[论文解读] Hydrogen as a Renewable Energy Carrier for Commercial Aircraft

Caleb Amy, Alex Kunycky|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2019

Hybrid Renewable Energy Systems参考文献 44被引用 4

一句话总结

本文评估了将绿色氢气用作商业航空可再生能源载体的可行性，重点研究了将洛杉矶国际机场（LAX）改造为氢燃料基础设施的方案。通过技术经济分析表明，若绿色氢气通过可扩展的电解法生产，并且大规模部署高效液化技术，则氢动力客机的总运营成本可低于传统喷气燃料飞机。

ABSTRACT

This report starts with the state of the art of electrolysis and liquefaction technology, and then presents a techno-economic case study of converting LAX airport to hydrogen fuel. The main conclusion is that a path exists to hydrogen passenger aircraft having a lower total cost than those powered by jet fuel.

研究动机与目标

• 评估在商业航空中以绿色氢气替代喷气燃料的技术与经济可行性。
• 评估电解法与氢气液化技术在大型机场规模化部署的当前状态。
• 开展一项将LAX机场改造为商用飞机绿色氢燃料加注枢纽的案例研究。
• 比较氢动力与喷气燃料动力商用飞机的总拥有成本（TCO）。
• 识别实现可持续、成本具有竞争力的氢能源航空生态系统的基础设施与技术路径。

提出的方法

• 对采用质子交换膜（PEM）电解法在大规模下生产绿色氢气的技术经济性进行了分析。
• 通过先进低温工艺，建立了在LAX机场对绿色氢气进行液化的能源与资本需求模型。
• 评估了在类似LAX这样的国际枢纽机场中，氢气储存、分配与加注的基础设施需求。
• 预测了氢燃料窄体与宽体商用飞机在性能与燃油消耗方面的表现。
• 利用全生命周期成本模型，计算了氢动力与传统喷气燃料动力飞机的总拥有成本（TCO）。
• 评估了可再生能源电价、电解槽效率以及液化过程能量损耗对整体系统经济性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过规模化电解法生产的绿色氢气，其总拥有成本是否可低于传统喷气燃料在商用飞机上的应用？
• RQ2 在洛杉矶等主要国际枢纽机场部署绿色氢气时，面临的关键基础设施与能源转换挑战是什么？
• RQ3 氢气液化与储存过程中的效率损失如何影响整体从油井到机尾的能量与成本平衡？
• RQ4 规模经济与可再生能源电价在使绿色氢气与煤油基喷气燃料具有竞争力方面发挥什么作用？
• RQ5 在航空应用中，不同电解法技术与氢气储存方式之间的技术与经济权衡是什么？

主要发现

• 研究表明，当使用低成本可再生电力和高效电解法生产绿色氢气时，绿色氢气动力商用飞机的总拥有成本（TCO）可低于传统喷气燃料动力飞机。
• 在大规模下对绿色氢气进行液化会带来显著的能量损耗，但可通过高效率低温系统与优化加注物流实现缓解。
• 在有利的可再生能源电价与规模化条件下，PEM电解法制备绿色氢气的成本预计可降至每公斤2美元以下。
• 在假设可再生电力价格为每千瓦时0.03美元、系统效率为60%的前提下，LAX机场向氢燃料加注设施转型在技术上可行且经济上合理，周期长达20年。
• 氢动力飞行的总油井到机尾能量成本高于喷气燃料，但更低的燃料成本与更少的碳定价影响可随时间抵消这一差距。
• 本研究识别出一个关键临界点：当电力成本低于每千瓦时0.03美元且电解槽资本成本低于每千瓦300美元时，绿色氢气将实现与喷气燃料的成本竞争力。