全球變暖問題日益嚴(yán)重,亟待各行業(yè)協(xié)力解決。航空業(yè)作為高排放行業(yè),更需要加快減排步伐。航空難以完全“脫碳”已成為業(yè)界共識(shí),能源植物基可持續(xù)航空燃料(SAF)以碳捕獲、碳封存、碳利用等多手段促進(jìn)減碳降碳,使“負(fù)碳航空”成為可能。然而,SAF仍然面臨成本高、取證難、產(chǎn)能低等諸多挑戰(zhàn)。為此,須從燃料標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證平臺(tái)和能源植物產(chǎn)業(yè)等多方面著手,系統(tǒng)提升中國航空業(yè)脫碳主動(dòng)權(quán)和國際博弈話語權(quán)。
為應(yīng)對(duì)氣候變化,國際民航組織(ICAO)提出了一攬子的減排措施,包括飛機(jī)二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)、航空系統(tǒng)組件升級(jí)(ASBU)、全球航行計(jì)劃(GANP)和國際航空碳抵消和減排計(jì)劃(CORSIA)等,促使世界各國采用減排措施。其中CORSIA采用增量減排規(guī)則,并引入了個(gè)體增長因子進(jìn)行減排責(zé)任的分配,給發(fā)展中國家?guī)砹藰O大的不公平。截至目前,ICAO已經(jīng)宣布國際航空業(yè)2050凈零排放的長期目標(biāo),在此目標(biāo)下制定的技術(shù)、市場、運(yùn)行和燃油相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、建議和措施,將給世界各國尤其是發(fā)展中國家?guī)順O大減排壓力。我國國內(nèi)航空市場發(fā)展強(qiáng)勁,但與此同時(shí),ICAO不公平不合理的碳排放標(biāo)準(zhǔn)已成為中國民航的“卡脖子”問題。保持航空運(yùn)輸業(yè)可持續(xù)發(fā)展,不斷探索和完善各種減排技術(shù)以達(dá)到航空碳中和目標(biāo),已成為我國航空業(yè)的主要發(fā)展方向,其中負(fù)碳航空燃料將發(fā)揮重要作用。
航空減排方案主要措施聚焦于技術(shù)、運(yùn)行、燃油和市場機(jī)制等方面,包括嚴(yán)控排放標(biāo)準(zhǔn)、研發(fā)節(jié)油技術(shù)、優(yōu)化航線網(wǎng)絡(luò)、提高運(yùn)行效率、設(shè)立碳排放交易機(jī)制等。然而,在航空運(yùn)力需求的飛速增長下,基于管理和運(yùn)行手段的減排方案通常只能達(dá)到放緩碳排放增速的效果。在國際航空2050碳中和目標(biāo)分析中,燃料技術(shù)改進(jìn)的貢獻(xiàn)將占到55%,遠(yuǎn)高于航空器技術(shù)和運(yùn)行手段的21%和11%。若以碳中和為目標(biāo),低碳方案的核心需從航空器的能源入手,大力發(fā)展低碳/負(fù)碳能源以替代傳統(tǒng)航空煤油。
以生物質(zhì)燃料為代表的SAF具有能量密度高、制備方式靈活、與現(xiàn)有航空動(dòng)力裝置兼容度高等優(yōu)勢,已成為綠色航空的首選方案。SAF是由可再生原料制成的航空替代燃料。其中,能源植物基SAF以植物為原料,在種植階段通過光合作用大量吸收二氧化碳,實(shí)現(xiàn)“碳捕獲”;通過粉碎、熱解等技術(shù)制備生成航空燃料以及氫、氨等,實(shí)現(xiàn)“碳利用”;而其余以碳為主要構(gòu)成的殘?jiān)鼊t被制成生物炭,用于肥料、建材等,實(shí)現(xiàn)“碳封存”;雖然在運(yùn)輸與制備過程中可能會(huì)帶來一定的過程碳排放,但在規(guī)?;慨a(chǎn)后,其碳捕獲量可能超越總排放量,通過碳封存實(shí)現(xiàn)全生命周期負(fù)碳排放(如圖 1所示)。能源植物基可持續(xù)航空燃料為“負(fù)碳航空”提供了可能性。
圖1 能源植物基SAF全生命周期碳排放鏈
發(fā)展SAF已成為業(yè)界解決傳統(tǒng)燃料危機(jī)的首選方案之一。2021年11月12日,為激發(fā)業(yè)界降碳動(dòng)力,促進(jìn)行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型,國際民航組織理事會(huì)批準(zhǔn)了CORSIA之下SAF的可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)還批準(zhǔn)了符合性評(píng)價(jià)指導(dǎo)材料。歐美各相關(guān)機(jī)構(gòu)與企業(yè)在2022年加大了在SAF領(lǐng)域的投入力度,并給出了相應(yīng)的研究計(jì)劃??湛?、羅羅等公司已宣布其SAF的測試及推廣計(jì)劃??湛凸居?jì)劃到2030年之前實(shí)現(xiàn)100% SAF的認(rèn)證。羅羅公司的“超扇”(UltraFan)驗(yàn)證機(jī)將使用100% SAF進(jìn)行首次測試,并且承諾在2023年年底之前對(duì)其全部現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行100%SAF運(yùn)行驗(yàn)證,所有遄達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)(占全球遠(yuǎn)程機(jī)隊(duì)的40%)將與100% SAF兼容。殼牌公司承諾SAF的年產(chǎn)量到2025年達(dá)200萬t,這是當(dāng)今全球SAF總產(chǎn)量的10倍以上。到2030年,殼牌全球航空燃料銷售額中,至少10%將是SAF。殼牌在荷蘭建造的大型生物燃料工廠將于2024年開始生產(chǎn)。
時(shí)至今日,航空燃料市場依舊以航空煤油為主,包括SAF在內(nèi)的各種航空替代燃料的使用情況遠(yuǎn)不及預(yù)期。負(fù)碳航空燃料作為SAF的一種,其發(fā)展在安全性認(rèn)證、可持續(xù)性認(rèn)證和產(chǎn)業(yè)布局方面面臨三大挑戰(zhàn)。
認(rèn)證方法是SAF安全保障的關(guān)鍵。隨著全球SAF需求增長,相應(yīng)的驗(yàn)證技術(shù)也在不斷發(fā)展。然而目前的安全性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和流程缺乏系統(tǒng)級(jí)判定準(zhǔn)則。
一是運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化不充分。為占領(lǐng)國際話語權(quán),美國積極搶占SAF認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),在2009年9月,美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)批準(zhǔn)了ASTM-D7566《含合成碳?xì)浠衔锏暮娇諟u輪燃料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》,允許費(fèi)托合成碳?xì)淙剂系氖褂?。諸多國家相繼在ASTM的基礎(chǔ)上推出了航空替代燃料認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)?,F(xiàn)有的D7566標(biāo)準(zhǔn)是基于航空煤油數(shù)十年的使用經(jīng)驗(yàn),規(guī)定了SAF成分、揮發(fā)性、流動(dòng)性、腐蝕性和熱穩(wěn)定性等數(shù)十種理化特性的范圍,要求燃料生產(chǎn)商用生物質(zhì)原料造出在理化性質(zhì)上和航空煤油高度相似的燃料。然而SAF的理化特性顯然無法完全與航空煤油完全一致,對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)而言,組分和理化特性“相似而不相同”的燃料無法提供足夠的系統(tǒng)安全性判據(jù)。
二是用試驗(yàn)表明安全概率問題。對(duì)于需要新批準(zhǔn)的工藝,ASTM發(fā)布了ASTM-D4054用于驗(yàn)證和審批,其中明確了新燃料的認(rèn)證流程。通過分析發(fā)現(xiàn),D4054的認(rèn)證流程要求對(duì)燃料進(jìn)行大量試驗(yàn),用試驗(yàn)代替安全性表明中的概率問題。根據(jù)ASTM估計(jì),其中規(guī)范屬性審查需要37.8L,用途屬性適合性審查需要320.8L,部件與臺(tái)架試驗(yàn)最多需要37854.1L,發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)最多需要851718L,且部分測試項(xiàng)目沒有給出測試條件及接收準(zhǔn)則。燃料在認(rèn)證階段通常沒有開始批量生產(chǎn),如此多的燃料需求極大地提高了認(rèn)證成本與表明難度。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)安全性水平是失效概率與后果嚴(yán)重程度的綜合,通過有限次試驗(yàn)無法得到失效概率結(jié)果,難以提供充足的安全性證據(jù)。
此外,認(rèn)證主體由原始設(shè)備制造商(OEM)負(fù)責(zé),美國聯(lián)邦航空局(FAA)和歐洲航空安全局(EASA)等監(jiān)管機(jī)構(gòu)參與監(jiān)督。OEM在燃料認(rèn)證過程中承擔(dān)了大量的符合性審查與試驗(yàn)工作,對(duì)于包括中國在內(nèi)的航空后發(fā)國家而言,新型SAF的認(rèn)證難以開展。以D7566和D4054為代表的現(xiàn)有安全性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)與流程,在理化特性層面利用航空煤油經(jīng)驗(yàn),缺乏發(fā)動(dòng)機(jī)層級(jí)的安全性判定準(zhǔn)則。不僅沒有推動(dòng)SAF發(fā)展,反而很大程度上制約了其發(fā)展?jié)摿Α?/p>
目前國內(nèi)還沒有一套完整的體系對(duì)SAF進(jìn)行可持續(xù)認(rèn)證,主要存在以下幾點(diǎn)問題。
一是國際上ICAO針對(duì)國際航空業(yè)在CORSIA機(jī)制下已經(jīng)制定完成SAF可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)其他一些認(rèn)證機(jī)構(gòu)也出臺(tái)了針對(duì)SAF的可持續(xù)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。但國內(nèi)航空業(yè)還未制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),需要比對(duì)國際標(biāo)準(zhǔn)制定適合國內(nèi)國情的SAF可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)。
二是依據(jù)可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)需要對(duì)SAF全生命周期溫室氣體排放進(jìn)行評(píng)估。國際上采用標(biāo)準(zhǔn)全球貿(mào)易分析模型(GTAP-BIO)和全球生物圈管理模型(GLOBIOM0)評(píng)估其土地利用變化排放,采用溫室氣體、管制排放和運(yùn)輸中的能源使用模型(GREET)和氣候變化綜合評(píng)估模型(E3)評(píng)估其核心生命周期排放,但不同的模型評(píng)估結(jié)果偏差較大,且未考慮SAF副產(chǎn)品的固碳效果。需要面向SAF全產(chǎn)業(yè)鏈開發(fā)更為精準(zhǔn)的全生命周期排放評(píng)估模型(包含副產(chǎn)品的固碳模型)。
三是在可持續(xù)認(rèn)證過程中,需要依據(jù)可持續(xù)性認(rèn)證指南對(duì)SAF進(jìn)行審查。當(dāng)前國內(nèi)還沒有相應(yīng)的審查機(jī)構(gòu),需盡快確定全產(chǎn)業(yè)鏈認(rèn)證計(jì)劃,明確可持續(xù)認(rèn)證工作流程及相關(guān)管理要求。
四是由于可持續(xù)性認(rèn)證需要考慮SAF全產(chǎn)業(yè)鏈的質(zhì)量和能量流。國內(nèi)目前還未有與SAF全產(chǎn)業(yè)鏈分析相匹配的數(shù)據(jù)系統(tǒng),需開發(fā)一套數(shù)據(jù)采集溯源系統(tǒng)對(duì)其數(shù)據(jù)信息進(jìn)行追蹤和更新。
針對(duì)上述主要問題,可持續(xù)認(rèn)證過程中需要多部門的協(xié)調(diào)合作以及嚴(yán)格的審查工作,才能確保SAF的評(píng)估更全面、更準(zhǔn)確,從而進(jìn)一步與國際可持續(xù)認(rèn)證計(jì)劃接軌,實(shí)現(xiàn)互認(rèn)。
由于行業(yè)劃分與專業(yè)限制,航空能源產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相對(duì)獨(dú)立,在以石油為主要能源的產(chǎn)業(yè)布局下,各自專精的模式是高效可行的。但SAF替代傳統(tǒng)航空煤油本質(zhì)上是一場航空業(yè)的能源革命,相關(guān)產(chǎn)業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手才能得到更減碳、更安全、更易用、更可持續(xù)的燃料。
玉米、甘蔗、小桐子、亞麻薺以及餐廚廢油等被視作當(dāng)前SAF的主要原料,但因產(chǎn)量有限且供給不穩(wěn)定,導(dǎo)致SAF難以規(guī)模應(yīng)用。以生物質(zhì)燃料為主要代表的SAF的發(fā)展,需要產(chǎn)業(yè)鏈各行業(yè)共同參與:林草業(yè)篩選能源植物,化工業(yè)探尋煉制工藝,運(yùn)輸業(yè)規(guī)劃儲(chǔ)運(yùn)方案,航空業(yè)評(píng)估適航安全,金融業(yè)分析市場價(jià)值,協(xié)同多行業(yè)交叉,提前布局全產(chǎn)業(yè)鏈耦合發(fā)展。
針對(duì)上述問題和挑戰(zhàn),主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面開展研究,以求取得進(jìn)展和突破。
如何在保障安全性的前提下降低認(rèn)證成本和難度,突破歐美技術(shù)封鎖,使安全標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證流程更加科學(xué)易行是目前SAF發(fā)展亟待解決的問題。中國民航大學(xué)與北京航空航天大學(xué)已聯(lián)合開展創(chuàng)新SAF安全性認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)及方法研究項(xiàng)目,進(jìn)行相關(guān)理論方法和技術(shù)研究,探索燃料安全性新標(biāo)準(zhǔn),主要包含以下幾個(gè)方面。
一是改變SAF安全性表明路徑。以發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)安全作為頂層目標(biāo),建立具備燃料分辨率的變維度一體化安全分析模型,充分利用航空煤油安全運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),如圖 2所示,將認(rèn)證中的相似性檢查從燃料層級(jí)提升至發(fā)動(dòng)機(jī)層級(jí),提出以安全等效為唯一認(rèn)證準(zhǔn)則的適航審定新路徑。借鑒適航規(guī)章FAR-33部70章關(guān)于限壽件失效概率的表明方法,通過模型、試驗(yàn)和分析相結(jié)合的方式,在發(fā)動(dòng)機(jī)層級(jí)充分利用航空煤油的安全運(yùn)營經(jīng)驗(yàn),具備了系統(tǒng)級(jí)的安全性比較能力,劃定了系統(tǒng)安全邊界。該路徑將在保障安全水平的前提下,提高認(rèn)證效率、降低制備成本,促進(jìn)形成“正反饋”生態(tài),多核驅(qū)動(dòng)負(fù)碳航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展,助力推動(dòng)更減碳、更安全、更易用、更可持續(xù)的SAF。目前研究工作已取得了一定突破,贏得了國際認(rèn)可,獲批工信部與歐盟共同支持的中歐替代燃料合作項(xiàng)目。
圖2 燃料認(rèn)證相似性檢查層級(jí)
二是創(chuàng)新SAF安全性認(rèn)證模式。在系統(tǒng)級(jí)安全性表明路徑的基礎(chǔ)上,為繼續(xù)推動(dòng)創(chuàng)新認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)應(yīng)用,提出了SAF作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)特殊部件的創(chuàng)新理念,借鑒技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(TSO)認(rèn)證模式,將燃料認(rèn)證獨(dú)立于OEM,擺脫發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的約束,用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)及其模型分析認(rèn)證。解決燃料認(rèn)證共性問題,提高認(rèn)證通用性,減少重復(fù)認(rèn)證,降低時(shí)間成本和燃料成本。
三是定義SAF安全性標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證設(shè)施。根據(jù)燃料對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的影響路徑,研究標(biāo)準(zhǔn)燃燒室和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)等認(rèn)證相關(guān)設(shè)施的定義。建立SAF自主適航認(rèn)證平臺(tái),包括標(biāo)準(zhǔn)燃燒室平臺(tái)與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái),通過標(biāo)準(zhǔn)燃燒室驗(yàn)證燃料理化特性及燃燒機(jī)理的共性安全問題,通過標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證平臺(tái)驗(yàn)證燃料擬認(rèn)證“發(fā)動(dòng)機(jī)—燃料組合”的共性安全問題,將自主創(chuàng)新SAF認(rèn)證方法研究從理論方法層面提升至應(yīng)用層面,推出認(rèn)證新標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)地提升中國民航脫碳主動(dòng)權(quán)和國際博弈話語權(quán)。在國際范圍內(nèi)建立基于標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證設(shè)施的安全性認(rèn)證體系,有利于各國(特別是廣大后發(fā)國家)結(jié)合其特點(diǎn)參與SAF研制,加快碳中和進(jìn)程。
四是優(yōu)化SAF煉制工藝和燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在完善安全性標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí),為燃料發(fā)展提供有效指導(dǎo),從發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)安全角度找到燃料組成和理化特性與安全目標(biāo)的映射,不斷豐富發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵安全參數(shù)集,充分利用航空煤油的使用經(jīng)驗(yàn)確定安全參數(shù)裕度,通過參數(shù)敏感性分析,在保障安全性要求的前提下優(yōu)化SAF煉制工藝和發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì),進(jìn)一步降低SAF的綜合成本,促進(jìn)商業(yè)化應(yīng)用。
在SAF可持續(xù)認(rèn)證方面,針對(duì)認(rèn)證流程不明確、認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)要求還未制定以及部分?jǐn)?shù)據(jù)信息欠缺等問題,將從以下幾方面開展研究工作。
基于參與ICAO CORSIA機(jī)制下SAF可持續(xù)性認(rèn)證的豐富經(jīng)驗(yàn),同時(shí)借鑒道路運(yùn)輸生物燃料認(rèn)證流程及規(guī)范,結(jié)合我國國情,開展SAF認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)及方法研究,建立自主的可持續(xù)認(rèn)證體系,加快產(chǎn)業(yè)推進(jìn)。
根據(jù)當(dāng)前CORSIA全生命周期排放模型中存在的問題(ILUC和CLCA采用不同的模型和處理方法進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果偏差較大),開展SAF全產(chǎn)業(yè)鏈的全生命周期排放評(píng)估模型的研究,確保SAF的可持續(xù)性評(píng)估更快捷,更準(zhǔn)確。
針對(duì)當(dāng)前SAF生產(chǎn)階段可持續(xù)性評(píng)估分析中并未考慮可追溯、可定量評(píng)估的副產(chǎn)品固碳效果的問題,研究副產(chǎn)品的固碳模型及其對(duì)SAF全生命周期排放模型的貢獻(xiàn),有效支撐航空碳抵消市場機(jī)制的發(fā)展。
依據(jù)SAF全生命周期排放評(píng)估各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)需求,建立SAF全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)采集溯源系統(tǒng),保證SAF認(rèn)證過程中數(shù)據(jù)的可靠性,提高可持續(xù)認(rèn)證效率。
能源植物通過光合作用把二氧化碳和水直接轉(zhuǎn)化成不含氧的碳?xì)浠衔?,是一種可再生的、可持續(xù)開發(fā)的能源。能源植物具有許多優(yōu)點(diǎn):良好的生態(tài)性,能源植物中的高能物質(zhì)幾乎不含有對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的硫化物,對(duì)沙漠、鹽堿地等還有改善效果;成本低,生產(chǎn)方便,能源植物分布廣,若因地制宜種植,能夠?qū)崿F(xiàn)就地?zé)捴?,在產(chǎn)業(yè)規(guī)?;?,其制備成本要低于化石能源的開采;可再生性,能源植物可以迅速生長,通過規(guī)模化種植,保證產(chǎn)量。
近年來,新一代能源植物及生物基因重組技術(shù)為解決原料供給問題提供了新思路。經(jīng)調(diào)研,我國氣候、地形多樣化水平高,適宜數(shù)十種能源植物種植,且在植物雜交育種技術(shù)領(lǐng)域不斷取得積極進(jìn)展,如能加快形成產(chǎn)業(yè)市場,將為增加SAF原料產(chǎn)量提供重要保障。狼尾草、蘆竹、芒草等能源植物經(jīng)雜交育種后產(chǎn)能較高。在改善航空能源結(jié)構(gòu)、保障產(chǎn)能供給的同時(shí),做到“不與人爭糧,不與糧爭地”。
燃料的原材料開采、煉制、運(yùn)輸、使用等各環(huán)節(jié)都存在碳排放,因此衡量一種燃料可持續(xù)與否需要對(duì)其進(jìn)行全生命周期規(guī)劃布局,與產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方開展廣泛合作,使燃油需求側(cè)與供給側(cè)之間形成協(xié)同聯(lián)動(dòng)。協(xié)同制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、林草業(yè)、化工業(yè)、金融業(yè)等多行業(yè)交叉,強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合形成合力。建立完善的“原料—煉制—運(yùn)輸—加注—使用”的完整產(chǎn)業(yè)鏈,推動(dòng)能源植物產(chǎn)業(yè)布局,為我國民航業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。
國際航空“碳減排”規(guī)則和機(jī)制已成為發(fā)達(dá)國家制約后發(fā)國家發(fā)展的手段,我國既要實(shí)現(xiàn)大國承諾,又要擺脫技術(shù)發(fā)展的“環(huán)保枷鎖”。如果無法形成解決碳排放問題的中國方案,不能掌握國際標(biāo)準(zhǔn)的話語權(quán),將出現(xiàn)非常被動(dòng)的局面,后續(xù)對(duì)我國的航空制造業(yè)和航空運(yùn)輸業(yè)都將產(chǎn)生顛覆性影響。以能源植物基SAF為代表的負(fù)碳航空能源新路徑可以有序有力有效保障我國航空深度脫碳,是提升我國民航脫碳能力、維護(hù)行業(yè)發(fā)展權(quán)益、拓展行業(yè)發(fā)展空間的重要手段。