基于機(jī)隊(duì)視角的中國(guó)民航運(yùn)輸?shù)吞及l(fā)展情景分析

袁志逸， 彭天鐸， 任 磊， 歐訓(xùn)民

(1． 清華大學(xué) 能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100084；2．清華大學(xué) 現(xiàn)代管理研究中心，北京 100084；3． 清華-力拓資源能源與可持續(xù)發(fā)展研究中心，北京 100084；4． 清華大學(xué) 氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院，北京 100084)

作為全球最大碳排放國(guó)，中國(guó)宣布力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。交通運(yùn)輸是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，也是碳排放的重要來(lái)源，目前約占中國(guó)能源相關(guān)碳排放的10%，未來(lái)仍有較大增長(zhǎng)空間。民航作為時(shí)效性最強(qiáng)的中遠(yuǎn)途運(yùn)輸方式，近年來(lái)發(fā)展迅速，2013—2019年，中國(guó)交通部門客運(yùn)周轉(zhuǎn)量年均增速為5.6%，而同期民航客運(yùn)周轉(zhuǎn)量年均增速高達(dá)12.9%，機(jī)隊(duì)規(guī)模增長(zhǎng)了63%[2]。民航運(yùn)輸服務(wù)需求的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致其成為中國(guó)交通部門中能源消費(fèi)和碳排放增長(zhǎng)最快的子部門，其碳排放在交通部門中的占比從2013年的7.7%增長(zhǎng)至2019年的11.6%[2]。在碳中和目標(biāo)下，中國(guó)民航運(yùn)輸亟需加快低碳轉(zhuǎn)型。目前已開始在相關(guān)政策規(guī)劃中對(duì)民航關(guān)鍵脫碳技術(shù)發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)布局，但由于飛行安全的高標(biāo)準(zhǔn)及飛機(jī)技術(shù)構(gòu)造和運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性，民航運(yùn)輸是交通部門中脫碳難度最大的交通方式之一。評(píng)估民航運(yùn)輸?shù)吞技夹g(shù)特征和發(fā)展趨勢(shì)，并科學(xué)選擇實(shí)現(xiàn)近零排放的最優(yōu)低碳發(fā)展路徑，將對(duì)決策者制定政策和行業(yè)發(fā)展有重要借鑒意義。

周轉(zhuǎn)量法[3-4]和基于距離的測(cè)算方法[5-6]為較為通用的2種研究民航運(yùn)輸減排路徑的方法。周轉(zhuǎn)量法主要基于客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量、單位周轉(zhuǎn)量能耗強(qiáng)度、燃料含碳因子來(lái)測(cè)算能源消費(fèi)量和碳排放?；诰嚯x的測(cè)算方法依據(jù)燃料類型占比、運(yùn)輸距離和負(fù)載率等航線級(jí)數(shù)據(jù)，計(jì)算當(dāng)年航班規(guī)劃下民航運(yùn)輸?shù)哪茉聪M(fèi)量和碳排放。民航運(yùn)輸存在多種減排措施，如能效提升、翻新技術(shù)、運(yùn)行管理技術(shù)、替代燃料和新一代機(jī)身技術(shù)等，而以上兩種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)隊(duì)層面的關(guān)鍵減排措施和技術(shù)的詳細(xì)分析。

國(guó)外學(xué)者從機(jī)隊(duì)的更迭和退役視角分析民航運(yùn)輸?shù)吞及l(fā)展的解決方案，機(jī)隊(duì)規(guī)劃模型按照機(jī)型座位數(shù)和設(shè)計(jì)航程對(duì)機(jī)隊(duì)類型進(jìn)行詳細(xì)劃分，且綜合考慮了機(jī)隊(duì)、機(jī)場(chǎng)、航司和政府政策之間的相互影響[7-10]。如Sch?fer等[8]開發(fā)了AIM2015模型，綜合考慮城市級(jí)別運(yùn)輸需求、代際機(jī)型的更迭、低碳技術(shù)的發(fā)展、飛行成本和收益以及飛機(jī)能效進(jìn)步等，分析全球范圍內(nèi)的民航運(yùn)輸機(jī)型和各類低碳技術(shù)應(yīng)用規(guī)模。

已有許多研究對(duì)中國(guó)民航運(yùn)輸未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，但以傳統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量法的情景分析[11-12]為主，從機(jī)隊(duì)層面的文獻(xiàn)還較少，考慮的民航運(yùn)輸?shù)吞紲p排措施也不夠全面，主要涉及自身能效提升和生物質(zhì)燃料的應(yīng)用，忽略了如翻新技術(shù)、運(yùn)行管理技術(shù)和新一代機(jī)身技術(shù)等低碳減排技術(shù)。開展機(jī)隊(duì)視角的民航能源消費(fèi)和碳排放研究對(duì)中國(guó)民航部門轉(zhuǎn)型發(fā)展具有新的啟示和借鑒，需對(duì)低碳民航技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行更為細(xì)致地研究，包括以提升機(jī)隊(duì)滑行、降落等整體運(yùn)行能效的管理技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有機(jī)隊(duì)進(jìn)行翻新的節(jié)能技術(shù)，替代燃料技術(shù)，以及新一代航空技術(shù)等。

基于此，筆者建立基于機(jī)隊(duì)優(yōu)化方法的中國(guó)民航運(yùn)輸碳排放分析模型(Airline Fleet Carbon Emissions Analysis Model，AFCEAM)，在歷史機(jī)隊(duì)數(shù)據(jù)和低碳發(fā)展技術(shù)詳細(xì)刻畫基礎(chǔ)上，分析民航運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)近零排放目標(biāo)的最優(yōu)發(fā)展路徑；量化氫能飛機(jī)、生物質(zhì)燃料和翻新技術(shù)等關(guān)鍵低碳技術(shù)在關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的應(yīng)用規(guī)模；探究氫能價(jià)格等關(guān)鍵影響因素對(duì)民航運(yùn)輸發(fā)展路徑的影響，以期助力民航低碳發(fā)展。

1 AFCEAM模型

1.1 模型設(shè)計(jì)思路

AFCEAM模型由2個(gè)相互連接的模塊組成，包括機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊和碳排放分析模塊。機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊以機(jī)隊(duì)轉(zhuǎn)型成本最小為目標(biāo)，基于混合整數(shù)規(guī)劃方法設(shè)計(jì)優(yōu)化程序，求解一定碳排放約束下機(jī)隊(duì)在購(gòu)買、退役、翻新、管理和替代燃料應(yīng)用等方面的最優(yōu)決策，輸出低碳技術(shù)應(yīng)用時(shí)間、規(guī)模及機(jī)隊(duì)技術(shù)構(gòu)成。機(jī)隊(duì)成本包括機(jī)隊(duì)運(yùn)行的燃料成本、購(gòu)置成本和維護(hù)成本，涉及的技術(shù)決策包括機(jī)隊(duì)翻新技術(shù)、運(yùn)行管理技術(shù)、客機(jī)自身進(jìn)步和替代燃料技術(shù)等主要航空低碳技術(shù)。碳排放分析模塊在機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊基礎(chǔ)上，測(cè)算分析機(jī)隊(duì)碳排放及不同低碳技術(shù)的減排貢獻(xiàn)。

1.2 機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊

模塊的優(yōu)化決策和處理過(guò)程如圖1所示。機(jī)隊(duì)運(yùn)行決策過(guò)程主要包括新需求出現(xiàn)時(shí)購(gòu)買飛機(jī)的決策、對(duì)老齡機(jī)隊(duì)是否采用各類翻新技術(shù)來(lái)提升能效進(jìn)行決策、對(duì)現(xiàn)有機(jī)隊(duì)是否采用各類運(yùn)行管理技術(shù)進(jìn)行決策以及對(duì)是否購(gòu)買替代燃料技術(shù)飛機(jī)進(jìn)行決策。

圖1 機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊決策思路和處理過(guò)程Fig.1 Framework of airline fleet optimization module

模塊考慮的4類成本分別是購(gòu)置成本、燃料成本、翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)應(yīng)用成本以及維護(hù)成本。購(gòu)置成本包括購(gòu)買新型飛機(jī)的成本及主動(dòng)退役飛機(jī)后的殘值收益，模塊共考慮五類飛機(jī)技術(shù)，分別是上一代際機(jī)型(2015年前生產(chǎn)的機(jī)型)、當(dāng)前代際機(jī)型(2020年前后投產(chǎn)并商用的機(jī)型)、下一代際機(jī)型(2035年后入役的機(jī)型)、氫能飛機(jī)和電動(dòng)飛機(jī)。燃料成本綜合考慮了各類燃料技術(shù)飛機(jī)所用燃料，并可進(jìn)一步劃分為出泊階段和巡航階段燃料成本。翻新技術(shù)是指對(duì)機(jī)齡大于1 a的飛機(jī)進(jìn)行翻新從而提升其能效水平的技術(shù)。運(yùn)行管理技術(shù)是指一系列以提升機(jī)隊(duì)整體運(yùn)行能效水平為目的的運(yùn)行優(yōu)化措施。

模塊輸入包括中國(guó)民航機(jī)隊(duì)的各機(jī)齡機(jī)隊(duì)保有量、機(jī)隊(duì)能效數(shù)據(jù)、各類低碳減排技術(shù)的成本及收益、飛機(jī)燃料價(jià)格和民航運(yùn)輸近零排放約束。通過(guò)模型優(yōu)化計(jì)算后，能夠輸出成本最低時(shí)各期飛機(jī)購(gòu)買量及退役量、機(jī)隊(duì)保有量及構(gòu)成、各類低碳航空技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模等。

模塊優(yōu)化目標(biāo)是使得2020—2060年模擬周期內(nèi)民航機(jī)隊(duì)運(yùn)行成本最小，計(jì)算方法如下：

(1)

式中：C為總體運(yùn)行成本；t為期數(shù)，即年份；CPur,t為t年份機(jī)隊(duì)新購(gòu)置飛機(jī)的成本；CLqd,t為t年份飛機(jī)主動(dòng)退役的殘值回收；CRetrofit,t為t年份翻新技術(shù)的應(yīng)用成本；COP,t為t年份運(yùn)行管理技術(shù)的應(yīng)用成本；CMaintain,t為t年份機(jī)隊(duì)維護(hù)成本；CFuel,t為t年份機(jī)隊(duì)燃料成本；d為貼現(xiàn)率。詳細(xì)模型決策變量設(shè)定、約束公式可參見文獻(xiàn)[13]。

1.3 碳排放分析模塊

碳排放分析模塊計(jì)算原理如圖2所示。民航運(yùn)輸能耗由民航貨運(yùn)、寬體客機(jī)、窄體客機(jī)和支線客機(jī)能耗加總得來(lái)。貨運(yùn)能耗采用周轉(zhuǎn)量法，由貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量和單位運(yùn)輸量能耗因子計(jì)算得到，客運(yùn)能耗采用保有量法，由不同類型客機(jī)的機(jī)隊(duì)數(shù)量、單次航班航距、單機(jī)飛行頻次和能耗強(qiáng)度相乘計(jì)算，計(jì)算式見式(2)。CO2排放由能耗(主要是航空煤油消費(fèi)量)和燃料排放因子計(jì)算得到。

(2)

式中：E為行業(yè)能源消費(fèi)總量；i為客機(jī)類別(包括寬體、窄體和支線客機(jī))；r為機(jī)隊(duì)中各燃料技術(shù)路線和飛機(jī)類型；R為不同燃料技術(shù)路線數(shù)量；P為機(jī)隊(duì)數(shù)量；F為單機(jī)執(zhí)飛頻次；I為單機(jī)單次飛行能源消費(fèi)量；A為民航貨運(yùn)完成周轉(zhuǎn)量；EFuel為民航貨運(yùn)能耗強(qiáng)度。

式(2)中各自變量的選擇涉及大量技術(shù)細(xì)節(jié)，每個(gè)參數(shù)的確定涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)調(diào)研和分析。如I涉及到起飛和巡航2個(gè)階段：起飛階段能耗包括飛機(jī)滑行、爬升、降落和入位等，由各機(jī)型采用發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛功率和國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)的平均起飛時(shí)間計(jì)算；巡航階段能源消費(fèi)量與等效座位數(shù)、飛行距離和機(jī)型設(shè)計(jì)航程最具相關(guān)性。參數(shù)設(shè)置細(xì)節(jié)和來(lái)源可參考筆者以往研究和技術(shù)文檔[13]。

圖2 碳排放模塊計(jì)算原理圖Fig.2 Framework of airline fleet carbon emission module

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置和情景設(shè)計(jì)

2.1 減排技術(shù)成本和能效

機(jī)隊(duì)翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)的應(yīng)用成本和能效隨著機(jī)身寬窄和航線類型差異而呈現(xiàn)一定波動(dòng)，依據(jù)主要航司和機(jī)場(chǎng)的實(shí)施效果以及數(shù)據(jù)調(diào)研[13]，機(jī)隊(duì)翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。兩者的能效含義有所差別，翻新技術(shù)為巡航能效，運(yùn)行管理技術(shù)為滑行能效。

表1 翻新技術(shù)和機(jī)場(chǎng)運(yùn)行管理技術(shù)參數(shù)Tab.1 Airline fleet refurbishment technology and airport operation management technology parameters

替代燃料技術(shù)主要考慮生物質(zhì)燃料、電力和氫能。不同替代燃料技術(shù)引入時(shí)間主要參考飛機(jī)制造商的研發(fā)計(jì)劃和以往研究[14-15]設(shè)定，具體如圖3所示。

圖3 替代燃料技術(shù)引入時(shí)間Fig.3 Alternative fuel technology launch time

生物質(zhì)燃料無(wú)需改變飛機(jī)結(jié)構(gòu)和地面儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施，是現(xiàn)階段民航運(yùn)輸最有可能大規(guī)模應(yīng)用的替代燃料，其成本將隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大逐步下降，從2020年的2 750美元/t逐步降至2060年的1 250美元/t[16]。電動(dòng)飛機(jī)主要應(yīng)用于短途支線客機(jī)，參考主要飛機(jī)制造商的計(jì)劃和相關(guān)研究，考慮到目前的電池技術(shù)瓶頸，2035年電動(dòng)飛機(jī)能夠成為支線客機(jī)的購(gòu)買選擇，購(gòu)買成本較傳統(tǒng)飛機(jī)高出20%，其能耗數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[17]。氫能飛機(jī)在2035—2040年后有望成為支線客機(jī)和窄體客機(jī)機(jī)隊(duì)的購(gòu)置選擇，2041—2045年進(jìn)入寬體客機(jī)機(jī)隊(duì)，由于采用全新的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，其成本將比傳統(tǒng)飛機(jī)高31%，其能效參數(shù)根據(jù)能量等效性參考傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)定。本研究假設(shè)氫能飛機(jī)2035年可以成為支線客機(jī)和窄體客機(jī)機(jī)隊(duì)的購(gòu)置選擇，2040年可以成為寬體客機(jī)機(jī)隊(duì)的購(gòu)置選擇。制氫價(jià)格將隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大而大幅下降，2030年綠氫終端加注價(jià)格將較2020年下降25%，2060年降至10元/kg以內(nèi)[18-19]。

未來(lái)每年入役的新售傳統(tǒng)飛機(jī)能效可提升1.5%，2035年后入役的下一代機(jī)型運(yùn)行能效平均每年提升0.7%[20]。

僅依靠傳統(tǒng)飛機(jī)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)民航運(yùn)輸近零排放。翼身融合、斜拉翼式布局、盒式機(jī)翼等飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)顛覆性改變和槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等革新性推進(jìn)系統(tǒng)可能有助于實(shí)現(xiàn)民航低碳發(fā)展目標(biāo)。顛覆性飛機(jī)技術(shù)發(fā)展存在較大的不確定性，以搭載槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的翼身融合客機(jī)為例進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，假設(shè)2035年投入使用，其購(gòu)置成本較傳統(tǒng)飛機(jī)增加20%，能效提高40%[17]。

2.2 客貨運(yùn)需求和碳排放約束

模型求解的邊界條件包括客貨運(yùn)需求和碳排放量[21]，如表2所示。隨著居民消費(fèi)水平的提升，客運(yùn)航班數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)，貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量呈現(xiàn)先增后降的發(fā)展趨勢(shì)，在2050年前后達(dá)到峰值。需要說(shuō)明的是，貨運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)綜合考慮了未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)航空貨運(yùn)需求和道路、水運(yùn)等交通方式的發(fā)展對(duì)航空貨運(yùn)的影響，因此航空貨運(yùn)的碳減排量以其他交通方式的減排潛力作為邊界，在這一邊界下僅考慮航空貨運(yùn)部門本身。假設(shè)各類機(jī)型在未來(lái)執(zhí)飛航班的比例與2018年基本一致。2030年碳達(dá)峰目標(biāo)下碳排放峰值需低于1.2億t，2060年實(shí)現(xiàn)近零排放，降至0.25億t以下。

表2 民航運(yùn)輸需求和碳排放約束Tab.2 Civil aviation transportation requirements and carbon constraint parameters

2.3 民航運(yùn)輸發(fā)展情景設(shè)計(jì)

民航運(yùn)輸發(fā)展情景設(shè)計(jì)如表3所示，其中“√”表示該情景考慮應(yīng)用該技術(shù)，“×”表示不予考慮，其中考慮的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用時(shí)間與第2.1節(jié)一致。以往研究中將生物質(zhì)燃料作為航空運(yùn)輸脫碳的主要方式，為便于對(duì)比，假設(shè)基準(zhǔn)情景下替代燃料技術(shù)中僅有生物質(zhì)燃料這1種技術(shù)選擇，其他情景不受這一約束?？紤]到高鐵對(duì)航空客運(yùn)的替代效應(yīng)，在綜合減排情景基礎(chǔ)上設(shè)置高鐵替代情景，分析50萬(wàn)人口城市高鐵通達(dá)后對(duì)各航程航班數(shù)量的替代影響情況，替代效應(yīng)參數(shù)[13]設(shè)置見表4，根據(jù)目前高鐵發(fā)展規(guī)劃，2035年后高鐵網(wǎng)絡(luò)基本完善，因此2035年之后其對(duì)航班的影響將不再考慮。

表3 民航運(yùn)輸?shù)吞及l(fā)展情景設(shè)計(jì)Tab.3 Scenario design for low-carbon development of civil aviation transportation

表4 高鐵對(duì)民航運(yùn)輸航班的替代效應(yīng)Tab.4 Substitution effect of high-speed rail on civil aviation flights

3 結(jié)果與分析

3.1 客機(jī)機(jī)隊(duì)構(gòu)成

如圖4所示，隨著居民出行需求的提升，各類型客機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大?；鶞?zhǔn)情景下，2060年，窄體、寬體和支線客機(jī)機(jī)隊(duì)數(shù)量分別為8 041架、1 060架和541架，較2020年分別增長(zhǎng)1.7倍、1.6倍和2.0倍；窄體客機(jī)仍然是客運(yùn)主力，2060年其在機(jī)隊(duì)中的占比超過(guò)80%，支線客機(jī)占比從2020年的5.2%提升至2060年的37.3%。綜合減排情景和顛覆性技術(shù)情景下機(jī)隊(duì)規(guī)模、結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)情景接近，而高鐵替代情景由于考慮了高鐵開通對(duì)航空客運(yùn)的替代，因此機(jī)隊(duì)規(guī)模整體較低。

受機(jī)隊(duì)類型差異及成本、技術(shù)成熟度的影響，不同減排技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間和規(guī)模有所差異。綜合減排情景下，各機(jī)隊(duì)2020—2035年間仍以上一代際機(jī)型為主；2036—2045年間，上一代際機(jī)型逐漸退出機(jī)隊(duì)服役，當(dāng)前代際機(jī)型成為主力，且下一代際機(jī)型、電動(dòng)飛機(jī)和氫能飛機(jī)逐步投用；2045年以后，下一代際機(jī)型占據(jù)主導(dǎo)，氫能和電動(dòng)飛機(jī)比例次之，當(dāng)代機(jī)型逐步退出。支線客機(jī)機(jī)隊(duì)中，只有在氫價(jià)足夠低的情況下氫能飛機(jī)才會(huì)成為支線客機(jī)機(jī)隊(duì)的購(gòu)買選擇，其減排選擇以更具經(jīng)濟(jì)性的電動(dòng)飛機(jī)為主，配以少量氫能飛機(jī)作為輔助。

(a) 綜合減排情景

顛覆性技術(shù)不存在額外固定投資且購(gòu)機(jī)成本較低，機(jī)隊(duì)傾向于選用顛覆性結(jié)構(gòu)的燃油飛機(jī)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，可明顯降低機(jī)隊(duì)對(duì)電力、氫能等高成本新興替代燃料技術(shù)的依賴。顛覆性技術(shù)情景下，氫能飛機(jī)總購(gòu)買量大幅下降，窄體和寬體客機(jī)機(jī)隊(duì)累計(jì)購(gòu)買量分別小于100架和35架，遠(yuǎn)低于綜合減排情景，支線客機(jī)機(jī)隊(duì)將不再購(gòu)買電動(dòng)飛機(jī)和氫能飛機(jī)；2060年，采用顛覆性技術(shù)的燃油飛機(jī)成為機(jī)隊(duì)的絕對(duì)主力，窄體、寬體和支線客機(jī)在機(jī)隊(duì)中占比分別為77.5%、86.2%和89.4%。

高鐵對(duì)航空客運(yùn)的需求替代明顯，會(huì)降低機(jī)隊(duì)規(guī)模并影響主要減排技術(shù)的滲透速度和比例。高鐵替代情景下，2060年，窄體、寬體和支線客機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模較綜合減排情景分別降低16.6%、11.8%和25.5%。由于需求下降，采用機(jī)隊(duì)更替措施促進(jìn)減排的經(jīng)濟(jì)性較差，機(jī)隊(duì)將更傾向于使用傳統(tǒng)燃料飛機(jī)配合生物質(zhì)燃料應(yīng)用實(shí)現(xiàn)近零排放，電動(dòng)飛機(jī)、氫能飛機(jī)購(gòu)買量較綜合減排情景明顯下降，入役時(shí)間普遍延遲5 a左右。

3.2 客運(yùn)和貨運(yùn)機(jī)隊(duì)碳排放

基準(zhǔn)情景下，客機(jī)機(jī)隊(duì)低碳轉(zhuǎn)型僅依賴生物質(zhì)燃料，這將大大增加生物質(zhì)燃料需求，2035年、2050年和2060年的生物質(zhì)燃料需求分別增至1 216.5萬(wàn)t、4 268.2萬(wàn)t和5 492.6萬(wàn)t，對(duì)應(yīng)減碳0.37億t、1.3億t和1.7億t。其他3個(gè)情景下，客機(jī)機(jī)隊(duì)碳排放及不同技術(shù)的碳減排貢獻(xiàn)如圖5所示。圖中區(qū)域上限為不采取任何減排措施時(shí)民航客運(yùn)碳排放情況，區(qū)域下限為該情景下多重措施作用后的實(shí)際剩余碳排放，各顏色區(qū)域?yàn)楦黝惔胧┑臏p排貢獻(xiàn)。由圖5可知，如不采取碳減排措施，機(jī)隊(duì)碳排放將持續(xù)提升，2060年將超過(guò)1.8億t；多種低碳技術(shù)協(xié)同作用推動(dòng)民航客運(yùn)碳排放在2035年前達(dá)峰，2060年降至不足0.2億t。

翻新技術(shù)、運(yùn)行管理技術(shù)為短期主要減排措施。不同情景下，2030年前兩者減排貢獻(xiàn)在總減排量中的占比保持在50%以上，每年可貢獻(xiàn)約1 000萬(wàn)t減排量。

(a) 綜合減排情景

生物質(zhì)燃料、下一代際機(jī)型和氫能飛機(jī)是中長(zhǎng)期主要的減排措施。綜合減排情景下，2060年以后，氫能飛機(jī)、下一代際機(jī)型和生物質(zhì)燃料的減排量分別增至5 767萬(wàn)t、4 043萬(wàn)t和5 067萬(wàn)t，合計(jì)占比超過(guò)90%，翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)占比不到10%。由于電動(dòng)飛機(jī)的數(shù)量較少且承擔(dān)的運(yùn)輸量較小，電動(dòng)飛機(jī)減排貢獻(xiàn)相對(duì)較小。

顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)壓縮了替代燃料飛機(jī)技術(shù)的需求，2060年，氫能飛機(jī)減排貢獻(xiàn)僅326.7萬(wàn)t，較綜合減排情景下降了93.6%。顛覆性技術(shù)的引入帶動(dòng)了生物質(zhì)燃料應(yīng)用規(guī)模，因此生物質(zhì)燃料減排貢獻(xiàn)有所提高，即傳統(tǒng)飛機(jī)技術(shù)革新需與生物質(zhì)燃料推廣應(yīng)用相配合才能達(dá)到最優(yōu)效果。2060年，翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)、生物質(zhì)燃料、氫能飛機(jī)和顛覆性飛機(jī)技術(shù)在總減排量中的貢獻(xiàn)比例分別為7.1%、42.1%、2.0%和46.3%。

高鐵的引入使得替代燃料技術(shù)引入時(shí)間向后推遲，2060年前減排貢獻(xiàn)以下一代際機(jī)型和生物質(zhì)燃料為主，兩者在總減排量中的貢獻(xiàn)占比分別為34.6%和29.1%。

對(duì)于民航貨運(yùn)，由于缺乏飛機(jī)技術(shù)和飛行數(shù)據(jù)，無(wú)法通過(guò)刻畫機(jī)隊(duì)特征進(jìn)行分析，故采用周轉(zhuǎn)量法進(jìn)行測(cè)算，替代燃料技術(shù)僅考慮生物質(zhì)燃料。結(jié)果顯示，民航貨運(yùn)碳排放量2040年左右達(dá)到峰值2 000萬(wàn)t，2060年降至不足900萬(wàn)t，2040—2060年年均下降4.0%。

3.3 客機(jī)機(jī)隊(duì)減排成本

圖6給出了不同情景下中國(guó)民航客機(jī)機(jī)隊(duì)總運(yùn)行成本。從圖6可以看出，與基準(zhǔn)情景相比，其他情景的總運(yùn)行成本有不同程度降低。

圖6 不同情景下中國(guó)民航客機(jī)機(jī)隊(duì)總運(yùn)行成本Fig.6 Operating cost of China's aviation passenger aircraft fleet under different scenarios

綜合減排情景下，通過(guò)應(yīng)用翻新技術(shù)和替代燃料技術(shù)，燃料運(yùn)行成本明顯下降，機(jī)隊(duì)更新提速也提升了主動(dòng)退役的殘值回收，降低了機(jī)隊(duì)購(gòu)置和退役成本，總體運(yùn)行成本比基準(zhǔn)情景減少2.9%。顛覆性技術(shù)情景下，機(jī)隊(duì)運(yùn)行成本與綜合減排情景相比進(jìn)一步減少1.7%，顛覆性結(jié)構(gòu)飛機(jī)的投用使得購(gòu)置和退役成本稍有增加，燃料運(yùn)行成本則相對(duì)下降。高鐵替代情景下，由于需求相應(yīng)減少，機(jī)隊(duì)運(yùn)行總成本明顯下降，各類成本與綜合減排情景相比均下降10%～20%。機(jī)隊(duì)購(gòu)置和退役成本中窄體客機(jī)占比最高，各情景下都達(dá)到70%。

2020—2060年間，基準(zhǔn)情景、綜合減排情景和顛覆性技術(shù)情景均累計(jì)減少碳排放30.3億t，高鐵替代情景實(shí)現(xiàn)減排21.3億t。考慮新機(jī)型能效提升的前提下，4種情景下的減排總成本分別為3 069.5億美元、2 735.0億美元、2 541.6億美元和779.1億美元，折合每噸101.3、90.3美元、83.9美元和94.2美元，綜合減排情景下每噸CO2減排成本較基準(zhǔn)情景降低10.9%，顛覆性情景較綜合減排情景可進(jìn)一步下降7.1%。盡管高鐵替代情景需求較小使得總減排成本更低，但由于沒有利用氫能飛機(jī)后期的經(jīng)濟(jì)性，其碳排放強(qiáng)度下降成本高于綜合減排情景。

3.4 敏感性分析

氫價(jià)的變化趨勢(shì)、替代燃料技術(shù)的發(fā)展速度和傳統(tǒng)燃料飛機(jī)的能效提升幅度對(duì)客機(jī)機(jī)隊(duì)決策影響較大。模型以高鐵替代情景為基準(zhǔn)，進(jìn)一步對(duì)氫價(jià)、氫能飛機(jī)引入時(shí)間和下一代際機(jī)型能效提升比例等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行差異化設(shè)置，通過(guò)分析參數(shù)敏感性來(lái)探討不同因素對(duì)客機(jī)機(jī)隊(duì)減排成本和氫能機(jī)隊(duì)入役規(guī)模的影響。

(1) 氫價(jià)。設(shè)定H1、H2 2種液氫價(jià)格，二者與原液氫價(jià)格相比降幅較大，2060年分別降至7元/kg和5元/kg。結(jié)果顯示，更低的氫價(jià)使得機(jī)隊(duì)更傾向于購(gòu)買氫能飛機(jī)作為減排選擇，氫能飛機(jī)引入時(shí)間會(huì)提前至2045年前；氫能飛機(jī)累計(jì)購(gòu)買量將大幅提高，2060年，H1和H2的氫能飛機(jī)規(guī)模較基準(zhǔn)高鐵替代情景分別增加1.6倍和1.8倍；機(jī)隊(duì)整體成本有所下降，2060年，H1和H2的總成本較基準(zhǔn)高鐵替代情景分別下降2.4%和3.5%。氫價(jià)下降能夠降低減排成本，但對(duì)制氫規(guī)模和氫能飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的協(xié)調(diào)性要求更高。

(2) 氫能飛機(jī)引入時(shí)間。在高鐵替代情景中，設(shè)定氫能飛機(jī)入役時(shí)間延后到2050年。結(jié)果顯示，機(jī)隊(duì)更迭時(shí)間更短、時(shí)段更集中、規(guī)模更大，在2050年后的累計(jì)客機(jī)主動(dòng)退役量增加11.2%，2060年氫能飛機(jī)入役規(guī)模增加5.4%；由于為實(shí)現(xiàn)2050—2060年十年間的短期減排目標(biāo)而大量購(gòu)置氫能飛機(jī)，抬高了總購(gòu)置成本，液氫價(jià)格降低后的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將無(wú)法兌現(xiàn)，機(jī)隊(duì)整體減排成本提升2.3%。

(3) 下一代機(jī)型能效水平。設(shè)定E0、E1、E2、E3 4種情形下，分別代表下一代機(jī)型能效與當(dāng)前代際機(jī)型相比能效分別提升15%、20%、25%和30%。結(jié)果顯示，機(jī)隊(duì)自身的能效革新將減小機(jī)隊(duì)低碳發(fā)展對(duì)氫能飛機(jī)的依賴，下一代客機(jī)機(jī)型能效較當(dāng)前代際機(jī)型提升超過(guò)30%時(shí)，最優(yōu)轉(zhuǎn)型選擇是引入下一代際機(jī)型和采用生物質(zhì)燃料，與E1相比，E2、E3情形的氫能飛機(jī)累計(jì)購(gòu)買量分別減少了71.2%和99.0%；當(dāng)下一代際客機(jī)機(jī)型能效提升不及預(yù)期時(shí)，氫能飛機(jī)將可能更早入役，到2060年累計(jì)購(gòu)買量提高18.0%，但由于2035—2050年間氫價(jià)下降幅度不足，氫能飛機(jī)還未具備足夠的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，整體減排成本會(huì)有所上升，E0情形下減排成本比E1情形增加5.9%，給氫能飛機(jī)成熟運(yùn)用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)更大壓力。

4 結(jié) 論

(1) 綜合運(yùn)用各類低碳技術(shù)情況下，民航運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)近零排放目標(biāo)的路徑成本最低，綜合減排情景下，每噸CO2的減排成本為90.3美元，較基準(zhǔn)情景低10.9%。若出現(xiàn)顛覆性技術(shù)，機(jī)隊(duì)減排成本將進(jìn)一步降低7.1%，因此傳統(tǒng)飛機(jī)自身技術(shù)進(jìn)步成為最經(jīng)濟(jì)的減排措施。此外，高鐵的引入將減輕民航發(fā)展替代燃料的壓力，生物質(zhì)燃料和氫能飛機(jī)引入時(shí)間較綜合情景向后推遲5 a左右，替代燃料發(fā)展對(duì)碳減排的貢獻(xiàn)率降低。

(2) 未來(lái)氫價(jià)走勢(shì)會(huì)顯著影響機(jī)隊(duì)減排成本，若氫價(jià)能在2060年降低至7元/kg或5元/kg，氫能飛機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模將在2060年分別增加1.6倍或1.8倍，機(jī)隊(duì)減排總成本將因此下降2.4%或3.5%。

(3) 氫能飛機(jī)入役時(shí)間的推遲將延緩兌現(xiàn)氫能飛機(jī)在民航運(yùn)輸發(fā)展后期的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可能造成發(fā)展后期每年新購(gòu)氫能飛機(jī)數(shù)量增加，氫能飛機(jī)入役更密集，增大了機(jī)隊(duì)替代壓力。

(4) 民航運(yùn)輸深度脫碳需綜合施策。加快發(fā)展高鐵，促進(jìn)民航運(yùn)輸向更具優(yōu)勢(shì)的運(yùn)輸區(qū)間轉(zhuǎn)移。短期內(nèi)，注重翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)應(yīng)用，逐步提高生物質(zhì)燃料應(yīng)用規(guī)模；長(zhǎng)期來(lái)看，需發(fā)揮氫價(jià)降低后氫能飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)科技創(chuàng)新，支持相關(guān)前沿性、顛覆性技術(shù)的研發(fā)。

致謝：感謝清華大學(xué)-中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司氣候變化治理機(jī)制與綠色低碳轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略聯(lián)合研究中心對(duì)本研究的支持。