长途飞机要电动化听起来很难但现在可以了

现在全球主要国家都在主张脱碳,以减少二氧化碳等有害物质的排放对我们生活的环境产生进一步的影响,这个大家应该都知道。

欧盟于2020年1月正式实施史上最严苛的碳排放法规,到2025年、2030年排放量目标将比2021年分别降低15%和37.5%,过渡期仅一年,无法达标的企业将面临巨额罚款。

美国总统拜登于2021年8月签署行政令,设定了美国到2030年零排放汽车(包括纯电、插混、燃料电池)销量占新车总销量50%的目标。

日本政府于2020年12月公布一项“绿色增长计划”,规划在未来15年内日本将淘汰燃油车。到2035年,日本电动车(包括混动车、燃料电池汽车)将替代燃油车。

尽管航空业没有明确规定的脱碳时间表,但随着其他领域碳排放的进一步减少,航空作为碳排放的重灾区,航空业越来越频繁的遭受环保人士的诟病。

越来越多的人选择乘飞机出行,但是要飞机不排放二氧化碳等有毒物质,似乎太难了。航空运输行动组织(ATAG)预测,到2050年,选择飞机出行的人数将是2019年的2.5倍。航空业对环境的影响不仅仅是二氧化碳排放那么简单,在高空释放的CO2和氮氧化物、水蒸气和颗粒物对环境的影响是地球表面的四倍。这就是为什么航空业现在走在十字路口的原因,专家预测,到2050年,航空业对环境的污染将占到人类对环境影响的一半。

如果说汽车领域还可以向电动化转变,锂离子电池经过几十年的技术迭代,目前勉强能应付汽车的需求,但是要让飞在天上的飞机使用锂离子动力电池,就很难了。飞机庞大笨重的躯体以及动辄几千公里的航程,在现有的锂离子电池技术以及可以预见的未来一段时间内,锂离子电池都无法满足航空飞机的需求。

其实航空领域这些年也在寻找替代石油燃料的方案,比如一些能源公司以及飞机运营商一直在研究的可持续航空燃料,英文名简称为SAF。SAF燃料的原材料为玉米谷物和油籽等,SAF看起来貌似摆了石油燃料排放二氧化碳的弊端,但依然排放少量污染物,没法彻底根除。另外SAF燃料所需的玉米谷物等原材料,也不是取之不尽用之不竭的,要想获取更多的玉米谷物,就需要更多的土地去种植这些粮农作物,地球上的土地种植面积是有限的。其它的路数比如用锂离子电池,挑战是真的不小。

一辆全新飞机的使用寿命是二三十年。这意味着今天从波音、空客或者其他飞机制造商手里交付给客户的飞机,直至2050年仍然在服役,这意味着航空业对环境的污染至少还会持续几十年。

这家公司于2017年创办于美国加利福尼亚州,只能算是一家创业公司。这家公司的的目标就是要让航空业彻底脱碳,它们的解决方案是用氢气作为航空动力源。2019年,ZeroAvia在加利福尼亚州霍利斯特的一个机场演示了一架使用氢燃料作为动力源的飞机PiperMatrix。2020年,这家公司又在英国克兰菲尔德机场再次演示一架六人座飞机PiperMalibu,这架飞机是PiperMatrix的改进版。飞机足足在英国克兰菲尔德机场上空飞行了八分钟。根据行业的说法,ZeroAvia应该是世界上第一家展示由氢气燃料作为飞机动力源的公司。

ZeroAvia由此一炮而红,随后很多公司机构主动找上门来了,有给钱的,有提供资源的,有提供技术的。比如日本的三菱重工,为ZeroAvia提供技术支持。美国阿拉斯加航空与ZeroAvia合作,双方合作把阿拉斯加航空旗下现有的部分汽油飞机进行改装,换上ZeroAvia公司研发的氢燃料动力系统。美国联合航空公司入股,并计划购买100台ZeroAvia研制的氢电动发动机,改装部署到自家现有的部分汽油飞机上。英国航空公司投资了,比尔盖茨旗下的突破新能源投资基金(BreakthroughEnergyVentures)投资了,贝佐斯旗下的气候承诺基金投资了,壳牌石油投资了,李嘉诚旗下的维港投资(HorizonsVentures)也投资了,英国政府通过英国航空航天技术研究所已经投资了两轮。

单凭一款样机演示就能获得各大巨头的青睐吗?事实肯定没那么简单。那么是什么原因让这些大名鼎鼎的航空公司、投资基金甚至政府都要给它投资呢?

介绍下ZeroAvia公司的创始人瓦尔.米夫塔科夫(ValMiftakhov),是一名俄罗斯人。

米夫塔科夫1973年出生于前苏联,早年就读于莫斯科物理与技术学院,曾两次获得该学院物理大赛冠军。苏联解体后的1997年,物理学专业研究生毕业的米夫塔科夫转到美国普林斯顿大学深造并获得博士学位,期间他担任过斯坦福大学线性加速器的核研究员。离开校园后的米夫塔科夫来到硅谷,在互联网泡沫的2000年前后,米夫塔科夫前后创办过两家软件公司,但都失败了。后面他去麦肯锡干了6年的销售,在Google干了几年的运营管理。天生不安分的米夫塔科夫于2020年再次创业,这次他做的是电动车充电桩的业务,名为eMotorWerks的公司推出一款软件,将线下位于不同位置的充电桩聚合到一个平台,让电动车主通过该软件平台预约充电。这家公司还推出优化充电桩的软件系统,透过eMotorWerks充电桩充电相比别家效率更高。2017年,eMotorWerks被意大利能源巨头Enel收购,Enel是欧洲最大的能源公司,是仅次于我国国家电网的全球第二大电力公司。

在经营eMotorWerks公司期间,米夫塔科夫还利用业余时间考到飞行员执照,包括直升机执照及固定翼飞机执照,米夫塔科夫本身就是一名航空爱好者。

米夫塔科夫是一名立足未来的创业者,如果说2010年创办电动车充电桩公司很有前瞻眼光,他的第四次创业选择航空电动化,同样很有眼光。干了七年的电动车业务,米夫塔科算得上是一名动力电池的内行人士,也很明白全球脱碳这样的大势。作为航空爱好者的他,选择航空脱碳作为主攻点,也就顺理成章了。

一位有技术、有阅历、有资金、有过失败也有过成功的创业者,信任度自然就高了。

现在你要是问,制造一架能搭载50人能够飞行800公里的电动飞机,能不能做到?这个世界上能给出肯定答案的人不多,但ZeroAvia公司觉得他们应该可以,这也就是为什么美国联合航空、英国航空、比尔盖茨、贝佐斯、李嘉诚都给它投资的原因。

氢是一种高性能能源,以大家都能理解的能量密度来说,一公斤氢气的能量是一公斤石油燃料的三倍,是锂离子电池的四倍。氢气可以像汽油燃料一样燃烧,也可以用于化学反应从而释放电量。将氢与氧产生化学反应,反应过程中从氢分子中剥离出质子,从而迫使电子在电路中流动,有足够多的氢和氧,就有足够多的电流为电机供电。整个化学反应过程唯一的排放物是水。ZeroAvia选择化学反应的方式放电而不是直接燃烧的方式,是因为虽然燃烧不会释放二氧化碳,但它仍然会释放碳氢化合物等有害物质。

从安全角度看,氢气燃料是对石油燃料的升级。与汽油燃烧相比,尽管氢气需要相对多的氧气来进行化学反应,但这是在较低的温度下进行。另外,氢气比空气轻,就算漏出来,氢气也也会迅速地从空气中消失,对大气环境毫无影响。

其实早在上世纪60年代,氢燃料电池就已投入商用,但是那个年代环保问题没像现在那么受人关注。

可以这么说,在航空业脱碳这个难啃的硬骨头领域,ZeroAvia是既有技术又有资金的公司,占据绝对的行业领先优势。

虽然使用氢气燃料替代石油燃料听起来很美好,但同样面临明显的挑战,最明显的就是储存问题。要想让飞机单次飞行足够远的航程,飞机上就得储存足够多的氢气。显然这需要将气态氢压缩,给储存罐加压,以尽可能将氢气体积缩小。短途飞行可以用压缩的气体形式储存,但是航程越远,储存量要求就越大。ZeroAvia通过使用液态氢来解决问题,但需要非常低的温度,氢气在零下253°时才会沸腾,通过增加气压可以提高沸点,但仍然处于极低的温度。ZeroAvia计划是与高度创新的科技公司合作,来解决这项挑战。

ZeroAvia的ZA600推进系统在加利福尼亚州霍利斯特的军用卡车上进行测试

在获得一系列的投资和资源支持后,ZeroAvia进一步研发拥有更强大动力的氢燃料系统,最新的一款动力系统取名ZA2000,这款氢燃料发动机预计可产生2000kW的功率,它可以支撑一架搭载19名乘客的飞机,预计在2024年获得认证后推出市场。ZeroAvia还计划在2026年推出50座的氢燃料动力飞机,它的预计航程为800公里。

加油是航空公司最关心的问题之一,ZeroAvia早期就做了相应的研发。在英国克兰菲尔德机场演示六座飞机PiperMalibu飞行时,ZeroAvia也在现场同时演示电解水获得氢气。ZeroAvia有自己研发的一套电解水系统HARE。

此外,ZeroAvia持续的和行业机构、咨询公司以及各监管部门交流,以获取他们暂时没遇到或者暂时想不到但确实可能出现的问题。

另外一个问题是,ZeroAvia担心未来的一个大问题是氢气的产量是否能满足客户的需求,为此公司引进壳牌石油的投资。

可以说,在推行航空脱碳业务方面,ZeroAvia公司有一整套的执行计划。

有人质疑ZeroAvia未来会不会将氢燃料动力系统推向汽车,米夫塔科夫的回应是,ZeroAvia专注航空领域是100%的正确选择,因为光航空领域,就有1000亿美元的市场。

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