航空業(yè)實現(xiàn)凈零排放的路徑研究

文 | 中國民航信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司 王崢（通訊作者） 周鋼 楊健

一、背景介紹

（一）航空業(yè)的零碳挑戰(zhàn)

為確保到本世紀下半葉將全球升溫控制在1.5℃之內(nèi)，全球剩余可排放二氧化碳（“碳預(yù)算”）約為400吉噸（Gt，1Gt=109t），其中航空業(yè)的份額僅為10Gt。顯然，航空業(yè)即便保持目前每年的碳排放水平（1Gt）不變，其“碳預(yù)算”也將很快耗盡。又因其排放主要產(chǎn)生在9000-12000米的高空，對全球變暖的影響遠甚于其份額。如何實現(xiàn)凈零排放是全球航空業(yè)面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，新技術(shù)和可持續(xù)燃料的應(yīng)用是關(guān)鍵。

受新冠疫情影響，目前大多數(shù)航空公司還未擺脫債務(wù)困境。各國都加大了對本國航空企業(yè)的補貼，再加上稅務(wù)豁免等政策，行業(yè)產(chǎn)能日益過剩，機票價格和行業(yè)整體盈利水平持續(xù)降低。目前僅用于償還債務(wù)就已耗盡該行業(yè)的全年利潤。航空業(yè)在過去的44年中有18年處于虧損狀態(tài)，行業(yè)營收平衡十分脆弱，任何成本結(jié)構(gòu)的變化都將影響其商業(yè)模式。因此，除非迫不得已，否則航空公司缺少主動使用價格昂貴的可持續(xù)燃料和新技術(shù)的動力。

（二）可持續(xù)航空燃料（SAF）

目前有很多可替代傳統(tǒng)航空燃油的新能源和新技術(shù)，可持續(xù)航空燃料（SAF）與當前的航空業(yè)最為契合，因為SAF不必更新現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施（飛機和機場），不但能夠單獨使用，更可與傳統(tǒng)燃料混合使用。主流SAF包括化工合成燃料和生物燃料等，其中生物燃料雖能減少碳排放，但還遠未達到零碳；合成燃料的含碳量（指生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放）取決于用于合成的電力是否清潔，若使用無碳電力，則可視為零碳。生產(chǎn)成本是制約SAF大規(guī)模應(yīng)用的重要因素，據(jù)估計，生物燃料的直接使用成本將比傳統(tǒng)航空燃油高15%-200%，而合成燃料的市場價格預(yù)計將比傳統(tǒng)航空燃油高出2-6倍。

二、研究內(nèi)容

本文通過對全球航空業(yè)未來發(fā)展趨勢和制約可持續(xù)燃料使用的各種因素進行合理假設(shè)，構(gòu)建了一種燃料轉(zhuǎn)換模型，并將不同情況下使用可持續(xù)燃料對碳排放量的影響進行比較，以期找出航空業(yè)低碳轉(zhuǎn)型過程中存在的阻礙，并探索出實現(xiàn)凈零排放的路徑。研究的重點是可立即取代傳統(tǒng)航空燃油的生物燃料和采用不同清潔能源（核能、太陽能、風(fēng)能）生產(chǎn)的合成燃料。本文不考慮由煤炭、天然氣等傳統(tǒng)化石能源生產(chǎn)的合成燃料，因為生產(chǎn)過程中排放的二氧化碳遠大于碳減少量。核能、太陽能和風(fēng)能是公認的清潔能源，風(fēng)能與太陽能成本接近，但預(yù)計未來太陽能的成本會進一步下降。

三、模型假設(shè)

（一）對全球航空業(yè)發(fā)展趨勢的假設(shè)

考慮到后疫情時代全球航空業(yè)觸底反彈的不確定性和市場波動性，本研究選擇2025年作為起點，并假設(shè)已恢復(fù)至2019年的旅客需求水平（以客公里收入RPK計）。這種反彈是必然的，出現(xiàn)的早晚對研究結(jié)果的影響僅僅是令整體時點提前或推遲一兩年。

未來隨著碳減排的壓力日益增大，二氧化碳作為一種理應(yīng)內(nèi)化的成本，對其定價并收取碳稅將令航空公司的飛行成本上升，限制需求增長，并降低其營收。此外，由于SAF較低甚至為零的碳排放，碳稅的另一用途是縮小其與傳統(tǒng)航空燃油之間的成本差距，使其更具市場競爭力。本研究同時考慮了碳排放的直接碳稅成本及其導(dǎo)致溫室效應(yīng)的額外成本，后者保守估計與前者相等。為了在25年內(nèi)（2025-2050）實現(xiàn)可持續(xù)燃料的100%使用，平均每年都要增加其4%的使用占比。碳稅和替代燃料的生產(chǎn)增加了行業(yè)成本，運營效率的提高同時也降低了成本。本研究兼顧兩者，價格彈性假設(shè)和效率收益預(yù)期來源于行業(yè)歷史數(shù)據(jù)。

如前所述，本研究并不能精確描繪出航空旅行需求的未來發(fā)展趨勢，這取決于國際和各國的航空運輸政策調(diào)整、機隊更新、運營效率、載荷系數(shù)、飛機布局（旅客密度）以及商務(wù)旅行需求等一系列因素，以上都會直接或間接影響旅行成本，從而影響需求。

（二）對可持續(xù)燃料價格影響因素的假設(shè)

鑒于排放二氧化碳意味著其背后的環(huán)境治理成本，同時為了降低新型燃料進入市場的阻力，將對傳統(tǒng)航空燃油征收碳稅?？紤]到航空業(yè)排放二氧化碳與全球變暖的關(guān)系，預(yù)計國際航空燃油價格將從2025年的50美元/噸上漲到2050年的400美元/噸。若再加上排放氮氧化物和水汽等非二氧化碳溫室氣體的影響，這一價格將翻倍，即2025年100美元/噸，2050年800美元/噸。對于100%使用合成燃料和生物燃料的情況，由于其燃燒已不再額外產(chǎn)生二氧化碳，因此只需考慮非二氧化碳部分的影響。同時考慮新型燃料在其生命周期內(nèi)，除燃燒以外的碳排放（如供應(yīng)鏈排放），預(yù)計可持續(xù)航空燃料（包括合成燃料和生物燃料）的碳稅在2025年為50美元/噸，2050年為400美元/噸。

在本文描述的場景中，將于2024年引入合成燃料，并在接下來每一年的總消耗份額中增長4%。生產(chǎn)合成燃料所需電力、原料、運輸和精煉的成本，都將轉(zhuǎn)化為“總成本”。其中每一項都取決于能源、生產(chǎn)規(guī)模、電網(wǎng)依賴程度或運輸距離等多種因素。眼下可供選擇的清潔能源包括核能、風(fēng)能和太陽能。其中核能穩(wěn)定且可靠，但其從規(guī)劃到建設(shè)需要至少十年以上；風(fēng)能建設(shè)周期往往也需要幾年；太陽能在特定地區(qū)是可靠的，但僅限白天，建設(shè)周期一般不超一年。核能價格最貴（2019年為155美元/MWh），其次是風(fēng)電（41美元/MWh）和太陽能（40美元/MWh），并且這一價格未來仍會有較大變化。一種折衷的考量是，風(fēng)能和太陽能未來將更加便宜，核能則更貴?；谶@一設(shè)想，三種能源到2025年的成本分別為0.168美元/kWh（核能）、0.038美元/kWh（風(fēng)電）和0.035美元/kWh（太陽能），到2050年增加（或降低）到0.233美元/kWh（核能）、0.029美元/kWh（風(fēng)電）和0.020美元/kWh（太陽能）。雖然目前包括法國在內(nèi)的一些國家正在擴大核能投資規(guī)模，但遠水解不了近渴，我們或許幾十年后才能獲得這些電力，因此不久的將來電力成本將進一步增加。此外，根據(jù)相關(guān)研究顯示，目前生產(chǎn)一公斤合成燃料的電力消耗為45kWh，且這一數(shù)字將逐年下降。本研究假設(shè)2025年每公斤合成燃料的電力消耗為40kWh，2050年為25kWh。

根據(jù)上述對可持續(xù)燃料價格影響因素的假設(shè)，合成燃料由于生產(chǎn)所用能源不同，其使用成本C的計算公式分別為：

此處Cp、t受不同能源類型影響。

傳統(tǒng)航空燃油價格受到國際石油價格波動影響，在25年的時間區(qū)間內(nèi)，假設(shè)其單價0.65美元/kg保持不變，考慮到碳稅的影響，將使它的使用成本從2025年的0.97美元/kg上漲到2050年的3.18美元/kg。生物燃料的平均生產(chǎn)成本取自國際清潔運輸委員會（ICCT），該組織提供了包括食用油、農(nóng)業(yè)殘留物、森林殘留物和城市固廢在內(nèi)生物質(zhì)燃料的成本估算，分別為2030年（2.53美元/kg）、2040年（2.27美元/kg）和2050年（3.03美元/kg）。

其他一般假設(shè)還包括，2019年全球航空旅客周轉(zhuǎn)量RPKs=88600（億人公里），每年全球航空運輸增長率為4.45%，需求彈性為-1，每年燃料效率提高率為1%，預(yù)估2024年的燃料成本占行業(yè)運營成本的24.5%。遵循行業(yè)規(guī)律，模型中的所有數(shù)據(jù)變化都是線性的。

四、模型計算結(jié)算

如果行業(yè)順利恢復(fù)到疫情前的水平并持續(xù)增長，到2025年航空業(yè)將排放722Mt（百萬噸）二氧化碳，到2050年將排放1667Mt二氧化碳。如果同時引入二氧化碳和非二氧化碳兩部分碳稅機制，2025年的排放量將被控制在607Mt，2050年為780Mt，這顯示出嚴厲的碳稅制度對需求的抑制效果。

在引入可持續(xù)燃料的4種場景預(yù)測中，碳排放量最終都會降至零，因為這一模型的設(shè)計前提就是到2050年前每年都將以4%的比例強制降低傳統(tǒng)航空燃油的使用占比。應(yīng)用可持續(xù)燃料會導(dǎo)致機票價格上漲，使用核能將使價格上漲3.8倍，而最便宜的太陽能則是1.8倍，這同樣會引發(fā)需求的再次減少。

在燃料使用效率和飛機布局沒有明顯變化的情況下，航空業(yè)每年的燃料消耗量可被看作與旅客周轉(zhuǎn)量（RPKs）成正比。在這些場景中，利用核能過渡的代價最高，到2050年的RPKs將減少至48520億人公里，僅有“傳統(tǒng)航空燃油（不含碳稅）”場景中的18.4%。利用風(fēng)能或太陽能，這一數(shù)字將會明顯增長。太陽能作為最便宜的清潔能源，可令2050年的航空運輸量比2019年增長約47%，RPKs達到約130000億人公里。在這種成本最低的零碳場景下，機票價格的上漲主要受到碳稅影響。

五、進一步討論

根據(jù)上述模型計算結(jié)果顯示，由于可持續(xù)燃料在未來的可用性和發(fā)展空間尚不明朗，全球航空業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型之路是困難且復(fù)雜的，受到多種因素影響。根據(jù)國際能源署（IEA）在2022年報告中公布的數(shù)據(jù)，預(yù)計2023年生物燃料的全球產(chǎn)量將達到150萬噸，這與航空業(yè)2025年2.28億噸的能源需求（基于本文模型計算得出）相去甚遠。本文特別強調(diào)了燃料需求增長的問題，因為無論是以控制升溫1.5℃還是2.0℃作為目標，這一需求的變化，都與航空業(yè)實現(xiàn)凈零排放的路徑息息相關(guān)。除了探討航空業(yè)可持續(xù)性發(fā)展這一核心問題外，本文提出的模型還指出，為了實現(xiàn)控制地球升溫的目標，我們需要大量的生物燃料和可再生能源，因此應(yīng)立即加大對替代燃料和有關(guān)技術(shù)的投入，但在缺少政策干預(yù)的情況下，顯然這是不現(xiàn)實的。

調(diào)查顯示，航空業(yè)在推進自身低碳轉(zhuǎn)型方面也舉步維艱。由于缺乏替代燃料的市場空間，且行業(yè)產(chǎn)能嚴重過剩、盈利能力低下、負債嚴重，導(dǎo)致該行業(yè)商業(yè)模式的財務(wù)表現(xiàn)非常不合理。新型燃料的引入勢必增加航空運輸成本，若不對行業(yè)規(guī)模和產(chǎn)能加以控制，這部分成本將難以轉(zhuǎn)嫁給旅客，因此在保持增長的模式下，航空業(yè)將無法實現(xiàn)成功轉(zhuǎn)型。鑒于航空業(yè)低碳轉(zhuǎn)型的現(xiàn)實困難，有必要提出一種全新的商業(yè)模式，其特點是需求增長率較低、轉(zhuǎn)型風(fēng)險較低、燃料需求增長有限、燃料轉(zhuǎn)型可信可靠、行業(yè)運營效率較高等。

六、結(jié)語

本文闡述了航空業(yè)在向凈零排放過渡期間，以現(xiàn)有供應(yīng)鏈和基礎(chǔ)設(shè)施的條件下，用可持續(xù)燃料取代傳統(tǒng)航空燃油是減少碳排放的唯一選擇。本文尤其關(guān)注航空業(yè)持續(xù)增長的商業(yè)模式對實現(xiàn)凈零排放的影響，并得出了控制行業(yè)規(guī)模、加強替代燃料的可用性、引入碳稅制度將有助于該目標的實現(xiàn)。在這一情境下，實現(xiàn)凈零排放的道路將變得更加可信，盡管這是以抑制需求增長為代價的?；蛟S這對航空公司來說不一定是壞事，較高的機票價格將有助于航空公司篩除因低價機票和宣傳誘發(fā)的低價值旅客，從而建立起機票價格和旅行需求之間的新平衡，并使凈零排放目標和航空公司盈利目標相統(tǒng)一。