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盖茨、贝索斯和马云联合投资氢能飞机的背后逻辑?

2020年12月,突破能源联盟基金领衔投资氢能飞机,使这一领域成为了投资界关注的热点。

文|IASC航空产业链

比尔·盖茨 (Bill Gates) 领衔的突破能源联盟基金 (Breakthrough Energy Coalition),因其华丽的投资人阵容,常被誉为投资界的『梦之队』。

这支『梦之队』的成员包括20多位顶级创业者和投资人,『首发阵容』除了比尔·盖茨外,还有亚马逊创始人杰夫·贝索斯 (Jeff Bezos),脸书创始人马克·扎克伯格 (Mark Zuckerberg),前纽约市市长及彭博社创始人迈克·彭博 (Mike Bloomberg),阿里巴巴创始人马云等。这套阵容的身家超过3.5万亿人民币*。

*数据来源福布斯富豪排行榜,截至2021年1月21日

2020年12月,突破能源联盟基金领衔投资氢能飞机,使这一领域成为了投资界关注的热点。

埃隆.马斯克公开嘲讽氢燃料

[知识点] 氢能是一种绿色、高效、安全、可持续的二次能源,如果制氢实现清洁环保可持续,那么氢能的生命周期将是一个清洁环保的闭环。同时,氢能是一种优秀的储能介质,可储存太阳能、风能等不稳定的可再生能源。氢能被视作是未来20年最具前景的能源之一。氢燃料电池系统是目前已知的氢能最佳利用方式。

氢燃料电池在和锂电池的“路线之争”中落于下风——过去的10年中,锂电池汽车的销售量是氢动力汽车的300倍。特斯拉CEO埃隆·马斯克甚至公开嘲讽氢燃料。

图片来源:Twitter

从汽车产业角度看,氢燃料确实成本太高,供应链欠缺——氢能的制储运成本都很高,建设成熟的氢能供给体系(加氢站、运输体系等)更是要“举国之力”。但氢能在航空产业里应用,会有一片更广阔的天地。

氢能的优势在航空业被放大了

“最终驱使氢能源商业化将是航空业,而不是汽车,更不会是私家车。”这家比尔.盖茨所投资的氢能飞机公司断言。氢能更适合成为大型商用飞机的燃料,主要有三个原因:能量密度、充电时间和使用寿命。

优势:能量密度

[知识点] 我们通常用电池系统的能量密度来衡量能源效率。能量密度的单位是wh/kg,也就是每公斤的电池系统,能产生多大功率的能量。1kwh是我们日常说的1度电,那么能量密度160wh/kg的意思就是每公斤的电池组件,可以产生0.16度的能量。

在能量密度方面,氢燃料电池的“上限”完胜锂电池。

氢的能量密度接近40 kwh/kg,优于传统汽油接近3倍(汽油的能量密度在12 kwh/kg)。而锂电池组成系统后,因为需要有正负极材料、电解液、隔膜等其他辅助材料,能量密度仅有0.2 kwh/kg。并且锂电池组的能量密度再向上提升受制于理论瓶颈。

以丰田Mirai为例,使用超高压碳纤维增强尼龙储氢瓶可以储存6千克的氢气,氢燃料电池系统能量密度超过0.35 kWh/kg。

未来随着储氢合金和低温液态储氢技术取得更大突破,氢燃料电池系统的能量密度对比锂电池组可能可以高出10倍以上。

氢燃料电池在能量密度方面更高的 “上限”意味着:达到同样的续航里程,氢能电池组的重量要轻;同样的重量下,氢能电池组的续航能力要强。因此,氢能对于重量更大同时里程更长的交通工具的意义更加重大,例如商用大客机。空客应用氢能作为飞机燃料的前驱。

空客工程师Glenn Llewellyn直言:“氢燃料是最有前途的能源类型,可以让我们用可再生能源为飞机提供动力,而电池技术的发展速度还没有达到我们期望的水平。”

优势:使用寿命和充电时间

当今最好的锂电池组(能量密度为0.2 kwh/kg)的循环寿命为1,000至2,000次,充电时间为45分钟以上。

试想,一架商用大客机每天平均飞行10到14个小时,如果平均每趟飞行3小时,则每天飞行3到5趟,一年1,000至2,000次。假设使用锂电(不考虑重量和续航),那飞机电池组仅仅只能坚持1年就要替换。并且如果飞机每飞行一次要充电数小时,航空公司的效益将会大大降低。

相比之下,液态氢燃料电池系统的循环寿命高达15,000次*,并且在20分钟内即可加满燃料。较长的使用寿命和较短的充电时间可以保证商用飞机的运行效率和飞行时间。

氢能的劣势在航空业被缩小了

前文提及,氢燃料电池的主要劣势在于成本高昂和缺乏供应体系等基础设施。

高成本的氢燃料电池更适用于高成本的商用航空,而不是家庭乘用车。如果我们使用每千瓦(kW)的成本作为衡量标准,家用汽车的汽油发动机成本为30美元/kW。而当前氢能电池系统的价格在300至1,000美元/kW之间,比汽油发动机高出太多。但是飞机发动机则不同,即使是较小的(800 kW)飞机涡轮发动机的成本也要超过1000美元/kW。

氢燃料电池的规模效应非常显著,成本持续降低。即使产量有限,在过去的10年中,氢燃料电池汽车的价格降低了65%。根据麦肯锡的研究,“如果氢燃料汽车的年产量为15万辆,未来成本可继续降低约70-80%”。与锂电池不同,氢燃料电池对材料的依赖性相对较低。氢燃料电池系统主要由碳、钢和铝制造的零件组成,因此工业化规模效应显著。

当考虑改造能源供应基础设施,航空比汽车的优势也非常明显。在美国,有将近120,000个汽油加油站。相比之下,美国85%的航空运输(客运和货运)集中在50个大型机场(其余15%的航空运输散布在其他450个机场)。中国的汽油加油站也超过了100,000个,而前35大机场集中了80%的运输量。显然,加油的网络越大,从汽油转换到氢能的难度就越大,成本也就越高。因此,改造航空产业的能源供应体系的可行性要高得多。

盘点未来的氢能飞机

聊了这么多氢能飞机的投资逻辑,想必大家早已迫不及待了解究竟『梦之队』投了哪家企业呢?谜底揭晓!那就是总部位于伦敦和加州的ZeroAvia。

2020年12月,突破能源联盟基金向ZeroAvia注资2140万美元。

ZeroAvia是一家研发和制造用于商业客运、包裹运送、农业等领域氢燃料电池飞机的初创企业。如今,该公司研发的两架10-20人原型机可航行800公里,已经通过了飞行测试且获得了飞行证书,并有望在2023年实现商业运营。

ZeroAvia与英国航空公司建立了合作伙伴关系,并通过ATI计划获得了英国政府的资金支持,自成立以来总募集资金4970万美元。

ZeroAvia目标在2023年实现商业化。计划到2026年实现投运80个座位可以飞行超过900公里的飞机;到2030年实现投运100个座位可以飞行1600公里以上的飞机。下图为ZeroAvia对于未来研发项目的计划时间表。

图片来源:ZeroAvia

除了英国政府,德国、法国和美国政府都分别有各自支持的氢能源飞机项目。

德国宇航中心(DLR)设计的全球首架4座氢燃料电池HY4飞机于2016年9月在斯图加特机场首飞,其最大飞行速度为200千米/时,巡航速度为145千米/时,航程范围750~1500千米。

HY4飞机项目得到了联邦运输和数字基础设施部超过1,700万欧元的资金支持。HY4 现已推出第六代驱动器,最多可容纳40名乘客,在未来十年内计划实现2000公里航程。

在欧洲,说到氢燃料驱动飞机,不得不提空客的ZEROe项目。2020年7月,IASC发文『未来已来!欧洲新能源飞机连获重大突破』中已陈述了法国150亿欧元来发展新能源飞机的路线图——首先是对空客的A320产品线进行改造,开发混合动力的A320 “继承者”客机。A320“继承者”的原型机将在2026年至2028年间亮相,并在2035年之前首飞,并逐步转向使用氢燃料。

ZEROe是空客公司的零排放商用飞机项目,有以下三款混合氢能概念飞机,分别用涡轮螺旋桨(Turboprop)、翼身融合(BWB)和涡轮风扇(Turbofan)三种类型的发动机。其中涡轮螺旋桨发动机主要用于100座级以下的支线飞机,航程超过1000海里。翼身融合发动机(BWB)和涡轮风扇发动机(Turbofan)主要用于200座级以下的支线飞机,航程超过2000海里。这些氢能飞机通过液态氢的燃烧来提供动力,与此同时,氢燃料电池产生的电能可补充燃气轮机,从而形成了高效的混合动力推进系统。

图片版权:Airbus

空客的首席执行官Guillaume Faury表示:“我们希望在2035年投入使用零排放氢动力商用客机。空客将扩大可再生能源和氢气的产出规模,以实现航空业的可持续未来。”

图源:NEW ATLAS

美国航空航天局(NASA)正与Alaka'i Technologies公司合作发展的Skai零排放电动垂直起降(eVTOL)飞机由氢燃料电池驱动,可用于空中出租车、私人飞机和货物运输。Skai使用6个100kW的电机马达,可容纳5名乘客,其中包含1名飞行员。以190公里/小时的速度能够持续飞行4小时以上,可行驶约644公里。Skai配有紧急降落伞,加氢裂化时间不到10分钟。

除了以上五家企业外,德国APUS公司、新加坡HES公司和Alaka'i公司也是制造氢能飞机的先行者,就不在此文详细阐述了,如想要详细了解可以在IASC公众号下方留言。

氢能飞机,未来已来

氢能应用于航空,极富想象空间。相信目前面临的成本高企和基础设施缺乏等问题都会随着资本的投入和产业的规模化逐渐被解决。

氢能飞行的其中一个最大挑战来自于氢气的压缩和储存。比起传统的汽油,如果改用氢能,飞机需要更多空间来储存燃料,所以燃料不能像现在那样储存在机翼内。这意味着使用氢燃料需要改装飞机的机身结构。目前空客一方面考虑将氢气存储在机翼下的吊舱里或飞机下面的空间里,另一方面也在探索混合翼机型的模式来储存氢气。机身结构的新设计意味着要重新进行繁杂的飞行认证,因此氢能飞机的发展亦是道阻且长,IASC将持续跟踪跟进氢能航空产业的重大进展,及时和大家分享。

本文为转载内容,授权事宜请联系原著作权人。
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