为什么明天的飞机将是混合动力车

 
自20世纪50年代以来，航空航天在提高发动机的功率和效率方面取得了令人难以置信的进步。然而，最近的研究表明，发动机技术可能接近其在合理投资下从碳基燃料中提取的能量的热力学限制。这意味着更多的旅行和更多的飞机将导致更多的燃料使用和更多的温室气体排放，除非找到合适的化石燃料替代品。
今天，全球航空业占二氧化碳总排放量的2.4%，占运输业释放的温室气体的12%左右。但随着航空旅行需求的增长，特别是在亚洲，需要增加更多的运力，预计这些百分比将会增加。到2028年，收入客公里数预计将增加60%以上，达到12万亿，全球机队的规模将扩大43%，超过39,000架飞机。到2050年，国际民用航空组织(ICAO)预测航空排放量可能增加300%以上。考虑到其他碳排放行业(如发电)的努力，如果没有做出有意义的努力摆脱化石燃料，它的全球温室气体排放量也可能上升。
由于排放问题的完全解决方案 – 完全由化石燃料以外的其他东西驱动的商用喷气式飞机 – 可能需要几十年的时间，因此一些开创性的航空航天公司正在借鉴汽车行业的创意并创造混合动力汽车。正如他们为汽车所做的那样，这些部分内燃和部分电动的推进系统可以代表减少排放和化石燃料消耗的临时战略，直到完全可持续的电动或氢动力飞机在商业上发展。鉴于越来越多的证据表明气候变化的步伐正在加速，航空业再也不能再等20年来解决其排放问题。
虽然混合动力汽车不像全电动汽车那样减少排放，但与汽油动力汽车相比，它们几乎减少了一半。对于航空而言，混合动力车仍然意味着克服许多工程挑战，并且需要获得监管机构的批准，但这种替代方案可能比全电动客机更早实现。
对交通电气化的研究是全球通过减少温室气体排放来避免大规模干旱和海平面上升的努力的一部分。全球碳项目的一份报告显示，虽然每个国家和行业都承诺尽其所能，去年二氧化碳排放量继续上升2.7%。国际航空运输协会的数据显示，自2013年以来，航空排放量增加了26%。由于压力至少可以稳定局势，航空业需要在未来几年立即提出解决方案，否则将面临联合国赞助的协议下的处罚称为国际航空碳抵消和减少计划，要求航空公司将排放限制在2020年的水平。
航空的排放量将在飞机推进系统没有实质性变化的情况下上升
航空器的排放量将在飞机IEA / OLIVER WYMAN的推进系统没有实质性变化的情况下上升
虽然预计到2040年电动汽车和轻型汽车将占据汽车销量的主导地位，但衡量实际排放和燃油效率的全球测试和数据专家Emissions Analytics认为，短期内推广混合动力汽车实际上可能更有效。从长远来看减少排放。鉴于航空运输的完全电气化难以证实，为什么航空业不会如此?
代表了行业向更低排放的阶跃变化，混合动力由传统的煤油燃料涡轮发动机和使用存储在电池中或由氢燃料电池生产的“清洁”电力的电动机提供动力。这种双重技术的推进系统可以在飞行的各个阶段使用，除了降低排放外，它还可能降低飞机的喷气燃料消耗量 – 这是航空公司的第二大运营成本。
解决问题
至少有一次小规模尝试将一些发动机功能分配给电动机已经取得了成功，但不利的经济因素阻止了它被采用。 2016年，赛峰登陆系统和霍尼韦尔放弃了一种电动滑行系统，该系统可以减少排放和燃料使用，特别是对于专注于频繁，短途飞行的航空公司而言，因为低油价使得该系统对航空公司的吸引力降低。
还有小型混合动力飞机的试飞。以下是一些例子：斯图加特大学的e-Genius飞机使用相对复杂的推进系统在阿尔卑斯山上进行了至少两次成功飞行，该推进系统包括电动机，电池，发电机和内燃机。同样，钻石飞机工业公司和西门子公司去年年底宣布了多引擎混合动力电动飞机的首次飞行。
更加雄心勃勃的混合实验正在进行中。最近，SAS和空中客车宣布合作开发一种用于大规模商业用途的混合动力电动飞机。 6月下旬的巴黎航空展上，空中客车公司，赛峰集团，Daher公司和以色列创业公司Eviation公布了混合动力项目。劳斯莱斯还宣布有意收购西门子在Le Bourget的eAircraft业务，这是对电力未来日益增长的承诺的另一个迹象。
电池与燃料电池
即使使用混合动力车，也可以选择使用锂离子电池，现在常用于电动汽车和智能手机，或氢燃料电池。每个都有它的优点，每个都有它的缺点。
根据现有技术，电池面临的最大障碍是为运行商用客机提供足够动力所需的尺寸。一个问题：与目前的基于煤油的喷气燃料相比，锂离子电池每单位质量的能量密度相对较低。当然，在混合动力车中，该缺点被电池正由传统内燃机支撑的事实所抵消。
如果要在飞行之间通常只有30分钟的飞机上使用，还需要下一代电池来改善充电时间。尽管快速充电选择一直受到电动汽车的青睐，但研究人员仍在尝试开发电池交换功能，尽管该技术早期存在问题。特斯拉正在悄悄地继续测试它，中国电动汽车制造商Nio也是支持者。如果汽车的电池更换成功 – 需要克服一些经济和环境问题 – 它将允许在填充化石燃料动力汽车所需的时间内用完全充电的电池代替电池耗尽。它还将消除飞机使用电池的一个障碍。
锂离子电池还有其他缺点，例如中国控制着全球电池容量的61%。中国也是第三大原材料 – 锂 – 通常被称为白色石油，因为它具有越来越重要的经济意义 – 并且一直在购买第二大生产国智利的储备。
氢能
氢燃料电池是另一种正在研究的替代方案。作为地球上含量最丰富的元素，氢气每单位质量的能量密度高于基于煤油的喷气燃料或电池 – 每公斤约33,300瓦特小时，传统喷气燃料为11,900瓦特，电池只有几百瓦特。从阿波罗通过航天飞机，美国每个载人航天飞机都使用氢燃料电池。
三年前，HY4–仅使用由氢燃料电池驱动的电动机的四座轿车 – 成功从德国斯图加特机场起飞，在空中停留了10分钟。在新加坡，世界上第一架区域氢电客机于2018年10月亮相。尽管该行业的许多人都认为这是令人向往的，但据报道该公司已收到地区航空公司的询问。
在这些电池中，氢和氧以电化学方式结合以产生电。它们唯一的副产品是热量和水蒸气。但今天，大多数氢是通过将天然气与天然气分离而产生的，然后天然气产生甲烷，这是另一种温室气体。氢也可以由水生产，但该方法相对昂贵。最后，燃料电池技术总体上是昂贵的 – 另一个缺点。
许多航空航天业高管私下讨论液态氢作为飞机潜在的最终目标，仿效美国国家航空航天局(NASA)几十年来用于为其火箭提供动力的推进设计。最近，美国宇航局资助了伊利诺伊大学的一项计划，旨在开发一种使用低温液态氢作为储能方法的全电动飞机平台。但几年来，该机构也一直在研究氢混合动力飞机的发展。
显然，必须做更多的事情，混合战略的最大好处之一就是它可以在创造一种根本不使用化石燃料的新型飞行机器所需的时间内购买航空航天工业。鉴于绝对必须减少排放，专注于增量解决方案的行业混合战略提出了在近期减少排放方面取得实际进展的前景，即使航空旅行继续扩大。
Oliver Wyman在亚特兰大的CAVOK部门担任副总裁的Dave Marcontell和Tom Cooper对本文提出了深刻的见解。