未來坐飛機不全靠石油 各國生物航油藍天保衛戰進行時

◎特約撰稿 李東海（中國航空工業發展研究中心副研究員）

未來坐飛機不全靠石油 各國生物航油藍天保衛戰進行時

◎特約撰稿 李東海（中國航空工業發展研究中心副研究員）

英國BP石油公司2011年預測，目前世界已探明石油儲量按日均消耗量計算，僅可以再維持43.6年。這對嚴重依賴傳統航油的航空業界，將產生災難性的后果。加上全球溫室氣體減排的迫切要求，改變航空的傳統能源模式，研發生物航空燃油替代傳統燃油以減少排放，就成為未來航空發展的當務之急。世界多國以及中國，都在生物航空燃油領域進行了成功的探索。

今年3月，美國航空航天局（NASA）在《自然》雜志上發表報告，公布了其與德國宇航研究院聯合進行的“替代燃料對凝結尾流和巡航排放的影響”（ACCESS）項目研究成果。2013至 2014年間，研究團隊實驗證明，生物燃料可將飛機尾氣中的顆粒物排放量減少50%至70%，從而極大減少對大氣環境的影響。這一成果再次印證了航空生物燃料對地球和人類的友好程度更高。

第一代航空生物燃料與人奪食

為了應對地球溫室氣體，各國航空界對用生物燃料替代化石燃料的研究由來已久。

航空生物燃料，是指用植物油與甲醇進行酯交換制造的乙醇與生物柴油等可供航空使用的新型燃料。簡單地說，即是從生物質原料中直接提煉航空燃油。

第一代生物燃料以糧食作物為生產原料，主要來源是玉米、小麥和大豆等，這種方式存在“與人奪食”的問題，實用價值不高。

近年來，航空用生物燃料的原料更加多元化，涵蓋了非農作物、農業廢料甚至食品垃圾，并逐漸形成以麻風樹、亞麻薺、藻類和鹽生植物等作為主要原料的第二代生物燃料。第二代不再以糧食作物為原料，最大限度地降低了對食品供應的威脅，且這些作物含油量高，對水和土壤等環境要求少，可大量生產，因此成為當前航空生物燃料原料的主要來源。

目前，國外也形成了較為成熟的航空生物燃料加工方法，工藝主要有加氫精制、費托合成（煤間接液化技術之一）和采用新原料、新工藝等。加氫精制的工藝以動植物油脂為原料，采用常規油料洗滌工藝，去除雜質，通過深度加氫處理，將長鏈的脂肪酸轉化為較短鏈的、柴油碳數范圍內的烷烴，然后對獲得的生物烷烴進行異構化和裂解，生成碳原子數符合航空燃料要求的烷烴，得到最終的產品——生物烷烴煤油。

第二代可完美替代傳統燃油

經過大量的試驗表明，第二代的生物燃料可完美地替代傳統化石燃油，不需要發動機或飛機結構重新設計，燃料系統也無需大改。與傳統燃料相比，生物燃料的主要優勢在于可極大減少溫室氣體排放，并使航空業界擺脫對化石燃料的嚴重依賴。國際運輸組織通過對比研究，證實生物燃料可極大降低二氧化碳排放。國際運輸組織提出“從2009至2020年，平均每年燃油效率提高1.5%；2020年實現碳排放零增長；2050年碳排放量比2005年減少50%”的承諾目標。

航空公司大量試飛結果也證明了這點。荷蘭皇家航空公司2011年6月在阿姆斯特丹至巴黎的航班上試用生物燃料，結果顯示該航班的二氧化碳排放量平均降低50%。

航空化石燃料只夠再用43年？

航空業界對生物燃料孜孜不倦的追求有其深刻背景。

當前，化石燃料在世界基礎能源消耗中所占比例超過80%，航空運輸幾乎完全依賴化石燃料。然而，化石燃料的不可再生性與日益增長的能源需求構成了矛盾，據英國BP石油公司2011年預測，目前世界已探明石油儲量按日均消耗量計算，僅可以再維持43.6年。這對航空業界將產生災難性的后果，尋找用于替代化石燃料的新型航空燃料已是普遍共識。

航空生物燃料的原料來源、制備過程和燃油成品

此外，為了對抗全球氣候變暖，各國對于航空節能減排的要求日趨嚴苛。2008年，歐盟通過法案將國際航空領域納入歐盟碳排放交易體系，并于2012年1月起實施。改變航空傳統能源模式，研發生物航空燃油替代傳統燃油以減少排放，就成為航空的必由之路。

生物燃料在民用領域的進展也引起了軍方的高度關注。一些國家的軍用航空裝備已進入更新換代的階段，新一代航空發動機的使用也面臨石油資源日益稀缺的巨大壓力。以美國為代表的航空大國，對軍機耗油率的要求成為設計的重要指標。美國海軍在航空生物燃料方面更是一騎絕塵。2011年，美國海軍宣布，爭取到2025年實現海軍一半的燃油使用生物燃料。2012年，美海軍首次在環太平洋軍演中驗證了水面艦和艦載機使用生物燃料的可行性，2016年海軍生物燃料使用量占燃料年消耗量的6.2%。

生物航油2008年開始試飛

近年來，美國、歐洲和巴西等地區的飛機制造商、航空公司和發動機生產商紛紛與能源和學術界通力合作，讓生物燃料技術加速成熟。航空用生物燃料原料的種植、制造等關鍵技術已得到突破，某些生物燃料進入實際運用的檢驗階段。

航空業界開展了大量試飛工作。早在2008年2月，一架A380就使用混合燃料（40%生物燃料和60%傳統燃料）進行了飛行試驗。此后，多家航空公司都采用不同混合比例的生物燃料進行飛行試驗。

航空生物燃料在2011年達到一個重要的時間節點。2011年美國材料與試驗協會（American Society for Testing and Materials，縮寫ASTM，是一家國際材料認證機構），對生物燃料中的氫化可再生航空燃料在民用航空的使用進行認證，使得采用生物燃料的商業飛行成為可能。ASTM限定了實際使用的生物燃料最高只能與普通燃油按1比1的比例混合，而這也成為目前生物燃料使用的主流混合比例。德國漢莎航空成為第一個嘗試者，2011年漢莎航空試飛了世界上首條采用生物燃料的日常商用航線。從該年7月到12月，漢莎航空在漢堡至法蘭克福的航線上布置了一架最新交付的A321型客機。該架飛機每天執飛1至8個小時，共消耗1556噸生物燃油。

波音787客機采用生物燃料進行跨洋飛行

美國波音公司和日本全日空航空公司甚至開始在最新的民機型號上試驗生物燃料，而不再只限于成熟機型。2012年，波音交付給全日空的第7架787型客機時，該機從華盛頓飛往東京，當時就采用了生物燃料。這也是歷史上航空首次使用生物燃料跨太平洋飛行。此次所用的生物燃料主要由廚余廢油提煉而成，與同等尺寸的飛機相比，二氧化碳等溫室氣體的排放量減少約30%。其中20%歸功于787的新技術，10%歸功于生物燃料的使用。

2012年10月，加拿大國家研究理事會完成了生物燃料的又一突破，該理事會的一架“獵鷹”20飛機從渥太華到蒙特利爾的往返飛行90分鐘，兩個發動機都采用100%的生物燃油。一些航空公司估計，到2025年將有高達25%的航空燃料為生物燃料，2030年則會增至30%，2040年將達到40%。

生物航油目前還是太貴

當前，由于還沒有形成大規模的產業鏈，生物航油還存在一些產業初期的困難，主要集中在產能和價格等方面。

原料來源始終是制約航空生物燃料商業化應用的瓶頸。2012年1月，德國漢莎航空就是由于庫存的生物燃料即將耗盡且沒有其他來源，決定終止其使用生物燃料的定期商業航班。除了原料供應跟不上外，生物燃料對航空而言還是太貴了。由于從生物油中最初產出的是柴油，需要第二次分裂去碳才能產出航空燃料，因此生產成本要高于傳統燃料。芬蘭航空的一位副總裁就曾說過：“限制生物燃料應用的3個因素是‘價格、價格，還是價格’。”一般來說，生物燃料的成本價是傳統航空燃油的2至3倍。

“滴入式”加入航油大軍最可行

當前，航空生物燃料技術已成為熱點，但要想大規模運用還有很長的路要走，要通過實驗室分析、尋找適當的原料種植地、生產原料、建立提煉廠、在機場設立提純及輸油系統等多道程序。為保證安全性的最高標準，還必須經過無數次空中試飛，甚至是各種極端條件下的實驗和試飛。還要在包括地面靜止、開車、起飛、加速、減速等各種條件下進行油耗測試，此外還要對生物燃油的排放程度和煙霧濃度進行測試。

目前，無論是軍方還是航空公司，都認為生物燃料應當“滴入式”加入航空燃料的隊伍，即逐漸加大生物燃料的應用力度，而不是大規模直接替代傳統燃料。

一方面，生物燃料與傳統燃油混合可以緩解原料不足的問題；另一方面，采用逐漸擴大規模的方式，可避免出現始料未及的情況時，機隊無油可用的局面。滴入式加入還有一個好處——不需要為生物燃料專門進行發動機和飛機的大改。

德國漢莎航空使用生物燃料進行商業飛行的A321客機

德國航天局與漢莎科技公司合作進行生物燃料混合煤油在飛機發動機的應用測試。