2023 年 9 月 18日

 

• 高度、飛行速度和能源選擇的微小變化已經能夠顯著減少對氣候的影響。
• 從長遠來看，需要新的低空長途飛機。
• 氫動力長途飛機可以與 SAF 一起成為一個長期前景。
• 重點：航空、氣候友善飛行

 

長途飛行每年僅運送約 10% 的乘客，但由於距離長、飛行時間長，它們產生的二氧化碳排放量約佔航空業 40% 的二氧化碳排放量。即使飛行高度、飛行速度和能源選擇的微小變化也可以顯著減少對氣候的影響。此外，還有專為其他高度飛行而設計的飛機，這也將顯著提高長途飛行的氣候相容性。德國航空航天中心 (DLR) 的科學家在KuuL（氣候友善超高效能長途飛行）計畫中開發了這些成果。發達。這項工作符合德國航太中心在氣候友善飛行航空戰略方面的廣泛研究承諾。

 

利用現有飛機可以及時減少對氣候的影響

在他們的計算中，參與該計畫的人員對煤油、可持續生產的 CO 2 中性合成燃料（即所謂的可持續航空燃料 (SAF)）和液氫 (LH 2) 進行了比較，並稍微降低了飛行高度和速度，創造了各自能源所需的飛機設計。科學家根據100年來地面平均氣溫變暖情況，比較了氣候影響，即排放對氣候變遷的影響。為此，他們模擬了新設計的飛機在 23 年營運期間每年 3,000 次長途航班的效果。

很快地人們就明白了：「不必為新加坡武裝部隊的使用而建造全新的飛機。「我們的研究表明，只需從煤油改用 SAF 即可將氣候影響減少約 25%，而無需購買新飛機，」計畫負責人 Dr. 來自DLR 空氣動力學和流體動力學研究所的 Martin Hepperle 。「如果 SAF以二氧化碳中和的方式生產，二氧化碳排放對氣候的純粹影響甚至可以減少 100% 。這意味著，當生產這些合成燃料時，釋放的二氧化碳量與先前透過植物或其他過程從大氣中去除的二氧化碳量相同。」Hepperle 解釋道。

透過使用SAF，還可以減少所謂的非CO 2 效應的影響。尾跡和由此產生的尾跡卷雲是最重要的因素。由於合成燃料的燃燒會導致煙塵顆粒排放量降低，因此 SAF 產生的尾跡較不明顯。不過，這並不影響氮氧化物和水蒸氣的效果。因此，僅僅透過改變能源來源無法將氣候影響降至零。

透過改用氫氣，可以進一步減少對氣候的影響，因為航空業的氮氧化物排放量也顯著減少，從而導致臭氧增加以及對溫室氣體的許多其他間接影響。「但我們也必須以可持續的方式生產氫氣，即不使用化石燃料，」赫珀勒解釋道。當然，氫氣燃燒時產生的水蒸氣也會在大氣中產生凝結尾跡，即非CO 2 效應，仍需要詳細研究。然而，與傳統凝結尾跡相比，預計這裡對氣候的影響較小。

 

從長遠來看，新的飛機設計是必要的

飛機引擎排放造成的長期氣候影響也很大程度取決於海拔高度。「如果除了更換燃油之外，還能將最大飛行高度降低 2,000 米，那麼對氣候的影響最多可以減少 70%，」Hepperle 說。然而，在這個高度，由於空氣密度較高，飛機的形狀也必須進行調整，特別是機翼後掠角必須減少。為了維持能源效率，飛行速度也必須降低 15%。「然而，這將需要開發新飛機，」赫珀勒解釋道。然而，隨著氣候影響的減少，營運成本會增加，因為飛機每天的航班數量會減少。起初只有一點點，但後來越來越快。

 

氫推進飛機設計

雖然使用相同燃料系統的煤油和 SAF 飛機的設計非常相似，但根據參與該專案的人員的計算，使用液氫作為燃料的飛機與傳統飛機有很大不同。「最重要的是，油箱容量以及整合和安全性對長途飛機來說是一個特殊的挑戰，」赫珀勒解釋道。儘管對於相同能量，氫氣的質量遠低於煤油或 SAF，但它需要更大、更重且具有特殊隔熱功能的儲罐，以及更複雜的燃料系統和發動機中的新型燃燒室。為了容納大型氫氣罐，機身直徑也必須增加。

然而，與研究人員的預期相反，事實證明，從長遠來看，氫也可以成為長途航線的一種選擇。由 LH2 提供動力的飛機比 SAF 提供動力的飛機需要稍多的能量。「但如果考慮到生產 LH2 的一次能源需求比 SAF 低約 30%，那麼這條技術路徑就有潛力，」Hepperle 解釋道。“然而，使用 LH 2 的主要技術挑戰使得很難預測從長遠來看，SAF 還是 LH 2 在長途航線上是否更環保、更經濟。”

在後續計畫中，各學科的研究人員將進一步減少模型中現有的不確定性，例如在較低飛行高度下潛在更大的空氣動力負荷，並研究新技術，以盡量減少氣候影響和發展工業應用的風險。

除了 DLR 空氣動力學和流動技術研究所外， DLR 航空、航空運輸、推進技術和大氣物理系統架構研究所也參與了 DLR KuuL 計畫。

 

[照片]

(A) 配備 UHBR 發動機和層流機翼的高效長途飛機（象徵性圖像）

(B) 減少氣候影響

透過調整飛行高度、飛行速度和能源選擇來減少對氣候的影響會導致營運成本增加。飛行得更低且速度更慢的飛機需要減少機翼後掠角。