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我們將探討氫燃料為何如此有前景，以及航空業要實現其潛力所需克服的一些挑戰。
自從航空成為主流運輸模式以來，這個領域就成為文明進步的重要引擎 - 縮短距離、連結國家、帶來巨大的經濟成長與發展。
在 2021 年 10 月 4 日舉行的國際航空運輸協會第 77 屆年度大會上，國際航空運輸協會會員航空公司通過了一項決議，承諾在 2050 年前實現營運中的碳淨零排放。隨著這項承諾的實現，航空業將面臨史上最重大的重組，對飛機設計、燃料基礎設施、商業模式和實體基礎設施都會產生影響。作為一個世界，我們需要航空旅行的蓬勃發展，但所需的轉變將不同於我們以前所容許的。
所有這些變化都源自於需要改變飛機本身的動力供應方式。在飛機上儲存所需能源的解決方案中，有三種互補的方法正在崛起：所謂的可持續航空燃料 (SAF)、電池以及最近出現的氫。每種技術都有其獨特的優點和挑戰，這意味著沒有任何一種方法是航空業的靈丹妙藥，但每種方法都能在航空業不同領域的去碳化過程中發揮關鍵作用。
奧雅納是FlyZero委託英國近 50 家機構之一，為由 ATI 領導、英國政府支持的密集研究專案提供專業意見，以調查零碳排放商業飛行。FlyZero 的總結報告剛剛發表，指出氫 「是最可行的零碳排放燃料」。本文將探討氫能為何如此有前景，以及要實現其潛力所需克服的一些挑戰。
為何選擇氫能？
航空中的氫包括範圍廣泛且規模龐大的飛機，從搭載幾位乘客的區域航班，到一次旅程就能跨越大半個地球的洲際旅程。當業界在思考如何轉換傳統噴射燃料（煤油）時，物理限制和能量密度問題很快就出現了。
電池驅動的飛機可儲存電能，損耗極小，但目前電池的重量限制了其在更大容量/更長航程飛機上的應用 - 這與電動卡車面臨的挑戰類似，也是一家公司 JCB 希望將氫氣用於其重型廠房車輛的原因。
可持續航空燃料 (SAF) 可作為現有煤油的「即插即用」替代品，其優點在於不需要對航空公司和機場的基礎設施及運作進行大規模的變更。有些 SAF 是透過轉換廢棄產品 (例如城市垃圾或使用過的烹飪用油) 製成的。以這種方式製造的 SAF 實質上「再利用」了原本可能流失的碳，減少了航空業的碳足跡，但仍有淨碳輸出。雖然利用農作物製造 SAF 是一種「可再生」的過程，但仍會對環境造成影響，並且會與餵飽全球所需的資源競爭。直接從空氣中捕捉二氧化碳來製造 SAF，可以達到接近零的淨碳排放，但這需要綠色氫源來合成燃料，使其基本上成為零碳選擇。
這就需要將氫本身視為一種燃料。如果氫能直接用於飛機、噴射渦輪燃燒或供給燃料電池發電，那麼，只要使用可再生電力進行電解生產，其生產和使用過程中涉及的碳就很少。以這種方式製造的氫氣既環保又可持續發展。每公斤氫氣所含的能量約為飛機燃料的三倍，約為目前鋰離子電池的 200 倍。它的缺點是，儘管重量不大，但即使液化後，每單位能量所需的空間也是噴射燃料的四倍。(雖然如此，這仍然比目前的電池技術好 20 倍）。
很明顯，與傳統飛機設計相比，需要更多的實體空間，但空中巴士和 FlyZero 已經展示了概念飛機，可以涵蓋目前從區域到洲際的所有飛行範圍。其他公司也在努力將現有的小型飛機改裝成使用氫氣的技術示範。空中巴士相信其新型 ZEROe 飛機可於 2035 年投入使用。
那麼...問題解決了嗎？
生產挑戰
真正的挑戰在於如何擴大氫的生產規模，並且以符合環保目標的方式進行。據 FlyZero 估計，到 2050 年，僅英國航空業每年就需要 200 到 400 萬噸氫。最近，英國每年的氫產量僅為 70 萬噸（這主要是用於合成氨和化肥生產的灰氫，會向大氣中排放二氧化碳）。到 2050 年，全球航空業對氫的需求可能高達每年 7000 萬噸，巧合的是，這與全球最近的氫年產量差不多。
為了移除碳，氫必須由 「藍色 」途徑（將天然瓦斯轉換為氫，然後將產生的二氧化碳封存）或 「綠色 」途徑（使用低碳電力電解水，最好是來自太陽能或風力發電機等可再生資源）生產。在英國，風力發電在 2020 年達到 89 TWh。到 2050 年，僅英國航空業生產氫氣所需的能源，就需要大約兩倍於此的電力。當然，對可再生能源電力還有其他需求，這在國家電網的 「未來能源方案 」中也有所反映，例如，雖然這些方案反映了一系列不同的優先順序，但它們都有一個共同的假設，即到 2050 年，英國的風力發電將大幅增加 - 約 400 太瓦時到超過 525 太瓦時（即 2020 年水平的四到六倍）。因此，雖然航空業的轉型可能看起來很艱鉅，但我們必須從更大規模的全國轉型的角度來看，而這個轉型已經在進行中。
建立新的燃料工業
運輸系統與燃料工業或電力網路是一種相互依存的關係，幾乎是雞與蛋的關係。只有當燃料工業已經確定氫能的供應規模能夠支持航空公司的營運，並且能夠以具有競爭力的成本供應氫能時，航空公司才會訂購新的氫能飛機。
儘管這個障礙看似很高，但我們仍有理由感到樂觀。其他經濟領域已經開始實施氫動力解決方案 - 公共汽車、火車、卡車、家庭供暖 - 這些用戶產生的需求應有助於吸引氫產業的投資。奧雅納已經在幫助澳大利亞等國家制定國家戰略，以加快這個進程。
基礎設施和機場
除了開發新飛機和支援氫的生產能力之外，氫對機場的運送、儲存和分配也有影響。對於小型飛機以外的其他飛機，氫必須經過冷卻和液化，才能達到足夠的體積密度，以便在機上儲存。這是一項能源密集的專業製程，因此必須在可隨時使用再生能源電力的地點進行。製成的液化氫將由油槽車運送至機場。這對於較小的機場來說也許足夠，但隨著較大的機場對氫的需求增加，油罐車運送可能會變得不切實際。因此，我們可以看到氣態氫的管道輸送可以將大量能源運送到機場，但現場液化設施以及足夠的電力是必需的。
機場的液化氫儲存和配送方式會有所不同，從油罐車和加油車到安裝 「消防栓 」系統，類似於大型機場的噴氣燃料系統 - 雖然所需的工程和技術非常不同，反映出液化氫的特殊性質。
這些議題都必須納入機場的總體規劃，而且不能拖延。從現在開始考慮 25 年的資產使用期/規劃範圍。到 2047 年，氫飛機可能已經投入使用超過十年。因此，現在制定的資本計劃應該開始考慮氫燃料（和其他 「新 」燃料）。
政府領導、地緣政治問題
當您在考慮這種規模的產業轉型時，顯然需要國家和國際機構來塑造和激勵其發展。英國政府的目標是在 2030 年前建立 5 GW 的氫產能（如氫戰略中所述），這是一個良好的開始，儘管這只是建立中長期航空業所需產能的第一步，這與其他潛在的氫使用者所需的產能截然不同。
在採購氫的過程中，英國的政策制定者需要考慮兩個因素。首先，「藍色 」氫的生產成本可能會比 「綠色 」氫低，至少在短期和中期是這樣。其次，在資源豐富的地區（無論是可再生還是其他），海外氫的生產成本也會更低。很明顯，僅靠市場力量不一定能提供符合英國國家目標和利益的氫供應鏈類型。為了換取更高的能源安全性和真正的低碳認證，在當地生產綠色氫很可能需要支付一定的費用。目前碳氫化合物的價格如此之高，我們已經在支付這筆費用，但卻沒有獲得供應安全的好處。
作出承諾
英國首相已經宣佈，他將制定英國能源安全戰略，並認為氫是 「最具潛力 」的低碳燃料（雖然他似乎依賴 「藍色 」氫）。或許這是一個臨時的解決方案，但我們應該有雄心壯志，最終爭取 「綠色 」氫氣，為航空業創造一個清潔、可持續發展的未來。
標題圖片 © FlyZero 2022