未來(lái)坐飛機(jī)不全靠石油 各國(guó)生物航油藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)進(jìn)行時(shí)

◎特約撰稿 李東海（中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心副研究員）

未來(lái)坐飛機(jī)不全靠石油 各國(guó)生物航油藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)進(jìn)行時(shí)

◎特約撰稿 李東海（中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心副研究員）

英國(guó)BP石油公司2011年預(yù)測(cè)，目前世界已探明石油儲(chǔ)量按日均消耗量計(jì)算，僅可以再維持43.6年。這對(duì)嚴(yán)重依賴傳統(tǒng)航油的航空業(yè)界，將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。加上全球溫室氣體減排的迫切要求，改變航空的傳統(tǒng)能源模式，研發(fā)生物航空燃油替代傳統(tǒng)燃油以減少排放，就成為未來(lái)航空發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。世界多國(guó)以及中國(guó)，都在生物航空燃油領(lǐng)域進(jìn)行了成功的探索。

今年3月，美國(guó)航空航天局（NASA）在《自然》雜志上發(fā)表報(bào)告，公布了其與德國(guó)宇航研究院聯(lián)合進(jìn)行的“替代燃料對(duì)凝結(jié)尾流和巡航排放的影響”（ACCESS）項(xiàng)目研究成果。2013至 2014年間，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)證明，生物燃料可將飛機(jī)尾氣中的顆粒物排放量減少50%至70%，從而極大減少對(duì)大氣環(huán)境的影響。這一成果再次印證了航空生物燃料對(duì)地球和人類的友好程度更高。

第一代航空生物燃料與人奪食

為了應(yīng)對(duì)地球溫室氣體，各國(guó)航空界對(duì)用生物燃料替代化石燃料的研究由來(lái)已久。

航空生物燃料，是指用植物油與甲醇進(jìn)行酯交換制造的乙醇與生物柴油等可供航空使用的新型燃料。簡(jiǎn)單地說(shuō)，即是從生物質(zhì)原料中直接提煉航空燃油。

第一代生物燃料以糧食作物為生產(chǎn)原料，主要來(lái)源是玉米、小麥和大豆等，這種方式存在“與人奪食”的問(wèn)題，實(shí)用價(jià)值不高。

近年來(lái)，航空用生物燃料的原料更加多元化，涵蓋了非農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)廢料甚至食品垃圾，并逐漸形成以麻風(fēng)樹(shù)、亞麻薺、藻類和鹽生植物等作為主要原料的第二代生物燃料。第二代不再以糧食作物為原料，最大限度地降低了對(duì)食品供應(yīng)的威脅，且這些作物含油量高，對(duì)水和土壤等環(huán)境要求少，可大量生產(chǎn)，因此成為當(dāng)前航空生物燃料原料的主要來(lái)源。

目前，國(guó)外也形成了較為成熟的航空生物燃料加工方法，工藝主要有加氫精制、費(fèi)托合成（煤間接液化技術(shù)之一）和采用新原料、新工藝等。加氫精制的工藝以動(dòng)植物油脂為原料，采用常規(guī)油料洗滌工藝，去除雜質(zhì)，通過(guò)深度加氫處理，將長(zhǎng)鏈的脂肪酸轉(zhuǎn)化為較短鏈的、柴油碳數(shù)范圍內(nèi)的烷烴，然后對(duì)獲得的生物烷烴進(jìn)行異構(gòu)化和裂解，生成碳原子數(shù)符合航空燃料要求的烷烴，得到最終的產(chǎn)品——生物烷烴煤油。

第二代可完美替代傳統(tǒng)燃油

經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)表明，第二代的生物燃料可完美地替代傳統(tǒng)化石燃油，不需要發(fā)動(dòng)機(jī)或飛機(jī)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，燃料系統(tǒng)也無(wú)需大改。與傳統(tǒng)燃料相比，生物燃料的主要優(yōu)勢(shì)在于可極大減少溫室氣體排放，并使航空業(yè)界擺脫對(duì)化石燃料的嚴(yán)重依賴。國(guó)際運(yùn)輸組織通過(guò)對(duì)比研究，證實(shí)生物燃料可極大降低二氧化碳排放。國(guó)際運(yùn)輸組織提出“從2009至2020年，平均每年燃油效率提高1.5%；2020年實(shí)現(xiàn)碳排放零增長(zhǎng)；2050年碳排放量比2005年減少50%”的承諾目標(biāo)。

航空公司大量試飛結(jié)果也證明了這點(diǎn)。荷蘭皇家航空公司2011年6月在阿姆斯特丹至巴黎的航班上試用生物燃料，結(jié)果顯示該航班的二氧化碳排放量平均降低50%。

航空化石燃料只夠再用43年？

航空業(yè)界對(duì)生物燃料孜孜不倦的追求有其深刻背景。

當(dāng)前，化石燃料在世界基礎(chǔ)能源消耗中所占比例超過(guò)80%，航空運(yùn)輸幾乎完全依賴化石燃料。然而，化石燃料的不可再生性與日益增長(zhǎng)的能源需求構(gòu)成了矛盾，據(jù)英國(guó)BP石油公司2011年預(yù)測(cè)，目前世界已探明石油儲(chǔ)量按日均消耗量計(jì)算，僅可以再維持43.6年。這對(duì)航空業(yè)界將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，尋找用于替代化石燃料的新型航空燃料已是普遍共識(shí)。

航空生物燃料的原料來(lái)源、制備過(guò)程和燃油成品

此外，為了對(duì)抗全球氣候變暖，各國(guó)對(duì)于航空節(jié)能減排的要求日趨嚴(yán)苛。2008年，歐盟通過(guò)法案將國(guó)際航空領(lǐng)域納入歐盟碳排放交易體系，并于2012年1月起實(shí)施。改變航空傳統(tǒng)能源模式，研發(fā)生物航空燃油替代傳統(tǒng)燃油以減少排放，就成為航空的必由之路。

生物燃料在民用領(lǐng)域的進(jìn)展也引起了軍方的高度關(guān)注。一些國(guó)家的軍用航空裝備已進(jìn)入更新?lián)Q代的階段，新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用也面臨石油資源日益稀缺的巨大壓力。以美國(guó)為代表的航空大國(guó)，對(duì)軍機(jī)耗油率的要求成為設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。美國(guó)海軍在航空生物燃料方面更是一騎絕塵。2011年，美國(guó)海軍宣布，爭(zhēng)取到2025年實(shí)現(xiàn)海軍一半的燃油使用生物燃料。2012年，美海軍首次在環(huán)太平洋軍演中驗(yàn)證了水面艦和艦載機(jī)使用生物燃料的可行性，2016年海軍生物燃料使用量占燃料年消耗量的6.2%。

生物航油2008年開(kāi)始試飛

近年來(lái)，美國(guó)、歐洲和巴西等地區(qū)的飛機(jī)制造商、航空公司和發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商紛紛與能源和學(xué)術(shù)界通力合作，讓生物燃料技術(shù)加速成熟。航空用生物燃料原料的種植、制造等關(guān)鍵技術(shù)已得到突破，某些生物燃料進(jìn)入實(shí)際運(yùn)用的檢驗(yàn)階段。

航空業(yè)界開(kāi)展了大量試飛工作。早在2008年2月，一架A380就使用混合燃料（40%生物燃料和60%傳統(tǒng)燃料）進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。此后，多家航空公司都采用不同混合比例的生物燃料進(jìn)行飛行試驗(yàn)。

航空生物燃料在2011年達(dá)到一個(gè)重要的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。2011年美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（American Society for Testing and Materials，縮寫ASTM，是一家國(guó)際材料認(rèn)證機(jī)構(gòu)），對(duì)生物燃料中的氫化可再生航空燃料在民用航空的使用進(jìn)行認(rèn)證，使得采用生物燃料的商業(yè)飛行成為可能。ASTM限定了實(shí)際使用的生物燃料最高只能與普通燃油按1比1的比例混合，而這也成為目前生物燃料使用的主流混合比例。德國(guó)漢莎航空成為第一個(gè)嘗試者，2011年漢莎航空試飛了世界上首條采用生物燃料的日常商用航線。從該年7月到12月，漢莎航空在漢堡至法蘭克福的航線上布置了一架最新交付的A321型客機(jī)。該架飛機(jī)每天執(zhí)飛1至8個(gè)小時(shí)，共消耗1556噸生物燃油。

波音787客機(jī)采用生物燃料進(jìn)行跨洋飛行

美國(guó)波音公司和日本全日空航空公司甚至開(kāi)始在最新的民機(jī)型號(hào)上試驗(yàn)生物燃料，而不再只限于成熟機(jī)型。2012年，波音交付給全日空的第7架787型客機(jī)時(shí)，該機(jī)從華盛頓飛往東京，當(dāng)時(shí)就采用了生物燃料。這也是歷史上航空首次使用生物燃料跨太平洋飛行。此次所用的生物燃料主要由廚余廢油提煉而成，與同等尺寸的飛機(jī)相比，二氧化碳等溫室氣體的排放量減少約30%。其中20%歸功于787的新技術(shù)，10%歸功于生物燃料的使用。

2012年10月，加拿大國(guó)家研究理事會(huì)完成了生物燃料的又一突破，該理事會(huì)的一架“獵鷹”20飛機(jī)從渥太華到蒙特利爾的往返飛行90分鐘，兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)都采用100%的生物燃油。一些航空公司估計(jì)，到2025年將有高達(dá)25%的航空燃料為生物燃料，2030年則會(huì)增至30%，2040年將達(dá)到40%。

生物航油目前還是太貴

當(dāng)前，由于還沒(méi)有形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈，生物航油還存在一些產(chǎn)業(yè)初期的困難，主要集中在產(chǎn)能和價(jià)格等方面。

原料來(lái)源始終是制約航空生物燃料商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。2012年1月，德國(guó)漢莎航空就是由于庫(kù)存的生物燃料即將耗盡且沒(méi)有其他來(lái)源，決定終止其使用生物燃料的定期商業(yè)航班。除了原料供應(yīng)跟不上外，生物燃料對(duì)航空而言還是太貴了。由于從生物油中最初產(chǎn)出的是柴油，需要第二次分裂去碳才能產(chǎn)出航空燃料，因此生產(chǎn)成本要高于傳統(tǒng)燃料。芬蘭航空的一位副總裁就曾說(shuō)過(guò)：“限制生物燃料應(yīng)用的3個(gè)因素是‘價(jià)格、價(jià)格，還是價(jià)格’?！币话銇?lái)說(shuō)，生物燃料的成本價(jià)是傳統(tǒng)航空燃油的2至3倍。

“滴入式”加入航油大軍最可行

當(dāng)前，航空生物燃料技術(shù)已成為熱點(diǎn)，但要想大規(guī)模運(yùn)用還有很長(zhǎng)的路要走，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析、尋找適當(dāng)?shù)脑戏N植地、生產(chǎn)原料、建立提煉廠、在機(jī)場(chǎng)設(shè)立提純及輸油系統(tǒng)等多道程序。為保證安全性的最高標(biāo)準(zhǔn)，還必須經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次空中試飛，甚至是各種極端條件下的實(shí)驗(yàn)和試飛。還要在包括地面靜止、開(kāi)車、起飛、加速、減速等各種條件下進(jìn)行油耗測(cè)試，此外還要對(duì)生物燃油的排放程度和煙霧濃度進(jìn)行測(cè)試。

目前，無(wú)論是軍方還是航空公司，都認(rèn)為生物燃料應(yīng)當(dāng)“滴入式”加入航空燃料的隊(duì)伍，即逐漸加大生物燃料的應(yīng)用力度，而不是大規(guī)模直接替代傳統(tǒng)燃料。

一方面，生物燃料與傳統(tǒng)燃油混合可以緩解原料不足的問(wèn)題；另一方面，采用逐漸擴(kuò)大規(guī)模的方式，可避免出現(xiàn)始料未及的情況時(shí)，機(jī)隊(duì)無(wú)油可用的局面。滴入式加入還有一個(gè)好處——不需要為生物燃料專門進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)的大改。

德國(guó)漢莎航空使用生物燃料進(jìn)行商業(yè)飛行的A321客機(jī)

德國(guó)航天局與漢莎科技公司合作進(jìn)行生物燃料混合煤油在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用測(cè)試。