氢能在我国航空领域的应用：为航空网络脱碳实现技术经济优化

《Resources, Conservation and Recycling》：Hydrogen integration in China’s aviation sector: Techno-economic optimization for flight network decarbonization

氢能在中国国内航空脱碳中的应用研究通过需求侧情景与空间化技术经济网络优化框架，预测到2060年氢能可满足72%的燃料需求，年需量达42 Mt。成本中位数从2025年44.5元/公斤降至2060年23.7元/公斤，光伏风电资源丰富的省份形成成本优势集群，网络优化模型揭示集中式与分布式枢纽部署的权衡及系统物流需求。

　　

马克西米利安·阿拉斯（Maximilian Arras）| 法尔克·齐默（Falk Zimmer）| 亚历山大·劳（Alexander Rau）| 严武斌（Wubin Yan）| 郑莉（Zheng Li）| 马林伟（Linwei Ma）

清华大学-力拓资源、能源与可持续发展联合研究中心，低碳能源实验室，中国北京

摘要

氢能为实现航空业的脱碳提供了一条有前景的途径，而航空业是一个难以减排的行业，且可替代方案有限。本研究通过结合需求侧情景与空间化的技术经济和网络优化框架，评估了氢能在我国国内航空领域的应用潜力。在高需求条件下，到2060年氢能可能满足72%的燃料需求，每年需消耗4200万吨氢气。利用39个机场的地理空间可再生资源数据建立的线性规划模型显示，氢气的平准化成本存在显著区域差异：2025年至2060年间，成本中位数从44.5元/千克降至23.7元/千克。在太阳能和风能资源丰富的省份，氢能具有成本竞争力。网络优化模型揭示了集中式与分布式枢纽部署、基础设施建设时机以及系统整体物流方面的权衡。研究结果强调了氢能在航空业脱碳中的作用，并为跨行业资源整合和长期能源规划提供了参考。

引言

由于大气中温室气体浓度上升，气候变化对生态系统、经济和社会构成了日益严重的威胁。2024年二氧化碳浓度达到423 ppm，比工业化前不到280 ppm的水平高出近50%（Rebecca Lindsey, 2025）。实现全球气候目标亟需大规模脱碳。与供暖和道路交通等较易减排的行业相比，航空业面临的挑战尤为严峻，因此成为长期气候战略的重点。随着各国致力于深度脱碳，提供高效、清洁和灵活的能源供应变得至关重要。氢能作为一种有前景的能源选择，可在使用端实现零排放，具有较高的转换灵活性，并能与电力、热能和运输系统有效结合。中国作为全球最大的碳排放国（2023年排放量为11.9 GtCO?，Global Carbon Budget, 2024），通过发展可再生能源发电已取得显著进展，目前可再生能源发电量占电力需求的38%（Yang and Zhang, 2024）。然而，航空等难以减排的行业仍是实现完全脱碳和能源系统互联互通的主要障碍。2019年中国航空业占国内GDP的1.4%（International Air Transport Association, 2023），国内航班排放了5600万吨二氧化碳（Cui et al., 2022）。预计到2050年需求将增长三倍（Sch?fer and Barrett, 2022），除非大规模采用低碳替代方案，否则排放量将持续上升。传统喷气燃料在其生命周期内每兆焦耳排放81.1–94.8克二氧化碳（Jing et al., 2022），因此需要开发能够降低排放量的替代推进技术。多种方案可供选择，包括可持续航空燃料（SAFs，可减少76%–97%的生命周期排放量（Bell et al., 2025）、电池电动飞机和氢推进技术（Su-Ungkavatin et al., 2023, Ansell, 2023, Speizer et al., 2024）。然而，原料供应限制（Capaz et al., 2021）、储能能力不足（Sch?fer and Barrett, 2022）以及高可再生能源投入需求（Brazzola et al., 2025, Sacchi et al., 2023）等因素限制了这些技术的推广。综合评估表明，实现深度脱碳需要多种解决方案的结合（Bergero et al., 2023, Shevlin, 2024）。

氢能被视为短途和中等距离航班脱碳的理想选择，其能量密度高于电池且加油速度快。燃料电池、推进系统和机载储能技术的进步使得氢动力飞机原型机得以研制（Yusaf et al., 2024, K?sters et al., 2023, Rau et al., 2024）。尤其是利用太阳能和风能通过水电解制氢时，其生命周期排放量可接近零（Wen et al., 2024）。氢能航空的气候效益取决于使用的是清洁氢气。然而，其经济可行性仍受高成本制约，这反映了规模经济缺失以及基础设施复杂性和地域性障碍（Odenweller and Ueckerdt, 2025, Priesmann et al., 2021）。

中国在过去在电动汽车等技术领域的领先地位（Howell et al., 2014, Altenburg et al., 2022）使其在氢能航空创新方面具有独特优势。现有研究探讨了不同类型电解槽（Hazrat et al., 2022）、运输载体（Cui and Aziz, 2023）以及混合可再生能源系统（Li et al., 2023, Xiang et al., 2023）的技术经济性能。但这些研究仅单独评估了生产过程，忽略了机场的网络化特性和基础设施的协同部署需求。这种空间差异至关重要：氢能的整合不仅需与当地可再生能源供应相匹配，还需考虑机场连接性和区域需求（Zhao and Wang, 2025, Fang et al., 2024）。本研究通过三部分分析，探讨了氢能在我国国内航空业脱碳中的作用。首先量化了2060年前的氢能需求；接着利用地理空间可再生资源数据评估了机场集成氢能微电网的技术经济可行性；最后建立了基于网络的优化模型，评估了各机场的基础设施最优布局。这些研究共同明确了实现氢能航空所需的基础设施和系统设计要求。

方法

针对中国航空业的氢能减排路径，本研究首先预测了氢能航空的未满足需求潜力，随后对氢能机场枢纽的分布式部署进行了技术经济分析。

结果

本研究通过三个分析角度评估了氢能在我国航空业脱碳中的作用：首先制定了六种技术情景，预测2025至2060年的氢能需求趋势；其次评估了机场微电网中的氢能生产成本，考虑了特定地点的可再生资源和系统配置；最后通过两个优化模型探讨了基础设施的部署方案。

讨论

本研究通过预测绿色氢能需求、评估技术经济可行性以及优化我国国内航空网络的基础设施布局，为氢能在航空领域的应用提供了新的见解。尽管定量预测仍存在局限性（Liu et al., 2022预测氢能将在2060年满足5%的航空需求，对应250–310万吨氢气消耗），但如果这些保守的预测成为现实，大规模的机场基础设施建设将成为关键。

结论

本研究通过需求预测、技术经济建模和39个机场的网络优化，评估了氢能在我国国内航空业脱碳中的作用。在不同情景下，氢能的作用存在显著差异：在保守的预测中，氢能将作为过渡性能源，在本世纪中叶逐渐退出；而在乐观的预测中，氢能将成为核心能源，到2060年满足49%–72%的航空需求，年消耗量将达到2880–4220万吨。技术可行性是实现这一目标的关键因素。

作者贡献声明

马克西米利安·阿拉斯（Maximilian Arras）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计、数据验证、软件开发、项目管理、方法论研究、资金筹集、正式分析、数据整理、概念构思。 法尔克·齐默（Falk Zimmer）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化设计、数据验证、软件开发、方法论研究、数据整理、概念构思。 亚历山大·劳（Alexander Rau）：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。 严武斌（Wubin Yan）：撰写 – 审稿与编辑。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写过程中，作者使用了ChatGPT和DeepSeek工具来提升语言表达和可读性。使用这些工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对最终发布的文章内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢“碳中和与能源系统转型（CNEST）”计划的支持，以及“国家自然科学基金”通过“全球挑战与可持续发展科学基金”（项目编号W2442026）提供的资助。此外，本研究还得到了“德国学术交流服务（DAAD）”的奖学金支持。