燃料电池改装飞机的最大航程(左)和能量强度(右)。
不同燃料选择的碳排放。
飞机航程的敏感性分析。
用氢燃料电池为飞机提供动力是一种潜在的航空零排放解决方案。虽然燃料电池还不能产生足够的动力来驱动窄体干线飞机，但它们已经可以为支线涡桨飞机提供足够的动力。2023年8月2日，国际清洁交通理事会（ICCT）发布了一篇氢能航空分析报告，该报告模拟了一架改进型的ATR-72涡桨支线飞机，采用氢燃料电池动力系统，并考虑了液氢和压缩气氢两种燃料存储方案。报告使用了400千米和700千米的飞行（大约是从纽约到华盛顿特区的距离）来模拟 ATR-72的任务。在此类航线上，一架燃料电池飞机的能源和碳排放强度较低，燃料成本稍高，并且每年可减少2500吨温室气体排放。
介绍
储氢罐的尺寸要求其必须可安置在机身内部（减少载客量）。每一排拆掉的座位都被替换成两个垂直叠放的圆柱形储氢罐。携带更多的氢燃料可以增加飞机的最大航程，但会减少飞机的载客量。该研究模拟了42座到70座的不同改装方案，下图展示了载客量、最大航程和能量强度之间的平衡关系，比较了ATR-72和Dash-8 Q300两个飞机平台。虽然燃料电池改装飞机的有效载荷和航程无法与化石燃料飞机相比，但它们更加节能，单位乘客千米所需的能量更少（能量强度，MJ/ASK）。另外，使用液氢代替压缩气氢可以增加飞机的航程，但会降低能量强度。
将飞机的有效载荷与航程和2019年正在运营的涡桨支线飞机航线进行比较，可以看出50座的压缩气氢飞机和58座的液氢飞机分别可以覆盖14%和16%的涡桨支线飞机运量（乘客千米，ASK），约占商用航空全球总运量的0.1%。虽然它们不能搭载ATR-72所能搭载的全部78名乘客，但这两种氢动力飞机的航程已经超过了2019年ATR-72执飞航线的90%。该研究使用400千米和700千米的飞行来模拟ATR72的真实使用情况，这分别是纽约到华盛顿和柏林到布鲁塞尔的距离。这两条航线分别代表了ATR-72所有航线的中位数距离和包括90%航班数的距离。
假设一架ATR-72每年300天每天运行4次400千米的航班，并使用燃料电池推进和绿色氢燃料，每年可减少2500吨温室气体排放，其中包括了制造燃料电池的碳排放。
该研究量化了使用气氢和液氢的ATR-72的碳排放和成本，以及使用航空煤油（JET-A）和合成燃料的ATR-72的碳排放和成本。该研究还包括了生产燃料电池和储氢装置的全生命周期排放和成本。使用绿色液氢的燃料电池飞机与常规燃料飞机相比碳排放降低了88%，与合成燃料相比碳排放降低35%。
虽然在大多数情况下，绿氢可能比航空煤油更昂贵，但燃料电池推进系统效率的提高将使2030年美国使用氢燃料的溢价降29%~40%，并使2050年美国绿氢燃料的使用成本比化石燃料更低。欧洲的氢燃料生产成本将更高，2030年使用绿氢的溢价将在100%左右，到2050年将降至50%。在所有情况下，绿氢都比合成燃料便宜。
综上所述，采用储氢罐和燃料电池推进的涡桨支线飞机更节能，碳排放更少，但燃料成本更高，有效载荷和航程更低。
飞机平台
ATR-72是该研究的参考飞机。ATR-72承担了39%的涡桨飞机运力，虽然这架飞机可以搭载78名乘客飞行1370千米，但2019年最常见的乘客容量是70人，90%的航线都在700千米以下。
燃料电池的改装必然会降低飞机的载客量，因为氢必须储存在机身中。该研究同时包括了Dash-8 Q300的性能，根据该研究的建模，Dash-8 Q300可以搭载56名乘客飞行1650千米。由于欧盟航空安全局(EASA)正在考虑修改相关规定，该研究中液氢燃料飞机的性能数据与之前的分析不同，储备要求更小（仅有5分钟的闲置时间，而不是之前分析中的45分钟闲置时间)。
任务仿真
飞机气动分析和任务仿真将使用SUAVE进行，这是一个用于概念机设计和优化的开源仿真软件。SUAVE可以模拟氢燃料电池飞机。在各种任务中，将燃料电池改进型飞机的性能与原来的飞机进行比较。然后将这些飞机在400千米和700千米航程的任务中进行比较，这些任务代表了现实世界的大多数使用情况。2019年，ATR-72在全球航班的中位数距离为364千米，90%的飞行距离都小于700千米。
燃料分析
该研究比较了在燃料电池飞机上使用绿色液氢和气氢燃料的成本和碳排放，与航空煤油和合成燃料作了对比。JET-A是主流的商用航空煤油，合成燃料是一种航空煤油的替代品。一般来说，合成燃料在全生命周期内的碳排放量比JET-A低。绿氢是指使用100%的可再生电力进行电解水生产的氢燃料。合成燃料和绿氢都需要使用额外的可再生能源来生产，以尽量减少其碳排放。可再生意味着发电过程不排放碳（例如当太阳能或风能发电)。
碳排放强度
碳排放强度计算使用甲烷和一氧化二氮在过去100年的全球变暖影响值将其转换为二氧化碳单位。该研究没有估计NOx、黑碳、水蒸气或尾迹/卷云等短期气候污染物对气候变暖的影响。但考虑了燃料的全生命周期影响，包括基础设施建设、储能或燃料电池装置生产相关的碳排放。
该研究使用了联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）的风能和太阳能发电碳排放数据作为可再生能源的碳排放依据，碳排放强度为29g CO2/kWh，该值包括与能源生产设施(即风力涡轮机和光伏电池)的建设和安装相关的排放。可再生电力的碳排放强度，以及生产每种燃料的能量转换效率，可用于计算液氢、气氢和合成燃料的碳排放强度。生产氢气的效率为70%，将氢气压缩到700 Bar所需的能量为6kWh/kg，则气氢的能量转换效率为62%。液化需要12kWh/kg，则液氢的能量转换效率为56%。气氢也是合成燃料生产的一种原料，或者使用碳捕捉、费托合成等其他工艺。合成燃料生产的整体能源效率从46%到51%不等，该研究使用51%作为能源效率。可再生能源的碳强度除以各种燃料的能量转换效率来计算每种燃料的碳强度。该研究采用国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA）中JET-A的碳排放强度值89CO2/MJ。根据该研究对飞机能量强度的分析，燃料的碳排放强度（g/MJ）乘以飞机的能量强度（MJ/ASK），便可以通过单位乘客千米（ASK）将飞机碳排放强度标准化。
燃料成本
对于燃料价格分析，该研究分析了美国和欧盟（EU）在2030年和2050年的预期成本，这两个地区可能是氢燃料电池飞机的早期市场。到2030年，燃料电池飞机可能会投入商业使用。
绿氢的使用成本分为三个部分:1.制氢成本；2.液化或压缩氢气成本；3.加氢站成本。该研究将氢燃料的成本与JET-A航空煤油和合成燃料的成本进行了对比。由于市场波动很难预测航空煤油的未来价格，根据国际航空运输协会IATA 2023年航空燃料价格监测，JET-A在2022年12月的价格高于美国能源情报署在2030年和2050年的预测价格。该研究使用IATA 2022年12月的价格。合成燃料的成本取自之前的ICCT研究报告。由于JET-A和合成燃料具有不同于氢的比能量和能量密度，因此成本必须通过能量而不是质量或体积进行归一化。
在所有情况下，JET-A是最便宜的，其次是绿色气氢和绿色液氢，合成燃料一般是最昂贵的选择。预计在2030~2050年期间，所有非化石燃料的价格都将下降。一旦飞机性能被量化，燃料价格（＄/MJ）乘以飞机的能量强度(MJ/ASK)，便可以通过单位乘客千米（ASK）将燃料成本标准化。
分析结果
本节介绍该研究的主要结果。除敏感性分析外，所有结果都是使用前面介绍的参数的中间值生成的。首先，该研究确定了搭载不同数量氢燃料和乘客飞机的最大航程和运输效率，将有效载荷和航程分析结果与2019年的涡桨支线飞机航班进行比较，以确定碳排放最小的氢燃料—乘客配置。然后，将使用气氢和液氢为燃料电池飞机提供动力的碳排放强度和成本与使用JET-A航空煤油和合成燃料的原始ATR-72飞机进行了比较。最后，该研究评估了燃料电池改装飞机对各种参数的敏感性。
航程与载荷分析
增加燃料电池飞机的座位容量会降低最大航程，同时降低飞机的能量强度，收益也会递减。
燃料电池飞机的能耗会更低，因为与电动机配对的燃料电池可以比涡轮螺旋桨发动机更有效地转换能量。涡轮螺旋桨发动机的热力学效率通常在25%~35%之间，而燃料电池飞机可以实现44%的能量转换效率。对于基本相同的有效载荷，燃料电池飞机预计会比化石燃料飞机更有效率，但航程会少一些。下表给出了每种情景下以及使用两种氢燃料时，燃料电池飞机可以覆盖的现有涡桨支线飞机航线份额，包括运力和航线航程。
性能分析
在确定了燃料电池飞机的载荷-储氢配置后，改装后飞机的性能可以直接与原始ATR-72进行比较。该研究使用了气氢和液氢燃料飞机的最佳配置(分别为50座型和58座型)，同时包括了在以前的研究中建模的液氢涡轮螺旋桨飞机的性能比较。下表给出了不同飞机的最大航程模拟结果。如前所述，燃料电池改装飞机的有效载荷和航程更低，但也更加节能。
燃料分析
ATR-72在每年300天内每天执行4次400千米飞行（两次往返），航班满载78名乘客，相当于每年3740万ASK的运量。在碳排放强度为76.1g CO2/ASK的情况下，ATR-72在一年的运行中将排放2850吨二氧化碳。而同样运量下的氢燃料电池飞机将只排放325~362吨的二氧化碳，碳排放减少了88%。
不同飞机的碳排放强度为了比较燃料成本，该研究考虑了美国和欧洲两个地区，以及2030年和2050年这个节点。由于燃料电池和储氢装置在飞机的使用寿命内必须多次更换，因此将燃料电池和储氢装置的成本纳入成本分析。氢燃料电池飞机的更高运输效率缩小了与JET-A航空煤油的价格差距，使氢燃料可以在2050年成为美国的更便宜选择。在单位乘客千米（ASK）的基础上，液氢将比气氢燃料更便宜，因为液氢飞机的高效率将补偿生产液氢的高成本。合成燃料将是最昂贵的选择，根据年份和地区的不同，比氢燃料贵30%~50%。
敏感性分析
对氢燃料电池飞机的模型进行敏感性分析可以深入了解各项参数对飞机性能的影响程度。使用气氢燃料搭载50名乘客和使用液氢燃料搭载58名乘客的这两种飞机来说，燃料电池效率对飞机性能的影响最大，效率变化18%，航程变化近25%。对于气氢燃料飞机，考虑到可携带的氢气量的变化，存储压力将显著影响航程。氢气储存在300Bar（30Mpa），将比700Bar的航程减少近一半。由于研究的GI值较低，燃料储存系统的重量指数在氢气情况下比液氢情况下具有更大的影响。燃料电池比功率会适度影响两架飞机的性能，电动机参数和燃料电池功率密度对两架飞机的航程影响较小。
除了表明哪些参数可以更好地预测飞行性能外，这种敏感性分析还可以作为优先改进哪些参数的参考。燃料电池效率的提高将对飞机航程产生巨大的影响，相比之下，提高燃料电池或电动机的功率密度对航程几乎没有影响。
结论
该报告分析了改装一架装有氢燃料电池推进系统的ATR-72飞机的性能，并与原始飞机性能进行了比较。量化了JET-A航空煤油、合成燃料、气氢燃料和液氢燃料为飞机加油的碳排放强度和成本。最后，对建模参数进行了敏感性分析。这一分析得出了6个关键结论如下：
●使用氢燃料电池改造ATR-72等涡桨支线飞机可以更加节能；
●使用绿氢为氢燃料电池飞机提供动力将减少90%的温室气体排放量；
●氢燃料电池推进系统效率的不断提高将持续降低绿氢燃料的使用成本
●使用液氢作为燃料将增加氢燃料电池飞机的有效载荷和航程；
●氢燃料电池飞机可满足15%到20%的涡桨支线飞机市场需求；
●提高氢燃料电池效率是提高飞机性能的最有效方法；
作为市场先行者，燃料电池改装飞机可以帮助机场发展氢能基础设施，提供一个初步的试验台，为发展更大、更清洁的氢能飞机做准备，从而使航空产业实现更进一步的脱碳。但由于燃料电池技术的现状和绿氢的高价格阻碍了它们的大规模应用，因此需要更大的政策支持力度。（纪宇晗）