航空減碳之路

楊曉軍　何虹霖

近些年來，氣候變暖、減碳已成為全球共識。2016年各國在紐約簽署的《巴黎協定》為2020年后全球應對氣候變化行動作出了安排，長期目標是將全球平均氣溫較前工業化時期上升的幅度控制在2℃以內，并努力限制在1.5℃以內，而要實現1.5℃的目標，需要2030年的排放比2010年削減45%，并在2050年前實現碳中和。

在此背景下，各國紛紛宣布了自己的碳中和目標。歐盟委員會于2021年7月14日提出“Fit for 55”法規與政策一攬子提案，確保歐盟溫室氣體凈排放量在2030年減少55%，在2050年實現碳中和。在航空方面，將逐漸取消免費的碳排放配額，鼓勵使用可持續航空燃油，并要求航空燃油供應商在歐盟區域機場供應的航空燃油中增加更高比例的可持續航空燃油。

2020年12月12日，習近平總書記在氣候雄心峰會上宣布中國國家自主貢獻一系列新舉措，即到2030年，中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億千瓦以上。

中國航空制造與運輸業作為國內眾多排碳行業的一員，應當自覺響應國家減碳行動的號召，努力為國家節能減排作出自己的貢獻。本文從雙碳背景和最新的國際綠色發展形式出發，探討其對中國航空制造與運輸業的影響。

減碳的關鍵在“控油”

2019年，中國航空制造與運輸業的碳排放量達到了1.16億噸，大約占了全國二氧化碳排放總量的1%。隨著新能源汽車的推廣普及，鐵路行業電氣化率達到100%，預計到2060年，公路和鐵路行業都有望實現零排放。但民航業的發展速度快，而且飛機電動化、綠色航空燃油等技術受到安全性和經濟性的制約，很難實現突破，預計到2060年，航空運輸業的能耗將是2019年的3倍，在交通運輸業碳排放所占比例將會上升到87.4%。

那么中國民航碳排放的源頭在哪兒？

民航業二氧化碳的主要排放源為航油燃料燃燒所產生的碳排放、機場單位所產生的碳排放、航空公司地面服務所產生的碳排放以及空管和其他民航企事業單位所產生的碳排放。航油燃料在燃燒的過程中能產生的廢氣有CO????2、NOX、CO、SOX等，其中CO????2占總排放氣體的70%左右。約有10%的發動機廢氣直接排放于地面，被視為機場當地空氣質量污染，而其余90%的發動機廢氣排放于高空，被視為溫室氣體排放。

從表2可以看出，航空公司的燃油對于碳排放就“貢獻”了94%的占比。由此可見，如何減碳的關鍵在于如何“控油”，即如何提高燃油效率，并提高清潔能源使用量。

面臨的壓力與挑戰

2016年10月，國際民航組織（ICAO）第39屆大會通過了具有歷史意義的國際航空碳抵消和減排計劃（Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation， CORSIA），要求航空公司以2019年的排放水平為基準，抵消任何超過排放基準的碳增長。

CORSIA在初期（2021-2026）采取自愿原則，各國自愿決定是否參與CORSIA，但從2027年開始，所有成員國都必須參與，并且2030年之后將逐漸過渡到依據航空公司的個體增長率計算減排責任，這就給中國等快速增長的發展中國家帶來了不公平的減排責任，在機制設計上容易造成市場扭曲。因為供給缺少彈性，需求端的所有沖擊的影響都落在價格上，會導致價格波動過大，對企業等經濟主體的經營規劃可能帶來大的沖擊。

從更大的視角看，實現碳中和，最根本的手段還是技術創新下的能源革命，意味著需要通過科技研發實現正的外部性，但航空科學技術的進步不確定性很大，必須有國家的長期支持才有可能實現突破。我國面臨的挑戰有二：

一是我國民機產業正處于高速發展階段。2017年ICAO通過了航空器二氧化碳排放標準，要求2020年后新型號飛機必須滿足排放標準要求，正在生產中的航空器須自2023年起滿足其相關的排放標準要求，這無疑將進一步增加我國航空器進軍國際市場的難度。因此，低碳環保水平將成為我國大飛機能否走向世界市場的關鍵條件之一。

二是可持續航空燃油的應用已經在國外航空業如火如荼地開展，ICAO主導下的可持續航空燃油的可持續標準、審定機制以及全生命周期計算方法都日趨完善，而我國受限于原材料和市場需求的不足，一直沒能在低碳和負碳燃油技術研發上有所突破，在碳中和背景下，需要在政策機制到位情況下迅速開展相關研究。

減碳的成就和目標

作為世界第二大航空運輸大國，我國正積極參與國際民航組織針對氣候變化與控制航空排放的相關政策和標準的制定，并在實踐中取得了可喜的成績。

2020年，中國民航噸公里油耗為0.316公斤，與2005年比較（行業節能減排目標基年）下降了7.1%。總共有28.97萬架次航班使用臨時航路，縮短了飛行距離1232萬公里，節省燃油消耗6.65萬噸，減少二氧化碳排放約20.95萬噸。

2021年3月，中國民航局印發《關于“十四五”期間深化民航改革工作的意見》，在“形成民航綠色發展的機制制度”中明確提出圍繞國家雙碳目標制定民航“低碳發展中長期路線圖”和“綠色民航標準體系”。同時鼓勵航空公司積極使用可持續航空燃油，并建立基于市場的民航節能減排機制。

減碳新技術

航空制造與運輸業要想減碳，實現碳中和，在體制機制的設計之外，最為根本的是通過研發顛覆性技術來減少二氧化碳排放。

在飛機技術方面，目前最有希望也最被看好的是通過設計新型氣動布局和新材料的應用，來減少二氧化碳排放。目前，該方向主要聚焦在桁架支撐翼、翼身融合、雙氣泡機身、連接翼等幾種主要的新概念布局，并已陸續進入技術驗證階段。

所謂桁架支撐翼，就是在機翼底部的機身處設計安裝一個主支撐結構，并通過一個或多個輔助支撐結構與機翼相連，從而對機翼起到支撐作用。該布局能夠有效解決傳統懸臂梁式機翼因結構強度、氣動彈性等約束問題而導致翼展受限的問題，從而大幅度增加飛機機翼的展弦比，并有效地提高燃油效率。該技術有望在2030年前投入市場，并且能夠帶來至少10%的碳減排收益。

翼身融合氣動布局是指機翼和機身高度融合的全升力面飛機外形，在相同負載的情況下，翼身融合外形能夠減小飛行中的摩擦阻力，提高燃油和飛行效率，在減排方面能夠減少碳排放量20%左右，若配合節能減排的發動機技術或清潔能源技術，減碳效果能夠提高到50%以上。

對于翼身融合的研究，國內外都在開展，比如NASA和波音聯合啟動了X-48項目，并先后推出了X-48B和X-48C兩款翼身融合布局設計的無人駕駛驗證機;2019年，荷蘭皇家航空公司（KLM）與代爾夫特理工大學合作共同研發了“Flying-V”翼身融合體飛機;在國內，一批企業和高校也陸續開展了大量的研究。

除了在氣動布局上做改變，材料方面的改進也是一項很重要的碳減排項目。在“雙碳”背景下，人們正致力于研究新型材料在飛機上的應用，以滿足綠色航空發展的要求。比如，希望通過飛機和推進系統重量的減輕來達到碳減排的效果，一些新型輕質材料（復合材料、蜂窩狀材料以及碳納米管等等）的設計就顯得尤為重要;為了使飛機能夠在不同工況下達到最大減排效果，智能材料（形狀記憶合金、壓電材料等等）就能發揮其最大的用途;還有通過提高部件效率而設計的高溫材料（鎳基高溫合金、復合材料）等。

在發動機技術方面，全球航空業對于發動機技術革命性創新的研究，已經開展了很多年。其中有創新型外觀的開式轉子發動機;有加入齒輪減速器的齒輪風扇發動機;也有改變傳統熱力循環的中冷回熱發動機;還有具備變循環工作特性的自適應變循環發動機等等。這些發動機技術都具有一個優勢，就是能夠減少二氧化碳的排放。

開式轉子發動機，可以看作是帶有先進高速螺旋槳的渦槳發動機，也可以看作是去除外涵道的超高涵道比渦扇發動機，因此又稱槳扇發動機，或者無涵道風扇發動機。其兼具渦槳發動機的高推進效率、低燃油消耗以及渦扇發動機的飛行速度大等優點，所以開式轉子發動機能夠在較高的飛行速度下保持較高的推進效率。同時，該發動機還不受短艙重量和阻力增加的制約，因此可以選用超大的涵道比（30～90），而涵道比越大，推進效率越高，碳排放量就會越低，因此相對于傳統的渦扇發動機和渦槳發動機，開式轉子發動機在節能減排方面比傳統民用航空發動機更具有優勢。

新能源革命

在革命性的飛機技術和發動機技術之外，還有一種減排的技術方案——新的清潔能源。目前，清潔能源的研究大致集中于氫能、電推進和可持續航空燃料（SAF）。

現階段，氫能推進技術最受關注的兩項技術就是氫渦輪和氫燃料電池。

氫渦輪一般分為氫渦輪風扇發動機和氫渦輪電動風扇發動機兩種形式。前者的結構與目前民用航空渦輪發動機的構造基本相同，基本原理就是氫燃料在燃燒室內燃燒，產生壓力推動渦輪并帶動風扇產生推力;而后者則是通過渦輪帶動發電機發電，然后利用電能來驅動電機帶動風扇，從而產生推力。

氫燃料電池也是一種能夠實現低碳排放的動力裝置。與氫渦輪風扇發動機相比，氫燃料電池內部的氫氧電化學反應環境純凈，基本不會產生水蒸氣凝結核，因此其能夠在極大程度上減少尾跡云的形成問題。但存在一個問題是氫燃料電池的能量密度不足，因此存在壽命短、輸出功率不足等問題，導致其不能用于遠距離航空運輸。

說到電力驅動，人們首先想到的是全電動的概念。所謂的全電動，是指電池作為飛機上唯一的推進動力源，由電池向電動機供電，驅動其帶動風扇或螺旋槳轉動并產生推力。理論上說，全電動飛機可實現二氧化碳零排放，是一種極好的清潔能源。但實際上存在很多問題難以解決，比如電池能量密度不足的問題;還有就是安全問題，目前有很多新聞報道了電動汽車由于電池安全問題自燃的情況發生，若是安全問題沒有得以解決，就更別提能在航空領域應用全電技術了。

全電動暫時行不通，混合動力或是一種替代方案。所謂混合動力，即由燃氣渦輪提供推力的同時向電池充電，電池再向電動機供電，利用電動機來帶動風扇或螺旋槳轉動，從而產生推力。這種方案下的發動機不僅涵道比可以提高到18左右，還始終能夠在最佳工況點附近工作，因此其兼具效率高和減碳性能好的優點。該混合動力發動機在燃氣渦輪工作模式下，其燃油消耗率可減低28%左右;而在電力工作模式下，可實現二氧化碳零排放。

可持續航空燃料，英文全稱是Sustainable Aviation Fuel，簡稱SAF，其燃料的來源大都是些非糧食作物、廢棄物、可再生電力以及從空氣中去除的二氧化碳等。該技術已在民航業試用多年，但因成本較高等原因，短期內無法大規模推廣。

改進運行環境

新技術和新能源研發的成功，并不意味著碳減排技術工作的結束。新技術和新能源的應用，需要新的政策和基礎設施建設來支撐，通過對飛機運行環境的改進，來適應民航綠色新技術的發展，這才是一個完整的減碳技術鏈。

在航空公司方面，各大航司應密切關注國際上各大環保策略，并針對新技術的引入，制定合適的排放額管理制度，實現我國民航碳資源的合理分配和利用。其次，航司應多引進環保節能機型，淘汰老舊高耗油、高排放的飛機，并對航路進行合理優化，通過縮短飛行航程和飛行時間來實現降低油耗和減少碳排放。

在空中交通管制系統方面，應不斷研發先進的通信、情報、導航和監控技術，從而提高空管的指揮和管理水平，減少飛機的空中擁堵、空中等待和地面等待時間，縮短飛機地面滑行時間和進離港航線距離。空管部門還應適時優化空域結構，緩解繁忙空域的飛行壓力，以便在最大程度上降低飛機在空中盤旋等待時的燃油消耗和不必要的碳排放。

在機場設施和服務建設方面，應針對不同的新機型和新技術，考慮低能耗方案，設計與之匹配的候機樓、停機坪和跑道等基礎設施，在確保新技術飛機能夠商用的同時，減少航班進出港時在地面的滑行等待時間，從而減少碳排放量。同時，還可以盡量利用地面電源和空調設備代替飛機APU（輔助動力裝置），以減少APU在地面運行時的碳排放。

在政策方面，應鼓勵加大低碳技術研發的投資力度，促進低碳技術的研究、開發和應用，推動以企業為主體、產學研相結合的低碳技術創新與成果轉化體系建設。

結合上述技術與政策、運行環境的改進，航空制造與運輸業必能適應“雙碳”背景下的時代潮流，為應對氣候變化作出自己的貢獻。（本文圖片由宋楊提供）