东南大学崔强团队CRSus：利用氢能减少全球航空温室气体排放的路径分析 | Cell Press对话科学家

2024年7月17日，东南大学经济管理学院崔强副教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Sustainability上发表了一篇题为“Path analysis of using hydrogen energy to reduce greenhouse gas emissions in global aviation”的研究成果。他们全面评估了氢能对航空排放的影响，关注了不同氢能的不同应用情景，并比较了氢燃料电池发动机和氢涡轮发动机的减排能力。

研究亮点

1.全面评估了氢能对航空排放的影响：

本研究通过整合全球国际航线的综合航班信息，运用GWP100指数方法对不同氢能应用情景下的航空碳排放进行了综合评估。这种方法不仅考虑了CO₂，还包括了其他温室气体（CH₄，N₂O等）的排放，从而提供了更全面的环境影响评估。

2.关注了不同氢能的不同应用情景：

研究探讨了多种氢能应用情景，并创新性地将可持续航空燃料作为过渡措施与氢能结合，从而提供了详细和全面的全球航空业未来可能路径的预测。这种情景分析有助于了解不同技术路径下的减排潜力，为政策制定者和航空公司提供多样化的选择。

3.比较了氢燃料电池发动机和氢涡轮发动机的减排能力：

研究详细对比分析了氢燃料电池和氢涡轮引擎在各种情景中的减排能力，并发现氢燃料电池尽管需要更长的投资周期和更高的资本支出，但能提供更高的能量转换效率，尽早采用能够更快速地减少CO₂当量的排放。

引言

21世纪以来，全球经济显著增长，推动了航空旅行的发展。1970年至2019年，航空客流量稳步增加，2019年达到44.6亿人次。尽管2020年因COVID-19大流行导致航空旅行受限，但2021年航空客流量回升至9.793亿人次，比2020年增长23.62%。然而，航空业的快速扩张伴随着大量的能源消耗和环境影响，尤其是二氧化碳（CO₂）等温室气体的显著上升。2020年全球温室气体排放总量为1842万吨CO₂当量，其中CO₂排放为1299万吨，占总排放量的70.52%。此外，航空活动排放的氮氧化物（NO_x）、水蒸气、烟尘和硫酸盐气溶胶等物质对辐射强迫和地表温度升高有显著贡献。鉴于此，减少航空业排放对于缓解气候变化和全球变暖至关重要。目前的清洁航空能源主要包括生物质燃料、电力、氢能和混合解决方案，其中可持续航空燃料（SAFs）因其技术、经济和政策优势备受关注。氢能作为最清洁和可再生的航空能源，尽管存在基础设施稀缺、生产成本高等挑战，但其零排放特性显示出巨大潜力。

成果

不同情景下的CO₂排放量和减排潜力

在2023年到2080年期间的所有情景中，CO₂排放量均呈现出持续且有希望的下降趋势。由于分阶段使用清洁能源，CO₂年排放量将以阶梯式下降。在所有情景中，情景3-4在减少CO₂排放量方面遥遥领先，预计在2080年的排放量仅为9.782E+07吨，与情景0的8.152E+08吨形成了鲜明对比。由于氢涡轮发动机在降低温室气体排放方面具有显著优势，主要排放物是水蒸气，从而减少了对环境的负面影响。此外，情景3-4还采用了可持续航空燃料作为过渡的清洁能源，从而进一步增强了其减排效果。在所有使用清洁能源的情景中，减排能力最差的是情景1-4，并且随着时间推移，与情景3-4的减排差距逐步扩大。进一步分析使用氢能源的时间对减少CO₂排放量的影响，研究发现情景2-4展示了早期采用氢涡轮发动机的显著优势，其减排效果远超较晚采用的情景1-3。情景3-9同样证明了早期采用氢能源的重要性，与因起步较晚而滞后的情景1-6形成鲜明对比。类似地，氢燃料电池发动机在情景2-10中表现尤为突出，与情景1-6相比，早期采用明显提高了减排效果。此外，全球航空在使用氢能源之前采用可持续航空燃料进行过渡能够实现最优的减排路径。在情景3-13中，氢燃料电池和可持续航空燃料的结合使用产生了最显著的减排效果，而情景3-12则相对落后。

不同情景下的CO₂-e排放量和减排潜力

研究进一步将全球航空中所有情景下的非CO₂排放量转换为CO₂当量。在不对全球航空排放进行约束的情况下，在2023至2080年期间，年均CO₂当量将达到1.392E+09吨。到2080年，情景2-4、2-10、3-4和3-13的CO₂当量将分别为6.764E+08吨、5.567E+08吨、2.183E+08吨和9.859E+07吨，分别占情景0的48.60%、40%、15.69%和7.08%。其中，情景3-13的减排效果最为显著。在2030年，若50%的燃料需求由可持续航空燃料满足，年均CO₂当量将从1.392E+09吨降至8.191E+08吨，减少41.14%。在2035年，若燃料需求全部由可持续航空燃料满足，年均CO₂当量将从8.191E+08吨降至2.465E+08吨，减少69.91%。在2045年，若20%的燃料需求由氢燃料电池发动机提供，其余需求依赖可持续航空燃料，年均CO₂当量将从2.465E+08吨降至1.972E+08吨，减少20%。在2055年，若40%的燃料需求由氢燃料电池发动机提供，其余60%由可持续航空燃料满足，年均CO₂当量将从1.972E+08吨降至1.479E+08吨，减少25%。在2065年，若60%的燃料需求由氢燃料电池发动机提供，其余40%由可持续航空燃料满足，年均CO₂当量将从1.479E+08吨降至9.859E+07吨，减少33.33%。在2065年之后，若氢和可持续航空燃料的使用比例保持不变，年均CO₂当量排放量可以长期维持在9.859E+07吨。分析结果显示，从传统化石燃料过渡到可持续航空燃料能显著减少航空碳排放，但逐步过渡到氢能源面临着更大挑战，因为可持续航空燃料可以利用现有供应链和基础设施，而氢能源需要大量投资建立新基础设施。因此，全球航空业短期内难以直接采用氢能源取代化石燃料。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请崔强副教授代表研究团队进行了专访，为大家做进一步的深入解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

崔强副教授：

本研究的亮点在于预设了37种子情景，包括原始的基线情景和36种氢能源使用情景，从而系统地计算了不同氢能利用路径下的CO₂当量的排放量。研究进一步地划分了氢能源的部署时间表，比较了氢涡轮发动机和氢燃料电池发动机的不同排放特征和减排能力，同时在预测期初期设置了使用SAFs作为过渡能源的子情景。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

崔强副教授：

一方面，本研究在收集和处理原始数据的过程中面临着样本量大，收集过程繁琐等困难；另一方面，预设氢能源的不同部署路径也存在着很强的不确定性。团队通过分工协作，共同实现了数据的收集和校对工作，并且查阅了大量参考文献，具体划分了36种氢能源使用路径，从而更全面地分析氢能源在航空领域的减排效果。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

崔强副教授：

本研究没有考虑氢能源在生产过程中产生的CO₂排放，此问题有待下一步研究考虑。此外，本研究亦未考虑碳捕集技术的应用，因此团队未来的研究方向可能将氢能源的成本可行性分析纳入研究，并进一步考虑碳捕获技术对全球航空的减排效果。

CellPress：

请您与我们分享一下选择Cell Reports Sustainability的原因。

崔强副教授：

Cell Press细胞出版社一直是我们团队日常科研学习的一个重要知识来源。自2023年5月Cell Reports Sustainability推出以来，团队也一直重点关注着该期刊上与可持续发展领域相关的同刊论文。我们团队的研究聚焦于航空领域的可持续发展和环境影响等问题，从而进一步解决由气候变化和人类活动而产生的环境影响等问题。这与Cell Reports Sustainability的目标不谋而合。因此，我们选择了Cell Reports Sustainability期刊，以便于和更多相似领域的学者进行学术交流。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Sustainability上，点击“阅读原文”查看论文

▌论文标题：

Path analysis of using hydrogen energy to reduce greenhouse gas emissions in global aviation

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2949790624002088

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.crsus.2024.100133

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