航空減碳之路

楊曉軍　何虹霖

近些年來(lái)，氣候變暖、減碳已成為全球共識(shí)。2016年各國(guó)在紐約簽署的《巴黎協(xié)定》為2020年后全球應(yīng)對(duì)氣候變化行動(dòng)作出了安排，長(zhǎng)期目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時(shí)期上升的幅度控制在2℃以?xún)?nèi)，并努力限制在1.5℃以?xún)?nèi)，而要實(shí)現(xiàn)1.5℃的目標(biāo)，需要2030年的排放比2010年削減45%，并在2050年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

在此背景下，各國(guó)紛紛宣布了自己的碳中和目標(biāo)。歐盟委員會(huì)于2021年7月14日提出“Fit for 55”法規(guī)與政策一攬子提案，確保歐盟溫室氣體凈排放量在2030年減少55%，在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和。在航空方面，將逐漸取消免費(fèi)的碳排放配額，鼓勵(lì)使用可持續(xù)航空燃油，并要求航空燃油供應(yīng)商在歐盟區(qū)域機(jī)場(chǎng)供應(yīng)的航空燃油中增加更高比例的可持續(xù)航空燃油。

2020年12月12日，習(xí)近平總書(shū)記在氣候雄心峰會(huì)上宣布中國(guó)國(guó)家自主貢獻(xiàn)一系列新舉措，即到2030年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。

中國(guó)航空制造與運(yùn)輸業(yè)作為國(guó)內(nèi)眾多排碳行業(yè)的一員，應(yīng)當(dāng)自覺(jué)響應(yīng)國(guó)家減碳行動(dòng)的號(hào)召，努力為國(guó)家節(jié)能減排作出自己的貢獻(xiàn)。本文從雙碳背景和最新的國(guó)際綠色發(fā)展形式出發(fā)，探討其對(duì)中國(guó)航空制造與運(yùn)輸業(yè)的影響。

減碳的關(guān)鍵在“控油”

2019年，中國(guó)航空制造與運(yùn)輸業(yè)的碳排放量達(dá)到了1.16億噸，大約占了全國(guó)二氧化碳排放總量的1%。隨著新能源汽車(chē)的推廣普及，鐵路行業(yè)電氣化率達(dá)到100%，預(yù)計(jì)到2060年，公路和鐵路行業(yè)都有望實(shí)現(xiàn)零排放。但民航業(yè)的發(fā)展速度快，而且飛機(jī)電動(dòng)化、綠色航空燃油等技術(shù)受到安全性和經(jīng)濟(jì)性的制約，很難實(shí)現(xiàn)突破，預(yù)計(jì)到2060年，航空運(yùn)輸業(yè)的能耗將是2019年的3倍，在交通運(yùn)輸業(yè)碳排放所占比例將會(huì)上升到87.4%。

那么中國(guó)民航碳排放的源頭在哪兒？

民航業(yè)二氧化碳的主要排放源為航油燃料燃燒所產(chǎn)生的碳排放、機(jī)場(chǎng)單位所產(chǎn)生的碳排放、航空公司地面服務(wù)所產(chǎn)生的碳排放以及空管和其他民航企事業(yè)單位所產(chǎn)生的碳排放。航油燃料在燃燒的過(guò)程中能產(chǎn)生的廢氣有CO????2、NOX、CO、SOX等，其中CO????2占總排放氣體的70%左右。約有10%的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣直接排放于地面，被視為機(jī)場(chǎng)當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量污染，而其余90%的發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放于高空，被視為溫室氣體排放。

從表2可以看出，航空公司的燃油對(duì)于碳排放就“貢獻(xiàn)”了94%的占比。由此可見(jiàn)，如何減碳的關(guān)鍵在于如何“控油”，即如何提高燃油效率，并提高清潔能源使用量。

面臨的壓力與挑戰(zhàn)

2016年10月，國(guó)際民航組織（ICAO）第39屆大會(huì)通過(guò)了具有歷史意義的國(guó)際航空碳抵消和減排計(jì)劃（Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation， CORSIA），要求航空公司以2019年的排放水平為基準(zhǔn)，抵消任何超過(guò)排放基準(zhǔn)的碳增長(zhǎng)。

CORSIA在初期（2021-2026）采取自愿原則，各國(guó)自愿決定是否參與CORSIA，但從2027年開(kāi)始，所有成員國(guó)都必須參與，并且2030年之后將逐漸過(guò)渡到依據(jù)航空公司的個(gè)體增長(zhǎng)率計(jì)算減排責(zé)任，這就給中國(guó)等快速增長(zhǎng)的發(fā)展中國(guó)家?guī)?lái)了不公平的減排責(zé)任，在機(jī)制設(shè)計(jì)上容易造成市場(chǎng)扭曲。因?yàn)楣┙o缺少?gòu)椥?，需求端的所有沖擊的影響都落在價(jià)格上，會(huì)導(dǎo)致價(jià)格波動(dòng)過(guò)大，對(duì)企業(yè)等經(jīng)濟(jì)主體的經(jīng)營(yíng)規(guī)劃可能帶來(lái)大的沖擊。

從更大的視角看，實(shí)現(xiàn)碳中和，最根本的手段還是技術(shù)創(chuàng)新下的能源革命，意味著需要通過(guò)科技研發(fā)實(shí)現(xiàn)正的外部性，但航空科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不確定性很大，必須有國(guó)家的長(zhǎng)期支持才有可能實(shí)現(xiàn)突破。我國(guó)面臨的挑戰(zhàn)有二：

一是我國(guó)民機(jī)產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段。2017年ICAO通過(guò)了航空器二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，要求2020年后新型號(hào)飛機(jī)必須滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，正在生產(chǎn)中的航空器須自2023年起滿(mǎn)足其相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，這無(wú)疑將進(jìn)一步增加我國(guó)航空器進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)的難度。因此，低碳環(huán)保水平將成為我國(guó)大飛機(jī)能否走向世界市場(chǎng)的關(guān)鍵條件之一。

二是可持續(xù)航空燃油的應(yīng)用已經(jīng)在國(guó)外航空業(yè)如火如荼地開(kāi)展，ICAO主導(dǎo)下的可持續(xù)航空燃油的可持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)、審定機(jī)制以及全生命周期計(jì)算方法都日趨完善，而我國(guó)受限于原材料和市場(chǎng)需求的不足，一直沒(méi)能在低碳和負(fù)碳燃油技術(shù)研發(fā)上有所突破，在碳中和背景下，需要在政策機(jī)制到位情況下迅速開(kāi)展相關(guān)研究。

減碳的成就和目標(biāo)

作為世界第二大航空運(yùn)輸大國(guó)，我國(guó)正積極參與國(guó)際民航組織針對(duì)氣候變化與控制航空排放的相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)的制定，并在實(shí)踐中取得了可喜的成績(jī)。

2020年，中國(guó)民航噸公里油耗為0.316公斤，與2005年比較（行業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)基年）下降了7.1%?？偣灿?8.97萬(wàn)架次航班使用臨時(shí)航路，縮短了飛行距離1232萬(wàn)公里，節(jié)省燃油消耗6.65萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放約20.95萬(wàn)噸。

2021年3月，中國(guó)民航局印發(fā)《關(guān)于“十四五”期間深化民航改革工作的意見(jiàn)》，在“形成民航綠色發(fā)展的機(jī)制制度”中明確提出圍繞國(guó)家雙碳目標(biāo)制定民航“低碳發(fā)展中長(zhǎng)期路線圖”和“綠色民航標(biāo)準(zhǔn)體系”。同時(shí)鼓勵(lì)航空公司積極使用可持續(xù)航空燃油，并建立基于市場(chǎng)的民航節(jié)能減排機(jī)制。

減碳新技術(shù)

航空制造與運(yùn)輸業(yè)要想減碳，實(shí)現(xiàn)碳中和，在體制機(jī)制的設(shè)計(jì)之外，最為根本的是通過(guò)研發(fā)顛覆性技術(shù)來(lái)減少二氧化碳排放。

在飛機(jī)技術(shù)方面，目前最有希望也最被看好的是通過(guò)設(shè)計(jì)新型氣動(dòng)布局和新材料的應(yīng)用，來(lái)減少二氧化碳排放。目前，該方向主要聚焦在桁架支撐翼、翼身融合、雙氣泡機(jī)身、連接翼等幾種主要的新概念布局，并已陸續(xù)進(jìn)入技術(shù)驗(yàn)證階段。

所謂桁架支撐翼，就是在機(jī)翼底部的機(jī)身處設(shè)計(jì)安裝一個(gè)主支撐結(jié)構(gòu)，并通過(guò)一個(gè)或多個(gè)輔助支撐結(jié)構(gòu)與機(jī)翼相連，從而對(duì)機(jī)翼起到支撐作用。該布局能夠有效解決傳統(tǒng)懸臂梁式機(jī)翼因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣動(dòng)彈性等約束問(wèn)題而導(dǎo)致翼展受限的問(wèn)題，從而大幅度增加飛機(jī)機(jī)翼的展弦比，并有效地提高燃油效率。該技術(shù)有望在2030年前投入市場(chǎng)，并且能夠帶來(lái)至少10%的碳減排收益。

翼身融合氣動(dòng)布局是指機(jī)翼和機(jī)身高度融合的全升力面飛機(jī)外形，在相同負(fù)載的情況下，翼身融合外形能夠減小飛行中的摩擦阻力，提高燃油和飛行效率，在減排方面能夠減少碳排放量20%左右，若配合節(jié)能減排的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)或清潔能源技術(shù)，減碳效果能夠提高到50%以上。

對(duì)于翼身融合的研究，國(guó)內(nèi)外都在開(kāi)展，比如NASA和波音聯(lián)合啟動(dòng)了X-48項(xiàng)目，并先后推出了X-48B和X-48C兩款翼身融合布局設(shè)計(jì)的無(wú)人駕駛驗(yàn)證機(jī);2019年，荷蘭皇家航空公司（KLM）與代爾夫特理工大學(xué)合作共同研發(fā)了“Flying-V”翼身融合體飛機(jī);在國(guó)內(nèi)，一批企業(yè)和高校也陸續(xù)開(kāi)展了大量的研究。

除了在氣動(dòng)布局上做改變，材料方面的改進(jìn)也是一項(xiàng)很重要的碳減排項(xiàng)目。在“雙碳”背景下，人們正致力于研究新型材料在飛機(jī)上的應(yīng)用，以滿(mǎn)足綠色航空發(fā)展的要求。比如，希望通過(guò)飛機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)重量的減輕來(lái)達(dá)到碳減排的效果，一些新型輕質(zhì)材料（復(fù)合材料、蜂窩狀材料以及碳納米管等等）的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要;為了使飛機(jī)能夠在不同工況下達(dá)到最大減排效果，智能材料（形狀記憶合金、壓電材料等等）就能發(fā)揮其最大的用途;還有通過(guò)提高部件效率而設(shè)計(jì)的高溫材料（鎳基高溫合金、復(fù)合材料）等。

在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方面，全球航空業(yè)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)革命性創(chuàng)新的研究，已經(jīng)開(kāi)展了很多年。其中有創(chuàng)新型外觀的開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī);有加入齒輪減速器的齒輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī);也有改變傳統(tǒng)熱力循環(huán)的中冷回?zé)岚l(fā)動(dòng)機(jī);還有具備變循環(huán)工作特性的自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)等等。這些發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)都具有一個(gè)優(yōu)勢(shì)，就是能夠減少二氧化碳的排放。

開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，可以看作是帶有先進(jìn)高速螺旋槳的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，也可以看作是去除外涵道的超高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，因此又稱(chēng)槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)，或者無(wú)涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)。其兼具渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)的高推進(jìn)效率、低燃油消耗以及渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行速度大等優(yōu)點(diǎn)，所以開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在較高的飛行速度下保持較高的推進(jìn)效率。同時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)還不受短艙重量和阻力增加的制約，因此可以選用超大的涵道比（30～90），而涵道比越大，推進(jìn)效率越高，碳排放量就會(huì)越低，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)和渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)能減排方面比傳統(tǒng)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)更具有優(yōu)勢(shì)。

新能源革命

在革命性的飛機(jī)技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)之外，還有一種減排的技術(shù)方案——新的清潔能源。目前，清潔能源的研究大致集中于氫能、電推進(jìn)和可持續(xù)航空燃料（SAF）。

現(xiàn)階段，氫能推進(jìn)技術(shù)最受關(guān)注的兩項(xiàng)技術(shù)就是氫渦輪和氫燃料電池。

氫渦輪一般分為氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)和氫渦輪電動(dòng)風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)兩種形式。前者的結(jié)構(gòu)與目前民用航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造基本相同，基本原理就是氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生壓力推動(dòng)渦輪并帶動(dòng)風(fēng)扇產(chǎn)生推力;而后者則是通過(guò)渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后利用電能來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇，從而產(chǎn)生推力。

氫燃料電池也是一種能夠?qū)崿F(xiàn)低碳排放的動(dòng)力裝置。與氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，氫燃料電池內(nèi)部的氫氧電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境純凈，基本不會(huì)產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)核，因此其能夠在極大程度上減少尾跡云的形成問(wèn)題。但存在一個(gè)問(wèn)題是氫燃料電池的能量密度不足，因此存在壽命短、輸出功率不足等問(wèn)題，導(dǎo)致其不能用于遠(yuǎn)距離航空運(yùn)輸。

說(shuō)到電力驅(qū)動(dòng)，人們首先想到的是全電動(dòng)的概念。所謂的全電動(dòng)，是指電池作為飛機(jī)上唯一的推進(jìn)動(dòng)力源，由電池向電動(dòng)機(jī)供電，驅(qū)動(dòng)其帶動(dòng)風(fēng)扇或螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生推力。理論上說(shuō)，全電動(dòng)飛機(jī)可實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，是一種極好的清潔能源。但實(shí)際上存在很多問(wèn)題難以解決，比如電池能量密度不足的問(wèn)題;還有就是安全問(wèn)題，目前有很多新聞報(bào)道了電動(dòng)汽車(chē)由于電池安全問(wèn)題自燃的情況發(fā)生，若是安全問(wèn)題沒(méi)有得以解決，就更別提能在航空領(lǐng)域應(yīng)用全電技術(shù)了。

全電動(dòng)暫時(shí)行不通，混合動(dòng)力或是一種替代方案。所謂混合動(dòng)力，即由燃?xì)鉁u輪提供推力的同時(shí)向電池充電，電池再向電動(dòng)機(jī)供電，利用電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)風(fēng)扇或螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生推力。這種方案下的發(fā)動(dòng)機(jī)不僅涵道比可以提高到18左右，還始終能夠在最佳工況點(diǎn)附近工作，因此其兼具效率高和減碳性能好的優(yōu)點(diǎn)。該混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)鉁u輪工作模式下，其燃油消耗率可減低28%左右;而在電力工作模式下，可實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放。

可持續(xù)航空燃料，英文全稱(chēng)是Sustainable Aviation Fuel，簡(jiǎn)稱(chēng)SAF，其燃料的來(lái)源大都是些非糧食作物、廢棄物、可再生電力以及從空氣中去除的二氧化碳等。該技術(shù)已在民航業(yè)試用多年，但因成本較高等原因，短期內(nèi)無(wú)法大規(guī)模推廣。

改進(jìn)運(yùn)行環(huán)境

新技術(shù)和新能源研發(fā)的成功，并不意味著碳減排技術(shù)工作的結(jié)束。新技術(shù)和新能源的應(yīng)用，需要新的政策和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)來(lái)支撐，通過(guò)對(duì)飛機(jī)運(yùn)行環(huán)境的改進(jìn)，來(lái)適應(yīng)民航綠色新技術(shù)的發(fā)展，這才是一個(gè)完整的減碳技術(shù)鏈。

在航空公司方面，各大航司應(yīng)密切關(guān)注國(guó)際上各大環(huán)保策略，并針對(duì)新技術(shù)的引入，制定合適的排放額管理制度，實(shí)現(xiàn)我國(guó)民航碳資源的合理分配和利用。其次，航司應(yīng)多引進(jìn)環(huán)保節(jié)能機(jī)型，淘汰老舊高耗油、高排放的飛機(jī)，并對(duì)航路進(jìn)行合理優(yōu)化，通過(guò)縮短飛行航程和飛行時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)降低油耗和減少碳排放。

在空中交通管制系統(tǒng)方面，應(yīng)不斷研發(fā)先進(jìn)的通信、情報(bào)、導(dǎo)航和監(jiān)控技術(shù)，從而提高空管的指揮和管理水平，減少飛機(jī)的空中擁堵、空中等待和地面等待時(shí)間，縮短飛機(jī)地面滑行時(shí)間和進(jìn)離港航線距離?？展懿块T(mén)還應(yīng)適時(shí)優(yōu)化空域結(jié)構(gòu)，緩解繁忙空域的飛行壓力，以便在最大程度上降低飛機(jī)在空中盤(pán)旋等待時(shí)的燃油消耗和不必要的碳排放。

在機(jī)場(chǎng)設(shè)施和服務(wù)建設(shè)方面，應(yīng)針對(duì)不同的新機(jī)型和新技術(shù)，考慮低能耗方案，設(shè)計(jì)與之匹配的候機(jī)樓、停機(jī)坪和跑道等基礎(chǔ)設(shè)施，在確保新技術(shù)飛機(jī)能夠商用的同時(shí)，減少航班進(jìn)出港時(shí)在地面的滑行等待時(shí)間，從而減少碳排放量。同時(shí)，還可以盡量利用地面電源和空調(diào)設(shè)備代替飛機(jī)APU（輔助動(dòng)力裝置），以減少APU在地面運(yùn)行時(shí)的碳排放。

在政策方面，應(yīng)鼓勵(lì)加大低碳技術(shù)研發(fā)的投資力度，促進(jìn)低碳技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，推動(dòng)以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的低碳技術(shù)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化體系建設(shè)。

結(jié)合上述技術(shù)與政策、運(yùn)行環(huán)境的改進(jìn)，航空制造與運(yùn)輸業(yè)必能適應(yīng)“雙碳”背景下的時(shí)代潮流，為應(yīng)對(duì)氣候變化作出自己的貢獻(xiàn)。（本文圖片由宋楊提供）