航空煤油的难题

到2050年，世界生产能源的方式将会大不相同。到那时，我们的大多数道路交通工具都可以使用电池。工业将或多或少地完全转向使用可再生能源。台积电为许多没有自己晶圆厂的公司生产芯片。去年夏天，该公司承诺，到本世纪中叶，其所有业务都将使用绿色能源，尽管每个晶圆厂的耗电量很容易达到100兆瓦。

从表面上看，飞行似乎也是同样的情况。英国航空业已承诺到2050年实现净零碳排放。但飞行是最难完全脱碳的领域之一。说到大型长途飞机，在2050年前没有人会看到零排放的飞机。对于许多航班来说，净零排放必须通过碳排放核算来实现，尽管电动飞行已经成为现实。你只要坐上一架飞不远的飞机就行了。

IDTechEx董事长彼得•哈洛普等分析人士认为，电动飞行的商业前景在短程服务方面非常诱人，可能不仅在短期内，而且在长期内都能击败最接近的竞争对手氢燃料。虽然电池的能量密度比满箱的煤油和发动机低得多，但电动飞行在性能方面有显著的优势。电动飞机可以提供高瞬时功率水平，这意味着快速爬升速度。这反过来又为扩大垂直起飞(VTOL)无人机的应用提供了可能，这种无人机可以充当空中出租车，虽然可能由计算机引导。哈洛普指出:“使用固定翼飞机，你不必急于摆脱飞行员的重量。

就在一年前，斯洛文尼亚Pipistrel公司的第一架电动固定翼双座飞机获得了欧盟航空安全局的飞行认证。到2021年初，该公司已经交付了100多架飞机，首先是瑞士飞行学校alpinaircraft，该学校在全国各地的10个地点安装了太阳能电池板，为它们充电。Bye Aerospace等其他公司希望很快加入Pipistrel的行列。虽然Bye公司正在等待其eFlyer 2和eFlyer 4的认证，但该公司相信它将是第一个获得美国联邦航空管理局(US Federal Aviation Administration)批准的产品，截至3月，该公司已经获得了700多份订单。

对这些飞机来说，电力带来的优势除了能够宣称低碳之外，哈洛普说:“训练飞行员或用作出租车服务时，每小时运行它的成本是今天同等水平飞机每小时成本的五分之一。”这对整个行业产生了非常破坏性的影响。”

虽然认证过程仍在研究中，但这些固定翼项目的开发成本是相对可承受的。Pipistrel公司的电动飞机是基于其现有的内燃机病毒的机体。哈洛普表示，Bye的成本也很低，他指出，该公司“是所有固定翼(电动)公司的一个例子:只需要电动垂直起降公司表示需要或已经筹集到的十分之一的投资就能将其推向市场”。

由埃因霍温理工大学(Eindhoven University of Technology)一名硕士生及其同事成立的猎鹰公司(Falcon)，计划对飞行学校使用的现有飞机进行电力牵引和电池改造，而不是开发全新的飞机。它的创始人Brandon van Schaik在由国际民用航空组织(ICAO)组织的低碳飞行研讨会上说:“由于它们通常只飞行很短的距离，你没有必要对新飞机进行优化。”

除了飞行员培训和娱乐飞行外，还需要进行优化。据美国宇航局格伦研究中心副主任Ajay Misra介绍，能量密度高达200Wh/kg的电池组(目前已经可以实现)可以轻松支持双座设计。目标是达到400Wh/kg, Misra和其他人认为这是电动VTOLs以及小型客运或通勤飞机的最佳水平。

挪威运营商Widerøe是Tecnam和劳斯莱斯联合项目的主要客户。该公司四分之三的航班在275公里以下，服务于散布在北欧国家的40多个机场。该项目的目标是在2026年之前交付一架9座的飞机，以满足怀德øe公司的需求，尽管它的航程可能低于现有机队的飞机。罗尔斯•罗伊斯电气公司客户业务总监马修•帕尔表示，小型螺旋桨飞机将有助于为电动产品的大规模生产做好准备，该发动机制造商预计电池将为搭载20名乘客的飞机提供动力。

哈洛普指出，日本的400个岛屿是电动飞机的一个重要市场。对于各地偏远的机场来说，使用可再生能源为飞机充电，而不是花费巨大的燃料飞行，将有助于促进电力的使用。

要想达到200Wh/kg以上，需要使用新型电池化学物质，比如金属锂和硫的组合。尽管由于金属锂的易燃性，电池制造商到目前为止一直避免在设计中使用金属锂，但通过用固体硫取代富含氧的液态电解质，未来的电池可能会被证明更安全。这进而可能为更容易获得飞行认证扫清道路，因为目前的主要障碍在于对电池安全的担忧。

“我认为，从长远来看，固态电池将是主流。由于没有液体，它们的易燃性风险很低，”Misra说，但由于很难找到公开的数据，目前还不清楚它们的使用寿命会有多长。

使用寿命很重要。虽然放弃燃烧可能会减少飞机的维护和服务成本，但电池动力飞行确实会产生巨大的持续成本，也会增加其环境足迹。根据最近的估计，制造一块电池每千瓦时可产生60到110千克二氧化碳，这取决于电池的产地和原材料的开采地。

电池需要更换，不是因为它们失去了太多的容量，而是因为它们不再能提供起飞所需的高功率水平，这可能是目前正在吸引风险投资的城市vtol更头疼的问题。到退役时，该电池的充电能力可能达到额定容量的80%。Pipistrel公司的首席技术官Tine Tomazic说:“电池可以而且必须被二次使用。”它们可能被转移到机场的固定系统或出售给电网稳定阵列。

对于较大的飞机，液体或液化燃料仍然是唯一的选择。这就是燃料电池和氢动力飞机进入市场的原因，但它远不及向更小的电池动力飞机转变的速度快。除了在电动动力系统方面的工作外，劳斯莱斯也有一个开发氢燃料发动机的计划，但认为在2035年之前不太可能推出，不过测试车辆可能在2015年前后就能升空。

空客零排放飞机副总裁格伦•卢埃林(Glenn Llewellyn)表示:“从中期来看，从2030年代开始，我们认为氢动力飞机在降低环境影响和成本方面都有巨大潜力。”他指出，政府对绿色氢气的政策支持将有助于提高成本。“一个重要的生态系统正在发展，这是我们在航空航天中定位氢时想要考虑的一个问题。”

去年，劳斯莱斯推出了三款氢燃料概念设计:一款可搭载100人的涡轮螺旋桨发动机;可容纳200人的窄体涡扇;以及更具未来感的混合翼机身。

与电动飞机一样，氢燃料也无法逃脱低航程的障碍。“在2050年之前，不太可能有用于长途飞行的氢燃料飞机，”活动组织运输与环境(Transport & Environment)电力与能源经理吉特•德科克(Geert Decock)表示。他补充说:“我们希望看到这一点，我们希望零排放飞机成为燃料规定的一部分。”但他强调，飞行中的氢气面临着重大问题。

氢的一个大问题是，是将其燃烧，还是将其直接注入燃料电池。这可能会克服小型飞机电池所面临的一些问题，尽管它们目前的电力输送很差。如果像HyPoint这样的初创公司能够提高瞬时功率输出，将有助于将燃料电池应用到VTOLs甚至更大的飞机上。

技术上最安全的选择，也是可能在未来40年里覆盖大部分乘客飞行公里的选择，是接受碳基燃料的存在。净零部分来自于通过碳核算来减轻其对环境的影响。第一步是国际民航组织的CORSIA制度，尽管它因潜在的漏洞而受到批评，但它标准化了航空公司计算碳补偿的方式。下一步是转向业内所谓的可持续航空燃料(SAF)，这是一种不来自化石来源的类似煤油的燃料。

世界经济论坛(World Economic Forum)全球机动性主管克里斯托弗•沃尔夫(Christoph Wolff)表示:“归根结底，对于长途航班来说，是SAF。”

与21世纪初的汽车工业一样，SAF的大部分早期工作都集中在生物燃料上:将生物燃料与传统煤油混合，为喷气发动机提供足够的动力。截至2019年年中，维珍航空使用的燃料包括由重组酵母发酵的丁醇，飞行了100万公里。

废物是ICAO认可的SAF原料清单中的另一种选择。初创企业Velocys在政府资助和英国航空公司的帮助下，在亨伯赛德(Humberside)建造的Altalto工厂就是一个很好的例子:该工厂每年能接收50万吨家庭垃圾，并将其转化为每年多达6000万升的航空燃料。

然而，生物燃料并不能解决大规模的SAF问题。航空业只占世界化石燃料总供应量的很小一部分，但即便如此，航空业对化石燃料的渴求也会轻易超过其产能。美国能源部(US Department of Energy)在去年秋季发布的一份有关SAF的报告中得出结论称，仅美国航班就需要该国全部可用的生物质。

答案似乎在于可再生能源。太阳能和风能提供了向另一个方向大规模扩展SAF的选择，这也将支持最终向氢燃料飞机的迁移。要制造SAF，首先要通过电解制造氢气，然后将氢气与一氧化碳“合成气”结合，而一氧化碳“合成气”则来自于从工业工厂或大气中捕获的二氧化碳。用这种方法转化二氧化碳比电解法耗能少得多。尽管工业二氧化碳看起来比直接捕获空气更具经济吸引力(因为空气中二氧化碳的浓度很低，直接捕获很难)，但这对生物质能也有类似的挑战:根本就不够用。所以，任何成本预测都需要考虑到直接捕获空气的费用。

SAF正在快速发展，但它是从一个很小的基础开始的。沃尔夫表示，到2025年，新加坡武装部队的能力可能会翻一番。即使到那时，大部分能源仍将以生物燃料为基础，因为绿色氢气生产才刚刚起步。

这种平衡可能会在本十年的后半段发生变化。沃尔夫认为，原则上，假设太阳能和风能资源丰富的智利的生产商实现了他们的目标，SAF使用绿色氢气生产的产品与生物燃料相比具有成本竞争力，成本约为每吨1000美元(705英镑)。然而，沃尔夫的预测显示，在那之后成本不会迅速下降，即使到2040年，基于从空气中捕获的绿色氢气和二氧化碳的生产可能也只会略低于生物燃料。电力衍生燃料的优势可能是在可持续性方面有更好的形象:生产生物燃料的作物将经常与生产粮食的作物竞争。

过快地将航空业纳入SAF也存在问题:这可能会分散人们对那些更能限制温室气体排放的活动的注意力。贝洛纳基金会副主任Keith Whiriskey估计，仅丹麦一国就需要25太瓦时的能源来合成足够的航空燃料，以满足本国的需求。这超过了该公司目前发电能力的三分之二。

从理论上讲，如果国家开始专注于减少航空排放，每年将节省约300万吨。如果丹麦所有的公路车辆都使用电池，那么每年只需消耗8太瓦时的电能，就可以节省650万吨二氧化碳，这是对电能转换为化学能并再转换回来的往返成本的认可。

“如果你看一下数据，就会发现这种增长令人难以置信。这是一项艰巨的任务，”沃尔夫说。

如果考虑到预期的增长，情况会变得更糟。尽管新冠肺炎大流行在曲线上造成了很大的扭曲，但预计未来几十年航空旅行仍将增长。专门生产合成燃料的初创企业Norsk e-Fuel的董事总经理卡尔•哈普特梅尔(Karl Hauptmeier)补充称:“如果我们希望在2005年的基础上实现50%的减排目标，我们要求到2050年80%的燃料都是可再生燃料。”

除非可再生能源产能的建设大幅增加，而赤道以南和赤道附近的许多国家只要有足够的资金，就可以从中获利，否则唯一的答案可能是抑制航空旅行的进一步增长。

如果没有这种构造，缓解措施可能会局限于更有效的化石煤油制造方法。氢在降低炼油过程中的碳足迹方面很有前途。

所有战略的重点都应该放在确保对环境的考量是合理的，但如何真正实现脱碳，既取决于根本的考量，也取决于经济激励措施和政府政策。