“碳中和”目標(biāo)牽引下的航空動力發(fā)展分析

■ 韓玉琪 袁善虎 王颯 / 中國航發(fā)研究院

近年來，為積極應(yīng)對全球氣候變化問題，各國紛紛提出“碳中和”目標(biāo)以及相應(yīng)的發(fā)展戰(zhàn)略。2021年10月26日，空客、波音、達(dá)索、GE、普惠、羅羅和賽峰等7家航空制造企業(yè)的首席技術(shù)官（CTO）在倫敦發(fā)布聯(lián)合聲明，重申要推動航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，在2050年前實(shí)現(xiàn)航空業(yè)凈零碳排放的目標(biāo)。而航空運(yùn)輸業(yè)的“碳中和”目標(biāo)能否按期實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于航空動力技術(shù)的減碳創(chuàng)新發(fā)展。

世界氣象組織（WMO）發(fā)布的《2020年全球氣候狀況》報(bào)告顯示，2020年是有氣象記錄以來3個(gè)最暖年份之一。2020年全球平均氣溫比工業(yè)化前上升了大約1.2℃，上升速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過預(yù)期，而氣溫上升2℃就會對自然界造成重大危害，如圖1所示。為減緩全球變暖趨勢，近200個(gè)締約方于2015年12月共同通過了《巴黎協(xié)定》，其制定的長期目標(biāo)是將全球平均氣溫較工業(yè)化時(shí)期上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并努力將溫度上升幅度限制在1.5℃以內(nèi)。為此，全球逾20個(gè)國家宣布要實(shí)現(xiàn)“碳中和”。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的定義，“碳中和”是指一個(gè)組織在1年內(nèi)的二氧化碳排放通過二氧化碳去除技術(shù)應(yīng)用達(dá)到平衡。2019年12月11日，歐盟公布了《歐洲綠色協(xié)議》，并在其中設(shè)定了2050年歐洲實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)；2020年9月22日，中國在第75屆聯(lián)合國大會上提出，中國的二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”；2021年1月20日，美國總統(tǒng)拜登上任第一天就宣布重返《巴黎協(xié)定》，其在氣候領(lǐng)域的目標(biāo)是，“到2035年，通過向可再生能源過渡實(shí)現(xiàn)無碳發(fā)電；到2050年，讓美國實(shí)現(xiàn)‘碳中和’”。

圖1 氣溫上升對自然界的影響及 《巴黎協(xié)定》控溫目標(biāo)

“碳中和”對航空運(yùn)輸業(yè)提出重大挑戰(zhàn)

航空運(yùn)輸業(yè)的“碳中和”目標(biāo)

2019年，航空運(yùn)輸業(yè)的碳排放總量已經(jīng)占到全球交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放量的10%（2020年受新冠疫情影響，航空運(yùn)輸量大幅下降，2019年的數(shù)據(jù)更具參考意義），占全球碳排放總量的2%，脫碳已成為航空運(yùn)輸業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。

航空運(yùn)輸行動小組（ATAG）呼吁從2020 年起實(shí)現(xiàn)“碳中和”增長，并在2050 年之前將排放量減少到2005 年的50%。2016 年10 月，國際民航組織（ICAO）第39 屆大會通過了國際航空碳抵消和減排計(jì)劃（CORSIA），形成了第一個(gè)全球性行業(yè)減排市場機(jī)制，航空業(yè)也由此成為世界上第一個(gè)由各國政府協(xié)定實(shí)施全球碳中和增長措施的行業(yè)。在CORSIA 計(jì)劃下，全球航空業(yè)2035 年的二氧化碳排放量不超過2020 年的排放量水平，即“碳達(dá)峰”；2050 年的二氧化碳排放量應(yīng)達(dá)到2005 年排放水平的50%及以下；最終實(shí)現(xiàn)“碳中和”增長，將全球航空運(yùn)輸業(yè)的碳凈排放量穩(wěn)定在2019年的水平（5.8 億t 噸）。2020 年7 月，ICAO 理事會決定將2019 年作為全球航空運(yùn)輸業(yè)“碳中和”方案及減排計(jì)劃的基準(zhǔn)線，得到國際航空運(yùn)輸協(xié)會（IATA）的支持。2022 年，ICAO 大會將審議是否需要進(jìn)一步修正該基準(zhǔn)線，以解決新冠肺炎疫情帶來的影響，從而確保該計(jì)劃成功實(shí)施。

航空運(yùn)輸業(yè)減碳關(guān)鍵在于航空動力

發(fā)達(dá)國家的航空運(yùn)輸業(yè)需求穩(wěn)定甚至出現(xiàn)下滑，減碳壓力相對較小，而以我國為代表的發(fā)展中國家，由于經(jīng)濟(jì)增長帶動航空運(yùn)輸業(yè)需求持續(xù)增長，從而面臨著巨大的減碳壓力。根據(jù)法國巴黎銀行的調(diào)研，航空運(yùn)輸業(yè)的碳排放主要在于燃燒航空煤油，約占總排放量的79%，于是航空運(yùn)輸業(yè)的減碳關(guān)鍵就在于降低與航空燃料相關(guān)的碳排放。由此可見，我國的航空動力行業(yè)減碳壓力尤為巨大。

我國航空動力減碳創(chuàng)新發(fā)展的戰(zhàn)略意義

從政治角度來看，2020年我國石油的對外依賴度為73%，航空動力的減碳創(chuàng)新發(fā)展能夠使之降低，減少我國對通過馬六甲海峽輸送石油的依賴，有益于國家安全，有利于在大國競爭格局中占據(jù)有利位置；從經(jīng)濟(jì)角度來看，根據(jù)CORSIA的要求，在2027—2035年間，所有成員國將按照2018年的收入份額來承擔(dān)CORSIA責(zé)任，即超過指標(biāo)的那部分碳排放需要各航空公司繳納“碳稅”，航空動力的減碳創(chuàng)新發(fā)展關(guān)乎航空運(yùn)輸業(yè)的切身利益；從社會角度來看，航空動力的減碳創(chuàng)新發(fā)展有助于氣候溫控目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，從而降低極端天氣發(fā)生的頻率和生物的滅絕速度，是履行自身社會責(zé)任的應(yīng)有之義；從技術(shù)角度來看，減碳創(chuàng)新發(fā)展將伴隨著大量“換道超車”機(jī)會的涌現(xiàn)，我國的航空動力行業(yè)要想在此新一輪產(chǎn)業(yè)革命中把握機(jī)會，關(guān)鍵在于減碳技術(shù)的科技創(chuàng)新。

航空動力減碳創(chuàng)新的主要技術(shù)路徑

航空動力領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)降低碳排放主要采用兩種技術(shù)路徑，如圖2所示：一是基于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行漸進(jìn)式改進(jìn)，提升燃油效率，當(dāng)前燃油效率平均每年提高2%，難以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)真正的脫碳目標(biāo)，即2050年時(shí)將碳排放量減少至2005年的50%；二是變革性發(fā)展，采用低碳排放的新型能源，屆時(shí)可滿足碳排放的要求。

圖2 航空動力降低碳排放的主要技術(shù)路徑

提升燃油效率的漸進(jìn)式改進(jìn)

漸進(jìn)式改進(jìn)提升燃油效率主要有兩種方式：一是提高推進(jìn)效率；二是提高熱力循環(huán)的效率。

從航空渦輪發(fā)動機(jī)的原理來說，提高推進(jìn)效率需要降低排氣速度，主要有3種方式：一是渦槳發(fā)動機(jī)在低速飛行時(shí)有很高的推進(jìn)效率，以及涵道比的增大顯著提升了渦扇發(fā)動機(jī)的推進(jìn)效率，從而改善了高亞聲速飛行時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性；二是采用分布式推進(jìn)技術(shù)，通過以適當(dāng)數(shù)目的中型或微型的推進(jìn)器，代替常規(guī)布局中的2個(gè)或4個(gè)集中安裝或吊掛在機(jī)翼的推進(jìn)器，提高整個(gè)系統(tǒng)的等效涵道比，以及吸取機(jī)翼表面的邊界層提升推進(jìn)效率；三是采用開式轉(zhuǎn)子技術(shù)（等效涵道比為25 ～60，遠(yuǎn)大于現(xiàn)在涵道比10左右的最新商用窄體機(jī)的動力），在飛行馬赫數(shù)（Ma）為0.8的巡航狀態(tài)下，開式轉(zhuǎn)子的推進(jìn)效率較傳統(tǒng)的帶有機(jī)匣的渦扇發(fā)動機(jī)大幅提高，而渦扇發(fā)動機(jī)受到短艙質(zhì)量、阻力、管道損失的限制，無法達(dá)到對應(yīng)最小耗油率的風(fēng)扇壓比，如圖3所示。

圖3 開式轉(zhuǎn)子與渦扇發(fā)動機(jī)推進(jìn)效率對比（Ma0.8）

航空發(fā)動機(jī)作為熱機(jī)，目前其熱效率為25%～40%，提高其熱力循環(huán)效率主要有3種方式：一是提高部件或系統(tǒng)效率，使得實(shí)際循環(huán)的損失減小，更接近理想的布雷頓循環(huán)，從而得到更大的熱效率；二是對傳統(tǒng)的渦輪發(fā)動機(jī)的布雷頓循環(huán)進(jìn)行熱力循環(huán)子過程局部改變，以超越傳統(tǒng)循環(huán)的理論限制，提高熱效率，如“彎刀”（Scimitar）強(qiáng)預(yù)冷發(fā)動機(jī)（如圖4所示）在常規(guī)壓氣機(jī)前增加以氦為換熱工質(zhì)的預(yù)冷器，又如采用間冷回?zé)峒夹g(shù)增加壓縮空氣中間冷卻和排氣回?zé)醿蓚€(gè)過程；三是采用新型的熱力循環(huán)，如爆震發(fā)動機(jī)和波轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)采用了等容燃燒，爆震渦輪發(fā)動機(jī)的熱效率達(dá)到了45%。

圖4 “彎刀”發(fā)動機(jī)部件組成示意圖

采用新型能源的變革性發(fā)展

就實(shí)現(xiàn)航空動力的“碳中和”目標(biāo)而言，采用低碳排放的新型能源的變革性發(fā)展方式更為可行：一是采用新型燃料；二是采用非燃料能源。

在新型燃料方面，主要有可持續(xù)航空燃料（SAF）和氫燃料，增加SAF的供應(yīng)和使用，并將氫作為未來的一種燃料，正是近期7家航空制造企業(yè)CTO在倫敦發(fā)布的聯(lián)合聲明中所提及的核心技術(shù)領(lǐng)域之一。可持續(xù)航空燃料與傳統(tǒng)燃料相比，全生命周期內(nèi)可減少80%的二氧化碳排放，并且SAF仍屬于航油，適用于絕大部分現(xiàn)役飛機(jī)和發(fā)動機(jī)，無須對發(fā)動機(jī)做出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的改變，只需替換油品即可，且可與航空煤油混合使用，當(dāng)前制約SAF大范圍使用的障礙是成本和產(chǎn)能問題（目前SAF成本為航空煤油的2.5 ～8倍，產(chǎn)量僅占全球商用航空燃料的0.1%）；氫燃料代替化石燃料可實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，且氫燃料的能量密度大約是航空煤油的3倍，氫燃料既可直接作為航空渦輪發(fā)動機(jī)的燃料來使用，也可用作燃料電池的能量來源，通過燃料電池轉(zhuǎn)化為電能后再驅(qū)動推進(jìn)器為飛機(jī)提供前進(jìn)動力。

在非燃料能源方面，可采用的方案主要有電能和其他能源（如太陽能、核能、微波等）。電推進(jìn)技術(shù)是目前確認(rèn)的不會在飛行中產(chǎn)生排放的替代方案；而其他能源在飛行中也不產(chǎn)生排放，目前也在探索研究中。

結(jié)束語

“碳中和”目標(biāo)對航空運(yùn)輸業(yè)提出了巨大挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于航空動力技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。針對“碳中和”目標(biāo)，航空動力領(lǐng)域采用傳統(tǒng)的提升燃油效率的漸進(jìn)式改進(jìn)技術(shù)路徑將難以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)成，需要采用低碳排放的新型能源（新型燃料或非燃料能源）等變革性發(fā)展的技術(shù)路徑。