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中国电动汽车销量大增,电动飞机也迎来发展机遇

时间:2023/10/21 22:14:51浏览次数:281

三年前,中国电动汽车的年销量仅百万余辆,保有量不足500万辆,三年后的2023年9月底,中国新能源汽车保有量已达1821万辆,每卖出100辆车就会有37辆是电动汽车,就连欧美也不再质疑电动汽车取代燃油车的趋势。

但如果说,不仅仅是地上跑的汽车会被电动化,空中的飞机也有望搭载上锂电池,你可能会存在疑问和担忧。其实,这一天已经不远了。10月10日,工业和信息化部等四部门印发《绿色航空制造业发展纲要(2023-2035年)》(以下简称《纲要》)。《纲要》提出到2025年的目标包括,使用可持续航空燃料的国产民用飞机实现示范应用,电动通航飞机投入商业应用,电动垂直起降航空器(eVTOL)实现试点运行,氢能源飞机关键技术完成可行性验证等。

关于电动飞机“上天”的事儿,马斯克在今年初也已经给出了答案。在特斯拉发布的宏图计划第三篇章中预言,未来全球飞机中的20%将被电气化,装上高镍三元锂电池。特别是固态电池、半固态电池的商业化,将加速飞机、航运领域电动化的进程。

物流、通勤、旅行是三大主要场景

当然,如果你以为,几年后就可以坐着电动飞机出差了,那有点儿一厢情愿了。

对于支干线的大型民航飞机来说,短期很难替代燃油发动机,反而是,将绿氢加工成绿色甲醇,以掺入低碳氢化合物的可持续航空燃料(SAF),用作中大型飞机的主要燃料,这一路径来得更早。相比,锂电池在能量密度、安全性、耐久性、续航能力方面,难以承担起长途飞行的角色,至少到2040年才有可能落地。这一点在《纲要》也有所提及,《纲要》指出,开辟电动航空新领域,面向城市空运、应急救援、物流运输等应用场景,加快eVTOL、轻小型固定翼电动飞机、新能源无人机等创新产品应用;推动轻小型固定翼电动飞机、eVTOL实现商业运营。电动飞机开辟的是一片“处女地”,聚焦低空经济,主要涵盖物流运输,如快递公司从城市周边仓库到分拣中心;乘用电动飞机可以缓解地面交通拥堵,实现更高效的城际上下班通勤,使得跨城旅行成本大幅降低;特别是对于需要急救、转院的病患来说,不用再忍受高速公路上的长途跋涉,电动飞机的效率要高得多。其中的“主角”则是eVTOL(电动垂直起降航空器),适用中短途飞行场景,不需要跑道,可以垂直起降,低噪音(100米至200米高空,音量仅40分贝),低维护成本,有望最先实现商业运行。此外,飞行汽车也在这一范畴内,在未来城市交通领域占有重要席位。

9月份发布的《民用直升机中国市场预测年报(2023-2032)》显示,目前全球eVTOL(电动垂直起降飞行器)市场订单总计超过1.3万架,主要用于人员运输和空中物流领域,未来将在公务飞行、短途运输、低空旅游、通航货运、医疗救护等领域,对传统直升机形成竞争或替代。

“起飞”还需翻越多座大山

《纲要》还划出了几个发展电动通航飞机的示范区,包括珠三角、长三角、环渤海、成渝等优势地区,通过设立低空经济试点,开展轻小型电动飞机的规模化示范运营,eVTOL商业示范运营,推动电动航空应用场景、产品规范、运营体系、客户服务方案的论证试点。

虽然电动通航飞机在政策层面已经得到了认可,但这并不意味着,电动飞机很快就能一飞冲天。放眼望去,电动飞机还有多座大山需要翻越。一是锂电池的续航能力仍捉襟见肘。电动飞机、电动船舶不同于新能源汽车,百公里的耗电量非常高,像电动船只搭载的锂电池往往在1600kWh以上,是电动汽车的20倍。同样,电动飞机对锂电池的能量密度要求更高,需要航空级电池,既能保证续航能力,又要足够安全。目前汽车上所搭载的磷酸铁锂电池能量密度只有180Wh/kg,镍钴锰三元锂电250Wh/kg,两者均不能满足长时间飞行的需求。而且,汽车在地面上跑,只需要一个前驱推动力即可,但飞机不一样,还要克服重力的影响,所以载重会直接影响安全和续航。由于锂电池的能量密度远比航空煤油低,只有后者的1/70,仅仅是搭载的500度锂电池的重量就高达2.5吨,无疑会增加电耗。

按照《规划》的要求,要突破高能量密度锂电池、高效率电推进系统等关键技术。特别是推动满足电动航空器使用需求和适航要求的 400Wh/kg级航空锂电池产品投入量产,500Wh/kg级产品小规模验证,可见电池能量密度在电动飞机商业化中的分量。

除了能量密度外,政策的滞后也表明,eVTOL暂时还很难有大的作为。中短途低空经济涉及民航空域管理与低空交通管理,到底是属民航局,抑或是交通局,尚无定论。对电动飞机的数量、起降场地要求等匹配的监管政策更是空白。

电动化的下半场是飞机、船舶

无论是汽车电动化,还是船舶、飞机电动化,目的都是为了降低碳排放。在中国,交通运输领域的碳排放占全社会碳排放总量的10.4%,其中公路运输占了总量的87%,航运、民航占比差不多,为6%左右,铁路运输占比最低,只有1%。从电动化的进程来看,汽车最先被电动化,下半场将是船舶、飞机,而航运的电动化要比飞机更早一些。据DNV统计,2022年全球绿色船舶保有量突破1000艘,其中电动船占比56%。不过,电动船舶很难出现在汽车领域一家独大的现象,LNG、甲醇、液氨、氢动力也会占有较大份额。电动飞机成为趋势,并进入示范阶段,一方面来自于低空经济的推动,能分流一部分地面交通的压力;另一方面则是航空行业减碳使然。

因为锂电池、电机的能源使用效率,要远远高于汽油、煤油、重油等燃油发动机。以汽车燃油发动机为例,如果考虑到原油到汽油的加工炼化工序,能源转化效率50%,从油箱、内燃机到车轮的效率只有30%,综合效率不到20%。但如果是光伏、风能等绿电,生产外送环节的输配电损耗5%、充电5%损失,效率90%左右,而从电池、电机到车轮的效率80%,电动车综合效率70%。因此,电动车全产业链效率超过70%,是内燃机的4倍多。

同样的道理,电动化放在飞机身上,电力推进系统的功重比(kW/kg)要比燃油发动机高很多,能实现节约能源、深度脱碳的效果。

只不过,现代航空业是一个产业链庞杂、体系复杂且难以改变的行业,即便投入大量资源、资本,也很难一蹴而就。其重构难度远远高于汽车,乐观估计,受制于各种因素,电动飞机暂时只适合小型化、中短途的部分场景。早在2014年,马斯克就预计,要实现洲际飞行,动力电池的能量密度要提升到400Wh/kg,才能使得电池击败燃油,让电动飞机成为可能。9年已经过去,锂电池已经越来越接近航空级动力电池所要求的下限,电动飞机也有望迎来了起飞的时刻。