民航運輸飛機碳排放計算方法

肖 毅 段鐵城

(中國民用航空飛行學院 飛行技術學院，四川 廣漢 618307)

0 前言

隨著氣候變化問題被提上議事日程，監測和記錄大氣排放變得越來越重要。 航空業作為當今世界最重要的全球經濟活動之一，航空業帶來的二氧化碳及非二氧化碳排放同樣會導致氣候出現系統性的變化，航空排放涉及一系列大氣物理過程。 雖然這些影響中的一部分會導致變暖， 另一部分則會導致降溫效應，總的來說， 變暖的影響更大。 據2018 年的統計數據顯示，包括客運和貨運在內的全球航空業排放了10.4 億噸二氧化碳，占當年二氧化碳排放總量的2.5%，非二氧化碳氣體的排放占3.5%。 由于民航快速發展，全球航空燃料使用量和二氧化碳排放量在過去幾年有所增加，特別是亞洲和其他發展中國家增長迅速。 飛機除了排放燃料燃燒產生的二氧化碳外，還影響大氣中其他氣體和污染物的濃度。 鑒于航空業對化石燃料的依賴性，其顯著的CO2和非CO2效應以及預計的航空活動增長，對環境地污染都會持續影響。 因此，了解航空業對當今氣候的影響至關重要。

航空業對氣候變化的貢獻有許多因素，但最受關注的是它通過二氧化碳排放。 大多數航班通過化石燃料提供動力，盡管有些飛機部分使用生物燃料，但燃燒后同樣會轉化為二氧化碳。 飛機燃油消耗產生CO2方程式如下：2 C8H18+25 O2＞16 CO2+18 H20。 上式中，每加侖燃油（約6.5 磅）與23 磅的氧氣結合會產生20磅的二氧化碳（1 加侖=3.79L，1 磅=453.59g）。 例如，波音777-200 單航程飛行7 500 海里， 燃油消耗約為251 155 磅，同時產生775 311 磅的二氧化碳。 雖然對于單個航班的二氧化碳排放可以進行估算，但是航空活動對氣候的影響仍然存在爭論。 主要原因在于飛行人數上存在著巨大的不平等， 許多人根本沒有直接或者間接參與了航空活動。 其次，航空排放如何歸因于某個國家， 國內航班的二氧化碳排放量可以計入一個國家的排放總量之中。 而國際航班并非如此，通常它們并未計入任何國家的排放量， 這意味著各國減少排放的動機很少。 另外，來自航空業的非二氧化碳強制措施未包括在巴黎協議中，這意味著它們很容易被忽視。

目前，很多國家及組織開始重視航空業的碳排放問題。 作為制定減排措施的第一個關鍵階段就是碳排放計算，在無法直接測量排放量的情況下，碳排放計算被用來提供一個估算值。 但是對于碳排放的計算方法沒有統一，由于計算方法涉及某種程度的近似和假設，以及有關排放責任邊界和應承擔責任的行為者的主觀決定，從而導致了計算結果之間的差異性。 本文綜述了幾種常見的關于航空業的碳排放計算方法，并進行了簡單的闡述。

1 碳排放計算方法

對于任何同一航線飛行的實際碳排放量和計算的排放量之間總是存在差異。 這是因為每次飛行任務所遇到的航路條件都可能不同，比如氣候、配載、發動機型號、座位配置及飛行模式等差異，這一系列因素都會影響到每位乘客的排放量。 在計算每一個航班的排放量時就必須對上述因素進行假設，從而導致結果出現較大的誤差和變化，通常的處理方式是將這些影響在多個航班上進行平均處理以減小誤差。 盡管航空排放計算處理有一定差異性， 但整個計算流程基本是一樣，如圖1 所示。 目前，已有許多獨立開發的航空排放計算器， 但人們更希望碳排放計算能夠保持統一性，因為過多的計算會導致報告不一致，使希望開展減排的人產生困惑。 然而，由于數據來源的質量和所作的任何假設，以及分配排放量和使用乘數的主觀問題，計算結果之間仍然存在差異。 本文總結了一些常用的碳排放量計算方法。

圖1 碳排放計算流程

1.1 國際民航組織

國際民用航空組織采用國際民用航空各方面的標準和建議進行計算，其計算碳排放的方法和圖1 類似，采用了一種基于距離的計算方法，利用各種類型飛機的現有數據估計個人的航空排放量。 為了能夠達到滿足的計算條件，國際民航組織制定了相關的燃料消耗公式，燃油消耗公式考慮的因素包括乘客負載系數、飛行距離、擁堵時間、客運量占總有效載荷的比例、飛行的客艙等級和飛行的等效飛機類型，并通過不斷監測和改進所用數據獲得更準確的排放量估計。并根據乘客的航空排放量受到每個航班特定變量不斷變化的影響，制定了較為合理的平均系數來闡述這些飛行參數的影響。

國際民航組織的計算方法的主要特點及優勢如下：

（1）涉及的飛機類型數量較多以及燃油數據來源豐富，采用多源數據融合來估計任何兩個機場之間指定路線的典型排放量。

（2）可根據飛機是寬體還是窄體選擇合適的貨運量系數，其原因在于貨運量的數據來源充裕。 并且基于按飛行階段劃分的交通量數據庫（TFS）定義每位乘客的負載系數，能更加合理的將排放量分配到每位乘客。 該數據庫收集了按年度生產的飛機類型特定交通量數據， 國際民航組織收集的國內交通量和運行數據，以及基于航空公司公布的航班時刻表。

（3）為每架參考飛機采用了標準客艙布局，這一固定空間隨后配備了一個全經濟型座椅，其間距約為31/32 英寸（1 英寸=2.54 厘米）。 然后將這種座椅配置與涉及商務或頭等艙排座椅形成的混合配置進行比較。

（4）排放量僅進行CO2計算，不使用乘數來考慮航空的非二氧化碳影響。

該方法利用若干數據來源建立相應數據庫，開發了相應的碳排放量計算程序。 該程序要求用戶輸入直飛航班的始發地和目的地機場。 然后將其與公布的定期航班進行比較，以獲得兩個有關機場提供服務的飛機類型以及每架飛機的起飛次數。 然后將每架飛機映射到312 種等效飛機類型中的一種，以便根據旅程中涉及的機場之間的大圈距離計算旅行的燃油消耗量。然后應用國際民航組織收集的交通和運行數據得出的載客率和客貨比，得出可歸因于載客量的總燃料使用比例。 該系統根據每種等效機型的起飛頻率，計算旅程的平均燃油消耗量。 除以經濟艙當量乘客總數，得出每個經濟艙乘客的平均燃油消耗量。 然后將結果乘以3.16，以獲得在這兩個機場之間旅行的每位乘客的二氧化碳足跡量。

1.2 Sabre Holdings 方法

Sabre Holdings 方法是一種基于Sabre 數據庫來估算碳排放，Sabre 數據庫包含所有航班的信息，比如進行計算所需要的出發點和目的地、航空公司、飛機型號、座位配置信息等參數。許多未知參數在Sabre 數據庫中是已知的，這樣可以實現更詳細和準確的排放估計。 由于任何航空排放量計算器的精度在很大程度上取決于作為模型輸入的燃油消耗數據的品質，這樣的燃油消耗數據很難在公開渠道獲取，并且隨著新飛機模型和發動機型號的開發，數據集也容易過時。 因此，由于缺乏準確的輸入數據，必須在排放計算器方法中采用典型的剖面，這種方法會帶來后續計算帶來誤差。 SAGE 模型給出了大量飛機類型的模擬燃料燃燒，從而避免了這個問題。SAGE 模型對排放量計算器有許多優點。

（1）模型計算基于航空公司和飛機型號來進行座位配置，計算出的碳排放量能更準確地表示航空公司的排放量。

（2）提供了一種可消除因當前模型中的方法假設而產生的不準確之處。 由于Sabre Holdings 模型比其他航空二氧化碳排放量計算器更為復雜，這可以為碳排放計算提供一種潛在的統一方法，并消除目前觀察到的計算程序之間的誤導性差異。

（3）提前預估二氧化碳排放量，便于客戶選擇低碳航班從而創造一個更環保航班的市場，以促進每個座位的低二氧化碳排放。 并可分析出行前和出行后二氧化碳排放量，同時允許與其他運輸方式的二氧化碳排放量進行比較。

根據Sabre Holdings 方法的計算流程， 提供相應的出發點和目的地，根據已知的姿態和經度坐標計算航線距離。 所需的燃油數據在本模型中未體現，需額外的子模型提供燃油數據的計算。 Sabre 開發了對應的燃油消耗公式，燃料的消耗是關于距離的函數。 因此，使用適當的公式并輸入航班，在步驟（1）中根據距離給出了飛行的燃油消耗量，然后計算每個座位的燃油消耗量。 再按航空公司和飛機型號分類的數據，基于每個座位的二氧化碳排放量可以通過乘以排放量來計算系數為3.157 kg CO2/kg 燃油。 需要注意的是，這只是二氧化碳，而且不包括排放對氣候的額外影響的乘數。

1.3 DEFRA 方法

DEFRA 方法是聯合國負責環境保護的部門開發的一種用于計算碳排放計算的程序。 該算法長期應用于英國的二氧化碳排放計算， 同時也被其他國際組織采納。 DEFRA 程序采用開源方式確保排放報告應用更廣泛。 該工具基于一種旨在估計整個航班燃油消耗量的方法， 估算的結果和歐洲運營航空公司實際燃油消耗數據進行驗證， 并定期更新數據以便提高其準確性。

DEFRA 方法公布了各種有代表性的飛機被用于計算國內、短途和長途飛行的排放系數，分別為0.1580、0.1304 和0.1056 kg CO2/km， 這些數字來自標準形式的更復雜排放量計算。 對于貨物，排放系數按噸千米運輸貨物的數量。 非英國國際航班的排放因子的計算方法與英國主要航班的排放因子計算類似， 使用按飛機類型劃分的不同地區之間航班的DFT 數據，并使用EUROCONTROL 工具計算排放因子。 主要計算特點如下：

（1）DEFRA 方法的貨物負載可按以下兩種方式之一處理。 第一種，排放量按乘客和貨物各自重量的比例分配，長途運輸的貨運量為28.8%，短途運輸的貨運量不到1%。 第二種方案考慮到旅客服務（座位、廚房等）所需的額外重量，并將較低的百分比分配給貨運（長途運輸為11.9%）。

（2）座位配置以CAA 統計數據為基礎，輔以來自非英國航空公司的信息。 同一個飛機類型分別給出了國內、短途和長途的3 個排放系數。

（3）排放量根據不同艙段進行分配，每千米的乘客排放量不僅受到飛機技術性能的影響，而且還受到航班占用率/載客率的影響。

（4）客運服務運輸的貨物也被考慮在內，同時考慮運費對長途運輸因素有顯著影響。

2 結論

減排措施實施的首要工作就是進行碳排放的計算，遺憾的是當前碳排放的方法并不統一，從而導致結果上的偏差。 本文中列出的幾種常見的碳排放計算方法各有特點，而且計算的復雜程度也因所需的數據輸入品質和所利用的數據源范圍而異，這些原因都會引起碳排放計算沒有一個統一的結果。 而最好的計算應該簡單易用且用于計算的系數又要足夠精準，因為用戶行為的任何變化都應該反映在計算出的碳足跡的減少中。 因此，需要一種標準方法來計算航空碳排放，使其結果統一準確。 對于航空業而言，如今還沒有航空脫碳的技術，關鍵的挑戰是脫碳特別困難。 其他行業都已提供了減少排放的解決方案。 欣慰的是一些設計概念正在出現，例如，空中客車公司宣布計劃在2035 年前生產第一架使用氫燃料電池的零排放飛機。創新的解決方案可能即將出現， 但它們可能還很遙遠。 對于民航而言，節能減排還有很長的路要走。