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冉冉升起的氢燃料飞机(下)(科普.原创)

已有 488 次阅读 2024-2-26 09:48 |系统分类:科普集锦

沈海军

四、氢燃料飞机的技术瓶

氢能已注定与未来航空业发展密切关联,但以氢能为动力,实现航空领域的“绿色之旅”仍要面临诸多挑战。氢能技术产业链长、难点多,现有技术成果的经济性还不能满足氢能航空的商业化需求,亟需从氢能制备、储运、加注、燃料电池、氢储能系统等主要环节创新科技成果,突破产业规模、配套设施和市场环境等关键因素。

1)储存氢绝非易事

众所周知,氢气的质量能量密度为40kW·h/kg,几乎是柴油或汽油的三倍,但需要冷却至-253°C以保持液态。这给氢燃料飞机的储存和运输带来了不小的挑战。

首先是氢存储体积大。常温标准大气压下,氢气密度很小,同等能量下体积约是航空煤油的2750倍。为节省空间,通常采用272倍大气压对氢气进行增压储存,还可以选择在大气压下降温至零下253摄氏度使氢分子转化为液态。氢的体积能量密度是非常低的,这意味着即使在压缩或液化后,它也会占用很大的空间。相较于传统航空燃油,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。从系统复杂度而言,压缩氢气方案实施起来相对容易些,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,对于未来商用航班,液氢方案更加现实可行。

其次是安全储存难。无论采取哪种储氢方式,对密封性的要求都比传统燃油系统更复杂。这是由于氢分子远小于航空煤油,更容易从管路缝隙中逃逸;对于液氢储存,还必须考虑恒温条件的实现问题,否则升温气化后体积膨胀的氢有可能导致燃料箱内压强骤增而直接爆炸。航天领域的液氢储存系统相对比较简单,氢氧发动机火箭在起飞前才加注低温液氢,火箭发射一般只需要数分钟,而飞机飞行时间往往会持续数小时,必须寻求更为可靠的储存方式。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,高压储存应用最为广泛,通常采用气瓶作为容器。由于氢密度小、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。

现在,新型复合材料的发展为储氢环节提供了支持。相对于传统金属材料来说,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少其重量并增加有效容积。例如,一些国家研制的碳纤维复合材料燃料罐,同等容积下比现有最先进的航天低温罐减少了75%的重量。

 2)“绿氢”生产成本不低

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、投资少的优势。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,在这一过程中会出现CO2,但相对于传统制氢技术,所排放出的温室气体量较少。生物质制氢技术除了要求1000℃以上的高温以外,可以认为是理想的制氢技术。中国地大物博,可将城市生活垃圾和农林废弃物作为生物原料的来源,更加符合绿色环保、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,又能可实现规模化制氢,还能有效节约电力资源,但目前制氢成本较高,与煤制氢技术相比,经济性低。

目前,全球每年生产的7000万吨氢中,从石化燃料中提取,有CO2排放的“灰氢”工艺制得占96%。可再生能源电解制得的“绿氢”只有约1.4%的份额,“绿色”氢气的生产成本接近航空煤油的3倍,尚难以和传统化石能源制氢相比。若要用氢能完全替代传统石化燃料,达到真正的零排放,需要大幅增加“绿氢”,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。

3)氢能基础设施建设需要完善

氢能基础设施、设备的不完善也是严重制约其应用的关键环节。氢能相关动力试验设备及安全试验条件建设十分重要。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,将直接影响到氢能在航空业投入商业运营。根据目前研究,氢气可通过现有天然气管路网向机场输送,并在到达机场后进行液化处理。然而这种方式需要对现有管路的安全性进行全面评估,还需要考虑氢气的产地与机场之间的距离,因长距离输运带来的附加成本等问题。

配套设施,对于新型氢能动力飞机,其推进系统需要新的地面设施,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,世界开发者需要研究和解决在尽量短的时间内加注氢燃料、飞机的停场时间尽量短、确保加注过程的安全性和经济性等。氢能飞机的运行需要在规划初期就确定基础设施的建设。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基础设施及配套设施的重新搭建。

4)氢能动力系统是关键

目前研究能够实现零排放的氢推进技术包含氢涡轮发动机和燃料电池。对于前者而言,现有航空发动机结构并不适合燃氢,氢燃料燃烧时与氧发生化学反应迅速,燃烧温度更高、火焰传播速度更快,容易产生过量氮氧化物且容易发生回火现象,导致现有航空发动机燃烧室结构无法实现氢的稳定燃烧。燃料电池能直接将燃料和氧化剂中的化学能转化为电能,无须燃烧,具有极高的转化效率。但燃料电池目前还处在产业化前夕,尚未能全面商业化推广,其最大的障碍就是成本太高,催化剂、轻量化与长寿命等核心技术成为突破燃料电池应用的瓶颈。

此外,设备设施不完善也是严重制约氢能应用的关键因素。氢能作为一种未在航空业正式投入使用的新能源,相关氢能航空动力试验设备及安全试验条件建设相当匮乏,如果无法安全进行氢能源航空动力试验、低成本实现氢燃料的运输与储存,将会直接影响到氢能飞机的商业运营。

5)飞机设计理念的改变

为了使氢动力飞行真正变成现实,设计师们必须要对氢动力飞机的设计理念进行重大革新,这意味着从机体布局到发动机,再到燃料储存系统,几乎所有的部件都需要重新设计。氢燃料飞机如果仍由改进后的涡轮发动机提供动力,鉴于相对航空煤油,氢的体积能量密度降低,液氢或压缩氢气的体积是相同能量含量的煤油的3-5倍,就必须改变机舱布局、增加机体尺寸以加大氢燃料储存能力;除了更大之外,氢气罐还必须具有球形或圆柱形形状,以承受比煤油更高的压力。传统机翼油箱无法采用,需要引入革命性机体设计思路,如翼身融合结构或分布式氢燃料电池推进系统。这些都会带来飞机气动外形的变化。

氢电池飞机除了储能方面的考虑外,还要整合电动机、电力电子设备等分布式推进系统,传统飞机的管状和翼状组合结构更会被彻底取代。另外,液态氢的储存需要极低的外界温度,冷却所需的能量甚至相当于燃料自身能量的45%,不但导致了复杂而沉重的隔热壳体设计,从储存到输运的过程中也不可避免地伴随着巨大的能量损失。显然,为了充分发挥液氢的高能量密度,必须在轻量化储罐推进低温冷却系统设计方面取得重大进展。

同时,氢在高浓度下,容易被极小的火花或空气中的多种混合物引发燃烧,泄漏时很难被检测等特点,这些都给飞行安全带来了严重隐患,同时也给飞机设计提出了新的挑战。

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《百科知识》杂志约稿



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