“。

所以，我们有一张很漂亮的照片，一只H2动力的鸟在Seamills上空飞翔，但这并没有解决如果你把Wind拿去制造Hydro，那么剩下的用于社会的东西就必须从其他地方获得。

所以，我看到的是很多硬件公司都在分一杯羹。

没有硫或其他杂质(据我回忆，目前的Jet A装载了允许的硫，不像汽车和设备的柴油)。

显然回到当天的第一个内燃机，他们是粗糙的，因为他们有很多上行和迅速(很大程度上归功于第一次世界大战)获得了一些令人印象深刻的功率密度增加。

随着收益的减少(对于大型飞机发动机)，喷气式飞机单独出现，使用相同的基本基础设施，具有同样的优势。

在一个看起来或不能与其他选择相比较的前提下发明整个宇宙，只不过是政府驱使的另一个空中楼阁。

没有硫或其他杂质(据我回忆，目前的喷气式飞机A装载的是允许的硫，不同于用于汽车和设备的柴油)。

这个规格允许3000ppm。市场典型的明显是300..600ppm。即.03.。0.06%欧盟车用柴油“无硫”含<；10ppm。

让Jty A和AUTO一样(在美国是一样的<；10)，你就能把它清理得很干净。

之所以采用超低硫柴油，主要是因为它允许采用颗粒物排放控制技术。这对往复式间歇内燃机很重要。第二个好处是减少硫排放。

美国环保署对喷气燃料或家用取暖油没有同样的要求，因为这些应用使用稳态燃烧。因此，颗粒物排放已经大大减少，不再需要同样的废气处理。

ULSJ的成本差异并不大(所有方法每加仑都不到10美分)，但对航空公司来说仍然很重要。EPA可能最终会强制这样做，仅仅是为了硫磺排放的好处。

为什么要加长机身？请记住，所有客机都有一个“楼下”(货舱)，通常没有得到充分利用。LCC当然不运载货物，因为相关的装卸时间会扰乱它们的快速周转模式。

从重心/升降中心的角度来看，将设备(均匀分布)放在货舱也会更好。

过去数月的情况显示，通常在客机机舱内运载的货物，亦可由数目相对较少的专用货机有效运载。事实上，由于货物不会受到“飞行羞辱”的影响，在客机改用lh2…后，用传统燃料的飞机运载货物可能会持续相当长一段时间。毕竟，货运公司使用年长的鸟类很少有问题。

在乘客下方携带LH2存在安全问题。如果发生泄漏，氢气就会上升，因此火灾风险将高于储罐。此外，货运区在发生事故时被认为是挤压区域，但破碎的LH2储罐释放的能量将是巨大的，

为了安全起见，最好为油箱设置一个独立和隔离的机身部分，并带有排气装置，因为可以防止火灾、泄漏或爆裂的船只释放给乘客。但考虑到所需的数量很大，这可能不是很实际。

那么，为什么不干脆用一架A1喷气式飞机装满货舱，然后环游世界呢？

我不相信氢气。与使用液态碳氢燃料作为储能以及由电力、水和二氧化碳制成的燃料相比，配电系统的建造成本将太高。大学和汽车制造商对此做了大量研究。甲醇是最容易制造的，但对于航空用途，使用与JetA1类似的燃料可能会更好。

欧洲最大的天然气公司是德国的林德(Linde)和法国的空气液体(Air Liquid)，这两个国家都没有大型油气田，但都有西门子(Siemens)、德国的Enercon和法国的阿尔斯通(Alstom)，丹麦的风车工厂后面是法国的阿海珐核能(Areva Nuclear)。因此，当英国石油和壳牌在欧盟以外的利益(我知道荷兰皇家壳牌的一部分是欧盟)时，欧盟的重量级人物可以决定前进的道路。