王翔宇丨垂直飞行协会《联合氢能机场》白皮书解读

本文转载自“民机战略观察”公众号，原文请点击“原文链接”。该白皮书全文下载：https://vtol.org/download.cfm?downloadfile=FDA0AB2D-B06C-15F1-5AD5823F326F5CDE&typename=dmFile&fieldname=filename。

2022年12月，国际垂直飞行协会（VFS）发布白皮书《联合氢能机场》（Multimodal Hydrogen Airport Hub，以下简称“白皮书”）。白皮书由VFS下属的航空氢能小组（H2-Aero Team）联合来自空客、贝尔德事隆、ZeroAvia、ZEV Station等公司专家，结合氢燃料电池协会（FCHEA）、美国国家可再生能源实验室（NREL）部分研究成果共同编制。

国际垂直飞行协会（VFS）发布的《联合氢能机场》白皮书

白皮书共八章，分别从目标和范畴、现状和背景、政策支持、标准规范、氢燃料安全性、氢燃料的航空应用、演示验证以及运行场景展开论述，提出了一套以机场为主要站点，可为氢燃料飞机、公路运输车辆和机场作业车辆提供加氢服务的系统，阐述了其目的和意义、运行原理以及发展路线，分析了所需资源和政策支持，提出了相关演示实验，最后呼吁社会各界协作发展基于氢能的航空和交通综合运输体系。

白皮书主要内容

白皮书开篇阐明了其发布目的是联合和协调工业界、政界、学术界共同发展氢能飞机，降低航空碳排放，促进政企合作；提出了先开展小规模演示验证、后大规模升级或建设氢能机场的发展思路；强调和呼吁了社会各界在设施通用性、系统安全性、方案可扩展性上应努力取得共识，获得资金和政策支持，最终构建和发展联合氢能机场，支撑氢能飞机和氢能交通发展。

白皮书讨论了在美国发展联合氢能机场的优势和现有条件。VFS氢能小组认为，仅通过航空可持续燃料（SAF）不足以使美国航空业在2050年前达到净零排放目标，必须发展其他类型能源，而氢燃料相比于SAF具有3方面重要优势：

更加绿色环保。

与SAF不同，氢的燃烧不产生碳排放或含氮污染产物

对水资源消耗少。

基于石油的传统航空燃料（CAF）、SAF、氢气的生产周期用水量分别为0.217、0.523、0.117升/千焦，美国加州南部已在运行的加氢站甚至处于供水量大于需求的状态

经济性更好。

液氢的能量成本约为0.016美元/千焦，而采用e-fuel方法制造的SAF则是0.057美元/千焦。此外，氢气还可在海水淡化或废水处理过程中附带获得

氢能源和SAF燃料能量成本估计

现有条件方面，氢能源已广泛用于工业并安全运行数十年，主要应用于提炼汽油以及为多类地面车辆（如燃料电池叉车、轻/重型卡车等）提供能源，从1990年代末起，氢燃料电池小型车和巴士也开始安全地执行载客任务；当前全美共有50座为轻型货运车辆提供氢燃料的加氢站，主要分布在加州，未来10年内，该数字有望增长至1000。

白皮书概括了当前国际组织和美国联邦政府针对氢能航空已发布的政策，例如，国际航空运输协会（IATA）于2021年10月4日发起NetZero运动，宣布2050年前达到净零碳排放的目标；联合国世界民航组织（ICAO）实施“国际航空业碳补偿和降低计划”（CORSIA），参与国购买碳信用（carbon credits）来补偿其增长的碳排放；美国也于近期制定“膨胀减缓行动”（Inflation Reduction Act），降低了氢能源的经济成本。白皮书系统性地梳理了政府机构和行业协会在氢能源航空管理上的现状或分工，并给出针对性建议。

白皮书对美国其他政府机构的分析和建议

白皮书梳理了当前世界范围内已制定的、且涉及航空氢燃料的标准规范，识别其中的空白和不足，并建议更新NFPA 407文件以更加聚焦机场环境、更新加氢系统和航空站的运行标准、制定氢能安全标准，明确加氢作业的安全作业距离标准等。

现有涉及氢燃料的标准规范

白皮书引用多个研究报告指出，氢燃料安全性并不低于现在使用的燃料，并给出了一般的加氢系统组成部分和原理示意图，同时提出加强公众科普教育应关注的3个重点方面。此外，围绕电动垂直起降飞机（eVTOL）、电动常规起降飞机（eCTOL）、电动直升机（eRotor）、浮空器（LTA），讨论并梳理其各自对氢燃料容量、加氢速度、加氢环境和设施要求等，给出了高度概括的示意图。

一般的加氢系统组成部分和原理示意图

白皮书建议从3方面加强对公众普及氢能源的安全性知识

不同类型飞行器对氢燃料系统要求定性示意图

为演示验证联合氢能机场，白皮书提出了2种演示验证的思路，即“政企合作”演示和“沙盒测试”演示。“政企合作”演示要求政府机构、机场、氢能航空各相关企业开展合作，在实际的机场柏油路环境下为多种类型的飞机探索加氢方式，并开展演示验证。“沙盒”（sandbox）是指孤立的测试环境，目的是以可控的风险对新技术进行演示验证，白皮书建议开展的“沙盒测试”演示，从装备和作业两方面收集结果，以寻找最佳实践方案。白皮书详细设计了两种演示所需的参与方及其各自职责，并分别列举了落地开展的具体选址建议。

白皮书提出的“政企合作”演示场景示意图

最后，白皮书正式提出和定义标题中的“联合氢能机场”（Multimodal Hydrogen Airport Hub，MHAH）为：以机场为中心，同时为地面车辆（即GV，包括小汽车、卡车、公交车）、地面作业装备（即GSE，包括拖车、燃料运输车、叉车）和飞行器（包括eV/CTOL、直升机等）成规模地提供氢燃料的综合型场地，具备模块化、可扩展特性特点，可逐步满足GSE、GV和飞行器的加氢需求，规模由小至大。

白皮书提出的联合氢能机场（MHAH）

白皮书以将美国长滩机场发展为MHAH为例，对其能为各类载具提供的氢燃料做出估计。

若将长滩机场升级为联合氢能机场，其对不同交通载具提供氢燃料应具备的能力

接着，白皮书估算制造此规模氢燃料对绿色发电的需求，再与实际供给能力比较，分析供需平衡。通过分析，白皮书认为，对于美国的出租车和公交车而言，现有较为标准化的加氢站（HRS）可能已经够用；然而对于飞机和直升机，短期内需要移动式的加氢设备，并且部署在离飞机较近的场所，该场所内需能够进行一定的氢气压缩、冷却等操作，长期内可能需要管道直接输送氢燃料。由此，白皮书提出了3种为MHAH输送氢燃料并储存的方案，即直配、送气和送电方案，并详细拆解分析了每种方案最适合的氢需求量、机场规模等。

白皮书提出3种为MHAH输送氢燃料并储存的方案：直配、送气、送电（从上至下）

总结

白皮书提出，以机场为中心发展联合氢能机场（MHAH），依托地面车辆对加氢的需求，从轻到重、从外到内、从地到空地发展出经济规模，形成氢能机场网络，最终解决氢能飞机的补能问题。这需要工业界和政府持续资金支持，并保持为整个运输业减排的决心。白皮书期望将氢能发展成机场使用的主要燃料，呼吁社会各界共同制定氢能发展战略和标准规范。白皮书识别出当前标准规范上的空白，给出系列建议，提出并建议针对多个不同的飞机类型（eCTOL、电动直升机等）开展基于实际机场的“政企合作”演示和基于孤立环境的“沙盒测试”演示，持续发展和完善相关技术以及标准规范。最后，白皮书呼吁社会各界和大众，做好全面准备，迎接氢燃料时代的到来。

中国航空工业发展研究中心王翔宇