歐洲航空業(yè)凈零排放發(fā)展戰(zhàn)略分析

■ 王翔宇 / 中國航發(fā)研究院

根據(jù)《目標2050》戰(zhàn)略構(gòu)想，通過改進飛機和發(fā)動機技術(shù)、使用可持續(xù)航空燃料（SAF）、實施經(jīng)濟刺激政策，以及改善空中交通管理（ATM）等4項關(guān)鍵舉措，預(yù)計到2030年CO2凈排放量將比假設(shè)的參考情景減少45%，到2050年可實現(xiàn)歐洲航空業(yè)CO2的凈零排放。

歐洲航空聯(lián)盟（A4E）、歐洲民航導(dǎo)航服務(wù)組織（CANSO）、歐洲區(qū)域航空公司協(xié)會（ERA）、歐洲國際機場理事會（ACI）和歐洲航空航天與防務(wù)工業(yè)協(xié)會（ASD）于2021年2月11日，共同發(fā)布了名為《目標2050》（Destination 2050）的可持續(xù)發(fā)展新戰(zhàn)略，詳細闡述了未來30年歐洲航空業(yè)的脫碳發(fā)展路徑。該戰(zhàn)略是在《巴黎協(xié)定》和《歐洲綠色協(xié)議》的基礎(chǔ)上制定并與歐洲氣候目標相契合，通過航空業(yè)與各國政府的協(xié)調(diào)努力，歐盟、英國和歐洲自由貿(mào)易聯(lián)盟（即“歐盟+”地區(qū)）境內(nèi)以及離境的所有航班到2050年要真正實現(xiàn)CO2凈零排放。所謂的凈零排放并不意味著完全的無碳飛行，而是要在絕對排放量下降92%后其余的CO2可通過各種碳清除手段實現(xiàn)中和。為了實現(xiàn)這一雄心勃勃的宏偉愿景，改進飛機和發(fā)動機技術(shù)、使用可持續(xù)航空燃料（SAF）、實施經(jīng)濟刺激政策以及改善空中交通管理將是歐洲航空業(yè)后續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。

改進飛機和發(fā)動機技術(shù)

盡管不同的細分市場有所差異，但民航飛行的燃油效率在過去10多年的時間里總體上以接近2%的年化增長率實現(xiàn)了穩(wěn)步提升，這種勢頭大概率將會延續(xù)到2035年，即航空業(yè)預(yù)期的下一代革命性飛機和發(fā)動機產(chǎn)品問世之際。從飛機部件設(shè)計的角度看，翼面層流主動控制以及可折疊桁架式機翼有望大幅降低飛行阻力，碳纖維增強塑料在機體上的普及應(yīng)用也可以在強度不變的前提下顯著減輕其質(zhì)量。而超高涵道比、開式轉(zhuǎn)子構(gòu)型和更激進的循環(huán)方式（如自適應(yīng)循環(huán)、間冷回熱循環(huán)和組合循環(huán)）則是未來燃氣渦輪發(fā)動機降低碳排放的重要發(fā)展方向。不過如此的減排進度顯然無法滿足人們對航空業(yè)盡快實現(xiàn)脫碳發(fā)展的迫切訴求，通過常規(guī)技術(shù)路線對飛機及其動力系統(tǒng)進行能效潛力挖掘也變得越來越困難，這一點在運力和排放量占比均過半的窄體機市場表現(xiàn)得尤為突出。在未來窄體機、中小型寬體機和大型寬體機的各個細分領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展路線可能會出現(xiàn)一定差異性的同時，以電能、氫能為代表的所謂“非滴入式能源”正在逐漸成為最熱門的飛機和發(fā)動機技術(shù)革新領(lǐng)域，也為凈零排放愿景成真帶來最大的希望。

限制當前電推進系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的一個主要原因就是過低的電池質(zhì)量能量密度，0.2kW·h/kg甚至僅相當于航空煤油的1/60。體積能量密度和功率能量密度的問題也帶來了很大的困擾，不僅意味著需要比當前油箱大得多的電池存放空間，而且在某些飛行階段（如起飛）可能要依賴更多的電動機同時工作以提供足夠的推力。即便是混合電推進系統(tǒng)，當飛機的尺寸和推力需求增大時額外產(chǎn)生的質(zhì)量也會無法承受，同時更高的輸出功率也意味著更大更沉的冷卻裝置。正是考慮到了電推進相關(guān)技術(shù)在中短期內(nèi)實現(xiàn)跨越式發(fā)展還存在著較大困難，《目標2050》認為未來20～25年可能只有通航飛行能夠達成全電化發(fā)展，而對于那些再下一代的民用飛機及發(fā)動機，除了支線市場可能會采用混合電推進系統(tǒng)外，窄體機和寬體機大概率仍舊會處于從多電到混電/全電的過渡階段。特別值得一提的是，雖然大型寬體機及其動力技術(shù)發(fā)展與其他細分市場有所不同，但由于其產(chǎn)品進入市場的時間一般比窄體機和中小型寬體機晚5年左右，可吸收后二者發(fā)展的經(jīng)驗教訓從而進一步開展有針對性的研發(fā)，因此在《目標2050》中100座以上各細分市場的長期效率提升目標被整合在了一起。

雖然氫燃料電池將在未來電推進系統(tǒng)中扮演重要角色，但改進燃氣渦輪發(fā)動機使之直接燃燒氫氣似乎更加接近現(xiàn)實。與燃燒航空煤油相比還可減少硫酸鹽、顆粒物質(zhì)和NOX的排放，在減少CO2排放的同時對改善機場周圍空氣質(zhì)量也有很大益處。歐洲雄心勃勃的氫能發(fā)展戰(zhàn)略是實現(xiàn)氫動力飛行的一個關(guān)鍵因素，力度空前的氫能源推廣普及將有助于其在基礎(chǔ)設(shè)施和標準化方面快速成熟，可再生電技術(shù)的進一步發(fā)展也會讓可再生氫與化石能源相比具有成本競爭力。援引2020年麥肯錫公司咨詢報告的若干結(jié)論，《目標2050》認為航程2000km、載客量165人的氫能窄體機將在2035年投入使用，到2050年氫能飛機對應(yīng)的CO2減排量將達到6000萬t，減排成本為225歐元/t，甚至超過了常規(guī)飛機和發(fā)動機技術(shù)改進（含混合電推進）帶來的成果。不過對于更大座級的飛機，隨著起飛質(zhì)量的增加，每可用座千米（ASK）的氫燃料成本費用將會呈倍數(shù)增加，更遠的航程也帶來了在“歐盟+”區(qū)域以外的氫氣供應(yīng)和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施支持上的問題，當然這一點也同樣存在于主要連接較小的機場、城鎮(zhèn)和城市的支線飛機。

使用可持續(xù)航空燃料

在過去的15年中，航空業(yè)一直致力于開發(fā)替代傳統(tǒng)航空煤油的SAF，以減少對環(huán)境的不利影響。注意到這里的SAF是從燃料全生命周期排放量的角度考慮的，即在原料生產(chǎn)和運輸、轉(zhuǎn)化為燃料、燃料運輸和分配過程中排放的全部CO2，當然也包括在飛機和發(fā)動機使用時產(chǎn)生的。通過對森林物質(zhì)、農(nóng)業(yè)剩余物、能源作物和已經(jīng)加工過的其他物質(zhì)（如污水污泥和城市固體廢物）進行一系列工藝處理，在和航空煤油按照一定比例進行混合并經(jīng)過適航認證后，SAF能夠直接在現(xiàn)有機隊中使用，不需要對飛機、發(fā)動機或基礎(chǔ)設(shè)施進行任何改動，這也是其與氫能飛行的一大根本性區(qū)別。與航空煤油相比，使用SAF可獲得的全生命周期CO2減排量大多在25%～95%，同時也會顯著降低CO、硫化物和可吸入顆粒物的排放量。

改進飛機和發(fā)動機技術(shù)對應(yīng)的CO2減排預(yù)期

預(yù)計到2030年，歐洲SAF產(chǎn)量達到320萬t，占全球總產(chǎn)量的一半，約等于歐洲航空業(yè)燃料消耗量的6%。其中生物燃料為200萬t，有70%是通過HEFA法生產(chǎn)的，市場價格約為同期航空煤油的1.95倍，而利用其他方法得到的生物燃料價格還會再翻番。另外的120萬t主要是以可再生氫為原料的合成液體燃料，雖然成本同樣較高，但其全生命周期排放量卻下降了85%。到2050年，生物燃料產(chǎn)量增長到1300萬t，整個生物燃料供應(yīng)鏈在歐盟循環(huán)經(jīng)濟戰(zhàn)略下會得到進一步優(yōu)化，全生命周期CO2減排量超過95%。同時，70%的可再生氫將會為氫動力飛機提供燃料，按照7%的含氫量計算剩余的可制備1900萬t碳氫液體燃料，市場價格也將低于生物燃料。這樣，合計3200萬t的可持續(xù)航空燃料已相當于同期航空燃料消費總量的83%，而該數(shù)字已經(jīng)超過了目前適航標準規(guī)定的50%混合比例的上限。雖然在2030年后將這一限制提升到100%應(yīng)當不存在技術(shù)上的瓶頸，但從安全性考慮，會對飛機和發(fā)動機進行額外的改裝和測試。

實施經(jīng)濟刺激政策

經(jīng)濟刺激政策已被普遍認為是實現(xiàn)航空業(yè)低碳化發(fā)展的一個關(guān)鍵機制，其核心在于確定CO2排放的價格，從而讓生產(chǎn)者在商業(yè)決策中明確考慮碳排放產(chǎn)生的氣候成本。歐洲應(yīng)對氣候變化的政策基石就是歐盟排放交易體系（ETS），最初只是針對電力和能源行業(yè)，在2012年第三階段開始實施后航空業(yè)被納入其中，也是目前該計劃唯一涵蓋的交通領(lǐng)域。從結(jié)果上看，自2013年以來歐盟排放交易體系下CO2排放量平均每年下降了2.3%，不過航空排放量的年化增長量卻為4.5%，這表明航空業(yè)成了這種排放交易體系下的配額凈購買者，2017年購買的排放配額甚至占到了排放量的41%。考慮到在ETS第四階段（2021—2030年）航空排放配額上限將以每年2.2%的速度遞減，歐洲各個航空公司將承擔更大的排放經(jīng)濟壓力。雖然航空業(yè)分得的配額占比會上升一些，但CO2排放配額的市場價格也在水漲船高，已經(jīng)從2013年的每噸不足5歐元提高了2019年的30歐元以上。

使用可持續(xù)航空燃料對應(yīng)的CO2減排預(yù)期

目前，ETS還只是針對歐洲內(nèi)部航班執(zhí)行。為了更好地解決國際飛行的碳排放問題，2016年國際民航組織（ICAO）商定了國際航空碳抵消和減少方案（CORSIA），要求航空公司通過購買其他部門減排項目產(chǎn)生的碳信用額來抵消任何超過2019年的排放量。顯然以“抵消”為核心、排放總量上不封頂?shù)腃ORSIA比歐洲“總量遞減、配額交易”ETS碳排放政策要溫和很多，相應(yīng)的2020年2月初碳信用額的交易價格僅為0.23歐元，約為歐盟排放交易系統(tǒng)配額單價的百分之一，這也有助于獲得歐盟外特別是很多發(fā)展中國家的認可與支持。不過隨著CORSIA在全球航空業(yè)的推廣普及并像歐盟排放交易體系那樣具有強制性，未來碳信用價格存在大幅上漲的可能性。《目標2050》戰(zhàn)略假設(shè)ETS與CORSIA會在不同地區(qū)共存發(fā)展，加速能源過渡并彌合差距直到突破性的飛機發(fā)動機技術(shù)和SAF得到廣泛應(yīng)用。到2030年經(jīng)濟措施預(yù)計將使CO2凈排放量比參考情景減少27%，到2050年剩余的排放量都可以通過碳清除項目加以平衡，此時歐洲航空公司的政策合規(guī)成本約為36億歐元。

改善空中交通管理

為了更好地與高度復(fù)雜且相互依存的航空運輸環(huán)境相適應(yīng)，改善空中交通管理也將是中短期內(nèi)減少CO2排放的重要途徑。例如，通過考慮盡可能全面的因素（有效載荷、天氣情況、空中交通管制以及燃料價格等）從而確定更具運營效率的航班計劃，航空公司在降低燃油消耗、獲取更多商業(yè)利益的同時也變相地達到了減排的目的。近3年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，依托相關(guān)專業(yè)軟件來規(guī)劃航班，已為航空公司節(jié)約了2.6%～3%的燃料，隨著2024年后新一代飛行管理系統(tǒng)（FMS）投入使用，這一收益還能進一步提升到3%～4%。除了優(yōu)化飛行計劃和執(zhí)行方式外，航空公司還在努力減輕飛行質(zhì)量：一方面，復(fù)合材料應(yīng)用范圍得以擴大，客艙座椅、推車和各種工作設(shè)備都變得更加輕便；另一方面，電子系統(tǒng)開始快速取代紙質(zhì)報刊以及相對笨重的機上娛樂系統(tǒng)。改善機體狀況對油耗也有有益的影響，經(jīng)常性清洗發(fā)動機估計可以減少0.5%～1.2%的CO2排放，而飛機外部蒙皮凹痕或污垢會降低空氣動力學效率，可能使飛行阻力增加多達2%。

歐盟ETS與國際民航組織CORSIA比較

進一步開放空域也是未來改善空中交通管理的重要方向。根據(jù)單一歐洲天空（SES）框架構(gòu)想，歐洲內(nèi)部各國破碎零散的空域有望被整合，允許根據(jù)航空業(yè)務(wù)需要而不是國家邊界管理空域，航空公司可以有更多的機會去選擇更具經(jīng)濟性的飛行路線，預(yù)期可降低3.5%（從歐洲出發(fā)的洲際航班）到7.1%（歐洲區(qū)域內(nèi)航班）的碳排放。但想要各國政府在空域組織方面作出必要的政治妥協(xié)并不容易，對于歐盟外的國家來說則更加困難。此外，合理正確的機場地面作業(yè)也能在節(jié)約燃料上發(fā)揮一定的作用，將一臺或者更多發(fā)動機關(guān)閉可以使得起飛和著陸滑行階段油耗降低20%～40%，而類似的引入基于地面電力系統(tǒng)的拖曳系統(tǒng)、減少輔助動力裝置（APU）的使用同樣可帶來0.3%左右的節(jié)能潛力。總的來看，改善空中交通管理涉及到方方面面的內(nèi)容，而為了讓這些零碎繁多的舉措真正起到減少CO2排放的效果，各國政府、航空公司、飛機/發(fā)動機制造商、空中導(dǎo)航服務(wù)商、機場運營商以及地勤代理商之間的協(xié)作配合至關(guān)重要。

實施經(jīng)濟刺激政策對應(yīng)的CO2減排預(yù)期

實施經(jīng)濟刺激政策對應(yīng)的CO2減排預(yù)期

《目標2050》發(fā)展愿景

根據(jù)《目標2050》的戰(zhàn)略預(yù)期，到2030年“歐盟+”地區(qū)航班的CO2排放量為1.13億t，較假設(shè)的參考情景（航班量和客運量年化增長率分別為1.4%和2.0%，CO2排放量每年增加1.6%）減少45%，且其中超過88%的排放是由飛往“歐盟+”地區(qū)以外目的地的航班產(chǎn)生的。飛機和發(fā)動機技術(shù)的改進使得CO2減排了1400萬t（7%），由于更多革命性的技術(shù)（特別是氫動力）是在2030年后才能成熟并進入市場，因此在未來10年周期內(nèi)其對民航減排貢獻較為有限。同期的可持續(xù)航空燃料可能仍會面臨較大的產(chǎn)能問題，預(yù)計在2030年CO2的減排量約為700萬t（3%），當然這一數(shù)字較目前水平也是一個巨大的進步。2030年時大部分改善空中交通管理的措施都已經(jīng)實施或者至少部分實施，相應(yīng)帶來1100萬t（5%）的碳減排收益，而各種經(jīng)濟刺激政策有望降低CO2排放量5500萬t（27%），成為了對“歐盟+”地區(qū)內(nèi)部和離境航班減排最重要的渠道。當然也要注意到，SAF和經(jīng)濟刺激政策必然導(dǎo)致航空公司成本上升，最終的結(jié)果是機票價格上漲從而抑制了民航需求。這種負面影響也會使CO2排放量減少700萬t（3%）。

2030—2050年，伴隨著民航運營成本的進一步提高，因需求影響減少的CO2排放量達到了4300萬t（15%）。在各種可持續(xù)發(fā)展措施中，飛機和發(fā)動機技術(shù)的改進產(chǎn)生了最大的減排效果，常規(guī)動力（含混合電推進）和氫動力分別貢獻了5100萬t和6000萬t。得益于各種生產(chǎn)工藝的升級，SAF的用量接近航空煤油的5倍，與參考情景相比減少了34%的CO2排放。考慮到“歐盟+”地區(qū)內(nèi)部航班以氫能為主，SAF主要用于“歐盟+”地區(qū)以外的洲際飛行。改善空中交通管理也能夠減少1800萬t的CO2排放，其占比從2030年的5%增加到2050年的6%。在這一時期經(jīng)濟刺激政策主要應(yīng)用到了“歐盟+”地區(qū)以外的洲際航班，對應(yīng)的CO2減排量為2200萬t。最終在《目標2050》戰(zhàn)略構(gòu)想下，2050年的減排總量達到2.93億t，在“歐盟+”區(qū)域內(nèi)和離境的所有航班均實現(xiàn)了CO2凈零排放。

為了真正實現(xiàn)《目標2050》發(fā)展愿景，整個歐洲航空運輸生態(tài)系統(tǒng)必須果斷一致共同行動。航空業(yè)應(yīng)持之以恒地在航空低碳化發(fā)展領(lǐng)域投資布局，在開發(fā)更高效的飛機和發(fā)動機產(chǎn)品、通過不斷更新機隊使其盡快投入運營的同時，發(fā)力氫動力和混合動力飛機及相關(guān)配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，并擴大SAF的生產(chǎn)和使用、持續(xù)優(yōu)化空中交通管理。各國政府也應(yīng)出臺相關(guān)政策加大對創(chuàng)新型脫碳技術(shù)的資助力度，降低航空業(yè)在新技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的投資風險，支持SAF產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并推進以“歐洲單一天空”為代表的開放空域政策。

《目標2050》評述

《目標2050》既突出了未來航空業(yè)低碳發(fā)展愿景的重要性與迫切性，也表現(xiàn)出了航空裝備制造商、航空公司、機場運營商和空中導(dǎo)航服務(wù)商各個利益攸關(guān)方之間的協(xié)作承諾。

以2030年和2050年為主要時間節(jié)點，《目標2050》中的凈零排放發(fā)展路線延續(xù)了歐洲在應(yīng)對氣候變化時一貫的宏大激進的思路，而這種思路能在多大程度上被歐洲以外的國家、特別是發(fā)展中國家所接受仍然存在著很大的未知。預(yù)計2022年ICAO將發(fā)布全球航空業(yè)脫碳發(fā)展目標，從目前的情況看其與《目標2050年》的一致性很難被過高期待。

《目標2050》給出了實現(xiàn)凈零排放的4類主要措施，并對每一類措施下各種具體做法帶來的減排預(yù)期進行了定量分析。中短期內(nèi)可能更多地要依賴經(jīng)濟刺激政策，碳排放配額價格會隨著技術(shù)的進步與時間的推移而逐漸增加，最終使得脫碳項目會具備足夠的經(jīng)濟吸引力，這樣到2050年任何剩余的排放量都可以通過碳吸存、碳捕獲和碳儲存加以平衡。

從長遠看，飛機和發(fā)動機技術(shù)革新更能夠在提升效率上發(fā)揮主導(dǎo)作用，特別是瞄準歐洲內(nèi)部航線的氫動力飛行被《目標2050》寄予厚望。然而到了2021年6月，曾經(jīng)發(fā)布多個氫動力概念的空客公司卻表示尚未決定第一架零排放飛機將瞄準哪個細分市場，從 2035 年起氫動力將主要應(yīng)用于支線和短途飛機。未來航空技術(shù)發(fā)展大趨勢到底在哪，至少目前還沒有一個確切的結(jié)論。

各種減排措施帶來了航空公司運營成本上升的問題，這必然會以票價的形式轉(zhuǎn)嫁給旅客，《目標2050》認為到2050年前客運量年化增速大概會下降30%左右。盡管這已經(jīng)是一個非常積極樂觀的數(shù)字，但對于后疫情時代亟待恢復(fù)的航空業(yè)來說可能難以承受。顯然，如何將市場發(fā)展與環(huán)境保護更好地統(tǒng)一起來，仍然有很多工作需要做。

結(jié)束語

2021年3月中央財經(jīng)委員會第九次會議強調(diào)，“我國力求2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”，是黨中央經(jīng)過深思熟慮作出的嚴峻戰(zhàn)略決策，事關(guān)中華民族永續(xù)發(fā)展和構(gòu)建人類命運共同體。根據(jù)國家戰(zhàn)略部署，針對行業(yè)特點和面臨的挑戰(zhàn)，我國航空業(yè)應(yīng)盡早謀篇布局，統(tǒng)一規(guī)劃，制定符合中國航空業(yè)發(fā)展的碳排放指導(dǎo)方針。無論是統(tǒng)籌碳市場機制、完善綠色航空配套法規(guī)，還是推動SAF與飛機發(fā)動機新技術(shù)發(fā)展，還是加速出臺關(guān)于能源結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)布局調(diào)整的指導(dǎo)意見，歐洲航空業(yè)《目標2050》的凈零排放發(fā)展戰(zhàn)略都是一個很好的參考借鑒。從相對減排到絕對減排，再到零排放，這將是推動我國傳統(tǒng)航空業(yè)轉(zhuǎn)型升級、從新的方向?qū)崿F(xiàn)彎道超車的一個難得的歷史機遇。