邴元春/编译

随着全球航空业的不断发展，其产生的碳排放也逐渐增加。当前，全球航空业产生的碳排放量约占全球碳排放总量的2.5%。相关数据显示，未来20年，全球民航旅客年增长率将达3.7%，旅客量的增加将对环境产生更大影响。2022年10月，国际民航组织第41届大会确定了到2050年全球航空业实现二氧化碳净零碳排放的长期目标。为实现这一目标，航空业已采取多项措施减少碳排放，新能源飞机便是其中之一。

航空新能源是什么？

航空业的碳排放主要来自化石能源燃烧。为减少碳排放，主要可以使用3种能源替代传统航空燃料：可持续航空燃料（SAF）、氢能和电能。

可持续航空燃料：以废弃的动植物油脂、油料、使用过的食用油、城市生活垃圾和农林废弃物为原料生产，也可直接从空气中捕获二氧化碳合成。可持续航空燃料是目前已经用于商业航空的液体燃料，最高可减少80%的二氧化碳排放。可持续航空燃料之所以是“可持续的”，是因为其原料与粮食作物或水供应不存在竞争关系，也不增加资源使用，不会对环境产生影响。

氢能：氢以液体形式存在，每千克所含能量大约是煤油的2.5倍，在燃烧时只产生水蒸气，从环保和能源含量的角度来看潜力很大。氢能可用作传统发动机的推进燃料，也可用于电力燃料电池。

电能：电能储存在电池中或通过燃料电池产生，为飞机提供动力，分为全电动和混合动力。电池是全电动的唯一动力来源。混合动力则结合了内燃机与电动发动机的优点，可能是大型飞机应用全电动推进系统必要的中间步骤。

新能源飞机的类型

目前，几乎所有可用的可持续航空燃料都是链烷烃可持续航空燃料，不含芳烃等其他碳氢化合物。客机不能只使用纯链烷烃可持续航空燃料，需要与足够的传统航空燃料混合，使其化学成分符合飞机燃料质量标准。多家飞机制造商宣布，到2030年，其所有民用产品将与100%链烷烃可持续航空燃料兼容。

混合可持续航空燃料的成分和性质与传统航空燃料完全相同，不需要对飞机进行任何改装。美国材料与试验协会（ASTM）目前正在制定标准，使现有飞机能够使用100%混合合成燃料飞行，预计这项工作将在2024年前完成。

氢可通过两种方式为飞机提供动力：在燃料电池中产生电能驱动电动飞机，或在燃气轮机中燃烧，这与喷气燃料的燃烧方式一样。与大多数使用机翼储存燃料的飞机不同，氢动力飞机通常在机身内部设有氢燃料箱。

氢气已经开始分阶段在航空运输系统使用，首先是在非推进系统中的应用，如地面辅助设备，使用氢动力公交车、火车或出租车运送旅客往返机场。

电动飞机是以储能装置（蓄电池、燃料电池等）给电动机供电，驱动螺旋桨、涵道风扇或其他装置产生飞行动力的飞机。全电动飞机在运行期间的二氧化碳排放为零。翼身融合混合动力飞机最多可减少40%的二氧化碳排放。美国航空航天局（NASA）的研究显示，商用电动飞机可实现节能超过60%、减排超过90%、降噪超过65%。

电动垂直起降飞机（eVTOL）依赖更简单的动力装置，安全性更高，采购和运营成本大大降低。无论是全电动飞机还是混合动力飞机，与传统飞机相比，其噪声更小，对空气的污染更少，具有改变空中交通的潜力。城市空中交通（UAM）通过新兴运输工具开发低空空域，在人口稠密地区建立一个安全高效的空中运输系统，运输旅客或货物，其主要运输工具就是电动垂直起降飞机（eVTOL）。

新能源飞机的前世今生

2008年，英国维珍航空首次使用生物喷气燃料进行试飞。2016年3月，美联航成为首家在常规商业运营中使用可持续航空燃料的航空公司。2019年11月，全球使用可持续航空燃料的商业航班已超过25万架次，超过45家航空公司使用了可持续航空燃料。2023年，使用可持续航空燃料的航班已超过49万架次。可持续航空燃料价格较高，是普通航空煤油的3倍~8倍，目前供给量较少，2022年产量约3亿升。尽管航空公司与全球各地供应商签署了可持续航空燃料协议，但目前可持续航空燃料在全球航空燃料消耗量中的占比仍不足1%。

航空碳排放的17%以上来自966公里以内的短途飞行。据估计，所有4025公里以内的飞行都可以通过电能或由氢气提供动力，而这些飞行的碳排放占航空碳排放的一半以上。

尽管氢动力飞机研究已经开展了几十年，但在运送旅客方面尚未获得认证。

早期的测试包括美国在20世纪50年代进行的B-57B氢气试飞和20世纪80年代的TU-155飞行。此外，波音公司自本世纪前十年以来，使用氢燃料电池和内燃机进行了6次氢技术演示，包括载人和无人驾驶飞机。

2010年，空客公司开启了电气化之路，研发了全球首架全电动、四引擎特技飞机（Cricri）。此后，空客公司在飞行电气化方面取得了重大进展，先后研发了全电动双螺旋桨飞机（E-Fan）和电动飞机示范项目（Vahana和CityAirbus NextGen）。空客公司已宣布研发全新窄体氢动力飞机ZE—ROe项目。

德国罗兰贝格咨询公司是欧洲最大的战略管理咨询公司，该公司持续对飞机电力推进领域进行研究。根据该公司的研究报告，截至2021年，全球范围内超过一半的电动飞机项目是自2017年以来启动的。

美国垂直飞行协会（VFS）也关注到了电动飞机的发展热潮，自2016年底起编制世界电动垂直起降飞机（eVTOL）目录，于2017年正式发布。

新能源飞机的未来

根据国际航空运输协会（IATA）的预测，未来进行长途飞行和超长途飞行的飞机应完全或部分由可持续航空燃料提供动力，而氢气在不久的将来将应用于中短途飞行中，极短距离的通勤飞行可通过电池提供动力。

同样，根据国际航空运输协会的分析，到2050年，航空业65%的碳排放需要通过可持续航空燃料实现。因此，需要大幅增加可持续航空燃料产量。2025年，可持续航空燃料产量将达到50亿升。2030年，SAF年产量有望从2021年的1.25亿升增加到300亿升，达到生产和利用的转折点。2030年以后，可持续航空燃料产能将达到最大。

空客公司正在开发3种氢燃料零排放商用飞机，分别是涡轮螺旋桨飞机、涡扇设计飞机和翼身融合设计飞机，航程1000海里起，最高达到2000海里，最多搭载200人，预计将于2035年投入使用。到2040年，氢动力飞机在减少全球航空碳排放方面的影响仍将非常小。2050年左右，氢技术可能应用于长途航班。2060年和2070年可能发生变化，很大一部分飞机将由氢气提供动力。但要做到这一点，必须应对一些技术上的挑战，如大规模可获得性、提供适当的供应基础设施等。由于液氢燃料占据的空间约是煤油的4倍，对机身设计者来说也是一项挑战。

由混合动力推进的小型飞机（15座-20座）预计将在10年内投入使用，支线飞机将在本世纪30年代投入使用，自2040年起将推出载客量更大的飞机。2050年左右，电池技术可能成熟到足以为支线航班提供动力。在未来几十年内，电动垂直起降飞机（eVTOL）可能成为世界各地公共服务机构在消防、公共安全、搜救、救灾和执法等领域应用的重要工具。

（本文由中国民用航空局国际合作服务中心邴元春编译）