氫可能成為飛機的下一種燃料?

作者 : Bill Schweber,資深技術編輯

如果由氫和燃料電池為載客飛機提供動力真的成為現實,那麼需要哪些技術的進步?技術又需要進步到何種程度?它會是很多大大小小的技術進步累積起來呢?或者會有現在還未知的更大技術突破?

如同許多交通運輸相關領域一樣,航空產業也在追求「綠色環保」,以及減少使用傳統的碳氫化合物燃料。無論人們對這一目標抱持何種態度,也不管其根本原因是什麼,要實現這一目標都會面臨真正的挑戰,因為「功率/重量比」對於飛機和火箭來說至關重要,特別是相對於地面或水上運輸而言也更重要得多。因此,我們看到了許多有關電動飛機的消息,從個人通勤飛機、多人座小飛機甚至更大型的飛機等。

從工程角度來看,這存在兩個基本問題。首先,假設使用電動馬達,在飛機上如何儲存和攜帶電能?大多數人首先可能會提議電池,但電池的數量是一項挑戰。第二個問題是,為電池充電的能量要從哪裡來?這個問題留待以後討論。

13可以看出,第一個值得關注的是從重量和容量的角度來考慮燃料的能量密度。這裡有表格、圖表等,但是由於範圍和度量單位不同,很難對其進行比較。儘管如此,還是可以透過這些圖表對先進的電池化學、碳氫化合物和氫有一個整體的瞭解。值得注意的是,氫的密度遠超過其他燃料。

1:主要的能源燃料比較。(圖片來源:The Geography of Transport Systems

2:比較幾種電池的體積與重量能量密度。(圖片來源:Epec LLC

3:不同運輸燃料的能量密度比較。(圖片來源:U.S. Energy Information Administration

你可能聽說過韓國斗山創新(Doosan Mobility Innovation;DMI)公司的氫動力無人機,使用了小型客製燃料罐和專有燃料電池以及Vicor的標準直流(DC/DC)轉換器(4)。相較於尺寸和重量相當的電池供電無人機,這種商用無人機的飛行時間據稱更高出數倍。

4DMI無人機的氫燃料電池電源子系統,其飛行距離和飛行時間遠遠超過以電池供電的同類裝置。(圖片來源:Doosan Mobility Innovation

工程師和製程專家都知道,設計小型原型機或模型是一回事,等到要將其製成可商用的尺寸則是另一回事。例如,在電池化學領域中,很多看起來具有發展前景的產品設計,從未成功地從試驗廠進入全面生產,就是因為出現了很多棘手的問題無法解決,成本也呈指數級增加。

將氫視為燃料也可能是這種情況。比起目前最好的鋰電池,氫燃料電池看起來似乎是更佳選擇,事實上答案並不肯定,因為僅靠燃料能量密度資訊,並不足以證明能源選擇的可行性,尤其是在更大規模的應用中。燃料的儲存、原始能源到可用能源的轉換、然後為飛機提供能源(可以是電能,但並非必須),這些程序都還存在問題。

《今日物理》(Physics Today)期刊最近發表了一篇題​​為「氫動力飛機可望升空」(Hydrogen-powered aircraft may be getting a lift)的文章,討論了將氫作為「夢寐以求」的高密度燃料時所涉及的一連串問題,例如考慮儲存槽的重量和尺寸因素以及儲藏和使用氫所需的其他子系統之後,其淨能量密度如何等等。文中還指出,氫能夠以兩種方式使用:燃燒或用於燃料電池中。

如同許多商用客機中使用的噴氣引擎一樣,現在的燃氣渦輪噴氣引擎只需一些小小的改動就可以燃燒氫。美國太空總署(NASA)資助的伊利諾大學厄巴那-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)航空器高效電氣技術中心(Center for High-Efficiency Electrical Technologies for Aircraft;CHEETA)主任Phillip Ansell說:「你甚至可以直接將氫氣注入當今的引擎中。」

另一方法是在飛機的燃料電池中使用氫,這種方法已經使用了數十年——如「阿波羅」(Apollo)登月計畫,無論是技術、燃料電池材料,還是其管理和輸出電能轉換,都取得了重大進展。

對於大型飛機來說,氫一開始似乎很有吸引力,如果不僅僅考慮原始燃料本身,而是綜合考慮包括燃料系統及其驅動的引擎和馬達等各種因素時,碳氫化合物燃料的功率/重量比很難超越。

如果由氫和燃料電池為載客飛機(無論是計程飛機還是大型客運飛機)提供動力真的成為現實(這裡必須特別強調是「如果」),那麼,人們一定想知道需要哪些技術的進步,以及技術需要進步到何種程度。會不會是很多大大小小的技術進步累積起來呢?或者會有現在還未知的更大技術突破?根據歷史經驗告訴我們,可能是其一,也可能二者皆有。

儘管氫作為未來的清潔燃料儲量豐富且無處不在,但諷刺的是,提取氫加以利用卻並非易事。例如,一項在沙烏地阿拉伯(Saudi Arabia)的計劃將建立一座耗資超過50億美元的製氫廠,白天使用日光、晚上使用風力進行「綠色」生產。建設目前尚未開始,但目標是在2025年之前讓製氫廠投入營運,每天生產650噸氫,可望較目前位於魁北克(Quebec)的最大綠色製氫廠(產能約9噸/天),高出大約一個半的數量級。相關報導請參考《華爾街日報》(The Wall Street Journal)Green Hydrogen Plant in Saudi Desert Aims to Amp Up Clean Power”一文。

您對飛機上使用氫、燃料電池和電力推進系統有什麼看法?地面車輛和小型無人機使用氫的經驗是否適用於飛機,適用到什麼程度?或者,對於商用飛機而言,氫燃料只不過是「癡人說夢」?

(參考原文:Is hydrogen the next aircraft fuel?,by John Dunn)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年5月號雜誌

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