绿色氢气–氢气是如何在空中和地面上进行工作的

PS-HyTech GmbH的管理合伙人,工程师Peter Stadthalter解释说:”氢作为能源载体的公众形象仍然被严重扭曲”。 “在与潜在客户的多次讨论中,我们体会到,德语概念里的’Brennstoffzelle’(燃料电池)似乎暗示着会有燃烧现象,并直接释放驱动能量。当然,这不是事实。氢气系统更多的是一种自主能源发生器,它的工作原理是简单无害的化学反应,对于小型飞机来说,它可以成为一种智能、可靠、安全、廉价的电池替代品。

氢气是一种绿色的储能介质,已经有100多年的历史,可以直接用可再生的水电、风能或太阳能发出的电能进行制备,非常环保,相对来说不费吹灰之力,而且没有环境污染。 绿色氢气在化石燃料和煤炭的总能量平衡中名列前茅。 生产过程基本上只需要蒸馏水、电解质和电力 —— 全世界有足够这些元素。 如果有一个好的电解器,制氢的效率可以达到70%以上,效率非常高。 氢气只有一种,能量含量始终不变,每公斤33千瓦时。 存储或者说是仓储的方式是有区别的。 氢气可以在特殊的载体材料中进行化学或物理结合。 另外,也可以将其冷却、液化或高压储存。

轻便是进步

“为了在小型飞机上使用,我们希望刻意避免氢气的冷却,从而避免氢气的液体储存,并发明了一种新的、极其坚固的圆形罐体形状。”Peter Stadthalter解释说。 “在这个很轻的罐子里,我们储存氢气的压力高达700巴。现在,我们未来两年的目标也是将燃料电池系统和控制技术的重量减轻90%,与纯电池储能的电驱动系统相比,总重量至少可以减轻80公斤!”

除了升阻比之外,飞机的重量对保持在空中所需的发动机功率也有很大影响,从而影响到在一定航程内所需的能量。 “我们的工程师一直致力于机械和电子部件的小型化,并将其与空气动力学和机身/机翼设计的改进结合起来,用于新的和进一步开发的飞机”,Kasaero GmbH的CEO Karl Kaeser这样描述他的30多名员工的工作。 Kaeser先生不仅是飞机研发和认证方面的专家,也是电动飞行的先驱,他已经为著名的Solar Impulse飞行、e-Genius的设计和众多现代电动模型做出了贡献。

新型燃料电池系统让空中流动更多的 “绿色”电力

燃料电池将氢气的生产过程反过来,与氧气一起将氢气变成电能和水。 一个电池供应的电压约为1V。一排这些电池连接在一起,形成一个堆栈,从而将总电压提高到所需的水平。 辅助装置为电堆提供氢气、空气和冷却水,并排除水蒸气和电力。 整个设计被称为 “燃料电池系统”。 产生的电能将被用来驱动电动机。 目前,整个电驱动系统–从氢气到驱动轴的效率约为60%。 使用内燃机的系统最多只能达到30%,燃气轮机或许能达到10%以上。 PS-HyTech和Kasaero公司的新型燃料电池系统可以覆盖巡航飞行中的全部能量或动力需求,并且装载非常均匀。 额外的电池组仅用于提供更高的起飞功率。 在巡航飞行期间,这些燃料电池系统会对其进行充电。 如果其中一个储能系统真的发生故障,剩余的系统可以实现安全降落。

从生产到航线飞行的正生态平衡

与天然气、原油等化石载体相比,生产氢气的成本可以更加透明地呈现出来,因为这些燃料的开采、运输和提炼都需要花费巨大的成本。 氢气几乎可以在世界任何地方大规模工业化生产,包括发展中国家和新兴国家。 生态平衡的决定性因素是电解工厂和运输工具都是由可再生资源提供的。

安全性和易维护性是重中之重

如今已经有许多公交车、商用车和一些乘用车,如丰田Mirai,都是用氢气运行的——主要的并发症尚不清楚。 在开发新的PS-HyTech/Kasaero系统的过程中,安全和低维护是首要任务。

纯氢本身不燃烧、不爆炸,无毒无味。 球形氢气罐是由一种非常优质的碳纤维以新工艺缠绕而成。 极低的品质波动和特别高的纤维承载能力,使每公斤氢气15公斤的罐体比重降低到5:1的比例。 “这真是一个巨大的飞跃”, Stadthalter高兴的说 相对较低的质量在假设的碰撞中也有积极作用。 氢气最大的危险隐患来自于700巴罐中机械储存的压力能量。 如果一个容积为250升的油箱(相当于10公斤氢气或200千瓦时的推进能量或10小时的飞行时间)实际发生爆裂,这只相当于约半升汽油在可燃混合物中的爆炸力。 飞机的安全概念包括在紧急情况下快速排空氢气罐,由救生系统独立触发。这样一来,氢气罐就没有压力了,一旦发生事故,就很安全。 这样一来,氢气罐就没有压力了,一旦发生事故,就很安全。

即使氢气系统出现泄漏,风险依然可控。如果有一个小的泄漏,氢气会在聚集成为氢氧混合气之前就通过所有裂缝消失。泄漏量较大时,流出速度很高,氢气很难点燃。Stadthalter说:”从技术上讲,空气也不可能穿透加压氢气系统,这也是为什么这种方式也不能形成氢氧混合气的原因。”

球罐是按照汽车行业的准则进行测试和认证的。 所需安全系数为2.25:这意味着对于工作压力为700巴的罐体,所需爆破压力为1575巴。 除了许多其他测试外,该油箱还必须经受住45000次模拟罐装操作。 然后,它被批准进行5000次灌装,每次可飞行时间约7小时或航程约1000公里。 “通过PS-HyTech/Kasaero系统,可以计算出500万公里的飞行距离”,Kaeser说。”这个距离实际上是由超轻型飞机还是小型飞机覆盖,还有待观察。” “这个距离实际上是由超轻型飞机还是小型飞机覆盖,还有待观察。”

到目前为止,还没有针对采用燃料电池系统的超轻型飞机的认证规定,因此也没有维修计划。 今后两年还将在这方面进行深入的工作。 “从技术上讲,我们的电-氢推进系统几乎是免维护的,”Stadthalter说。 “不过,年检对我们来说似乎是明智的。”

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