基于機隊視角的中國民航運輸低碳發展情景分析

袁志逸， 彭天鐸， 任 磊， 歐訓民

(1． 清華大學 能源環境經濟研究所，北京 100084；2．清華大學 現代管理研究中心，北京 100084；3． 清華-力拓資源能源與可持續發展研究中心，北京 100084；4． 清華大學 氣候變化與可持續發展研究院，北京 100084)

作為全球最大碳排放國，中國宣布力爭于2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和[1]。交通運輸是國家經濟發展的重要組成部分，也是碳排放的重要來源，目前約占中國能源相關碳排放的10%，未來仍有較大增長空間。民航作為時效性最強的中遠途運輸方式，近年來發展迅速，2013—2019年，中國交通部門客運周轉量年均增速為5.6%，而同期民航客運周轉量年均增速高達12.9%，機隊規模增長了63%[2]。民航運輸服務需求的快速增長導致其成為中國交通部門中能源消費和碳排放增長最快的子部門，其碳排放在交通部門中的占比從2013年的7.7%增長至2019年的11.6%[2]。在碳中和目標下，中國民航運輸亟需加快低碳轉型。目前已開始在相關政策規劃中對民航關鍵脫碳技術發展進行系統布局，但由于飛行安全的高標準及飛機技術構造和運輸系統的復雜性，民航運輸是交通部門中脫碳難度最大的交通方式之一。評估民航運輸低碳技術特征和發展趨勢，并科學選擇實現近零排放的最優低碳發展路徑，將對決策者制定政策和行業發展有重要借鑒意義。

周轉量法[3-4]和基于距離的測算方法[5-6]為較為通用的2種研究民航運輸減排路徑的方法。周轉量法主要基于客貨運周轉量、單位周轉量能耗強度、燃料含碳因子來測算能源消費量和碳排放。基于距離的測算方法依據燃料類型占比、運輸距離和負載率等航線級數據，計算當年航班規劃下民航運輸的能源消費量和碳排放。民航運輸存在多種減排措施，如能效提升、翻新技術、運行管理技術、替代燃料和新一代機身技術等，而以上兩種方法相對簡單，無法實現對機隊層面的關鍵減排措施和技術的詳細分析。

國外學者從機隊的更迭和退役視角分析民航運輸低碳發展的解決方案，機隊規劃模型按照機型座位數和設計航程對機隊類型進行詳細劃分，且綜合考慮了機隊、機場、航司和政府政策之間的相互影響[7-10]。如Sch?fer等[8]開發了AIM2015模型，綜合考慮城市級別運輸需求、代際機型的更迭、低碳技術的發展、飛行成本和收益以及飛機能效進步等，分析全球范圍內的民航運輸機型和各類低碳技術應用規模。

已有許多研究對中國民航運輸未來發展趨勢進行分析，但以傳統的周轉量法的情景分析[11-12]為主，從機隊層面的文獻還較少，考慮的民航運輸低碳減排措施也不夠全面，主要涉及自身能效提升和生物質燃料的應用，忽略了如翻新技術、運行管理技術和新一代機身技術等低碳減排技術。開展機隊視角的民航能源消費和碳排放研究對中國民航部門轉型發展具有新的啟示和借鑒，需對低碳民航技術的發展和應用進行更為細致地研究，包括以提升機隊滑行、降落等整體運行能效的管理技術，對現有機隊進行翻新的節能技術，替代燃料技術，以及新一代航空技術等。

基于此，筆者建立基于機隊優化方法的中國民航運輸碳排放分析模型(Airline Fleet Carbon Emissions Analysis Model，AFCEAM)，在歷史機隊數據和低碳發展技術詳細刻畫基礎上，分析民航運輸實現近零排放目標的最優發展路徑；量化氫能飛機、生物質燃料和翻新技術等關鍵低碳技術在關鍵時間節點下的應用規模；探究氫能價格等關鍵影響因素對民航運輸發展路徑的影響，以期助力民航低碳發展。

1 AFCEAM模型

1.1 模型設計思路

AFCEAM模型由2個相互連接的模塊組成，包括機隊優化模塊和碳排放分析模塊。機隊優化模塊以機隊轉型成本最小為目標，基于混合整數規劃方法設計優化程序，求解一定碳排放約束下機隊在購買、退役、翻新、管理和替代燃料應用等方面的最優決策，輸出低碳技術應用時間、規模及機隊技術構成。機隊成本包括機隊運行的燃料成本、購置成本和維護成本，涉及的技術決策包括機隊翻新技術、運行管理技術、客機自身進步和替代燃料技術等主要航空低碳技術。碳排放分析模塊在機隊優化模塊基礎上，測算分析機隊碳排放及不同低碳技術的減排貢獻。

1.2 機隊優化模塊

模塊的優化決策和處理過程如圖1所示。機隊運行決策過程主要包括新需求出現時購買飛機的決策、對老齡機隊是否采用各類翻新技術來提升能效進行決策、對現有機隊是否采用各類運行管理技術進行決策以及對是否購買替代燃料技術飛機進行決策。

圖1 機隊優化模塊決策思路和處理過程Fig.1 Framework of airline fleet optimization module

模塊考慮的4類成本分別是購置成本、燃料成本、翻新技術和運行管理技術應用成本以及維護成本。購置成本包括購買新型飛機的成本及主動退役飛機后的殘值收益，模塊共考慮五類飛機技術，分別是上一代際機型(2015年前生產的機型)、當前代際機型(2020年前后投產并商用的機型)、下一代際機型(2035年后入役的機型)、氫能飛機和電動飛機。燃料成本綜合考慮了各類燃料技術飛機所用燃料，并可進一步劃分為出泊階段和巡航階段燃料成本。翻新技術是指對機齡大于1 a的飛機進行翻新從而提升其能效水平的技術。運行管理技術是指一系列以提升機隊整體運行能效水平為目的的運行優化措施。

模塊輸入包括中國民航機隊的各機齡機隊保有量、機隊能效數據、各類低碳減排技術的成本及收益、飛機燃料價格和民航運輸近零排放約束。通過模型優化計算后，能夠輸出成本最低時各期飛機購買量及退役量、機隊保有量及構成、各類低碳航空技術的應用規模等。

模塊優化目標是使得2020—2060年模擬周期內民航機隊運行成本最小，計算方法如下：

(1)

式中：C為總體運行成本；t為期數，即年份；CPur,t為t年份機隊新購置飛機的成本；CLqd,t為t年份飛機主動退役的殘值回收；CRetrofit,t為t年份翻新技術的應用成本；COP,t為t年份運行管理技術的應用成本；CMaintain,t為t年份機隊維護成本；CFuel,t為t年份機隊燃料成本；d為貼現率。詳細模型決策變量設定、約束公式可參見文獻[13]。

1.3 碳排放分析模塊

碳排放分析模塊計算原理如圖2所示。民航運輸能耗由民航貨運、寬體客機、窄體客機和支線客機能耗加總得來。貨運能耗采用周轉量法，由貨運周轉量和單位運輸量能耗因子計算得到，客運能耗采用保有量法，由不同類型客機的機隊數量、單次航班航距、單機飛行頻次和能耗強度相乘計算，計算式見式(2)。CO2排放由能耗(主要是航空煤油消費量)和燃料排放因子計算得到。

(2)

式中：E為行業能源消費總量；i為客機類別(包括寬體、窄體和支線客機)；r為機隊中各燃料技術路線和飛機類型；R為不同燃料技術路線數量；P為機隊數量；F為單機執飛頻次；I為單機單次飛行能源消費量；A為民航貨運完成周轉量；EFuel為民航貨運能耗強度。

式(2)中各自變量的選擇涉及大量技術細節，每個參數的確定涉及復雜的數據調研和分析。如I涉及到起飛和巡航2個階段：起飛階段能耗包括飛機滑行、爬升、降落和入位等，由各機型采用發動機的起飛功率和國內機場的平均起飛時間計算；巡航階段能源消費量與等效座位數、飛行距離和機型設計航程最具相關性。參數設置細節和來源可參考筆者以往研究和技術文檔[13]。

圖2 碳排放模塊計算原理圖Fig.2 Framework of airline fleet carbon emission module

2 關鍵參數設置和情景設計

2.1 減排技術成本和能效

機隊翻新技術和運行管理技術的應用成本和能效隨著機身寬窄和航線類型差異而呈現一定波動，依據主要航司和機場的實施效果以及數據調研[13]，機隊翻新技術和運行管理技術相關參數設置如表1所示。兩者的能效含義有所差別，翻新技術為巡航能效，運行管理技術為滑行能效。

表1 翻新技術和機場運行管理技術參數Tab.1 Airline fleet refurbishment technology and airport operation management technology parameters

替代燃料技術主要考慮生物質燃料、電力和氫能。不同替代燃料技術引入時間主要參考飛機制造商的研發計劃和以往研究[14-15]設定，具體如圖3所示。

圖3 替代燃料技術引入時間Fig.3 Alternative fuel technology launch time

生物質燃料無需改變飛機結構和地面儲運設施，是現階段民航運輸最有可能大規模應用的替代燃料，其成本將隨著應用規模的擴大逐步下降，從2020年的2 750美元/t逐步降至2060年的1 250美元/t[16]。電動飛機主要應用于短途支線客機，參考主要飛機制造商的計劃和相關研究，考慮到目前的電池技術瓶頸，2035年電動飛機能夠成為支線客機的購買選擇，購買成本較傳統飛機高出20%，其能耗數據參考文獻[17]。氫能飛機在2035—2040年后有望成為支線客機和窄體客機機隊的購置選擇，2041—2045年進入寬體客機機隊，由于采用全新的飛機結構，其成本將比傳統飛機高31%，其能效參數根據能量等效性參考傳統飛機設定。本研究假設氫能飛機2035年可以成為支線客機和窄體客機機隊的購置選擇，2040年可以成為寬體客機機隊的購置選擇。制氫價格將隨著生產規模的擴大而大幅下降，2030年綠氫終端加注價格將較2020年下降25%，2060年降至10元/kg以內[18-19]。

未來每年入役的新售傳統飛機能效可提升1.5%，2035年后入役的下一代機型運行能效平均每年提升0.7%[20]。

僅依靠傳統飛機技術很難實現民航運輸近零排放。翼身融合、斜拉翼式布局、盒式機翼等飛機自身結構顛覆性改變和槳扇發動機技術等革新性推進系統可能有助于實現民航低碳發展目標。顛覆性飛機技術發展存在較大的不確定性，以搭載槳扇發動機的翼身融合客機為例進行參數設定，假設2035年投入使用，其購置成本較傳統飛機增加20%，能效提高40%[17]。

2.2 客貨運需求和碳排放約束

模型求解的邊界條件包括客貨運需求和碳排放量[21]，如表2所示。隨著居民消費水平的提升，客運航班數量持續增長，貨運周轉量呈現先增后降的發展趨勢，在2050年前后達到峰值。需要說明的是，貨運發展趨勢綜合考慮了未來經濟社會發展對航空貨運需求和道路、水運等交通方式的發展對航空貨運的影響，因此航空貨運的碳減排量以其他交通方式的減排潛力作為邊界，在這一邊界下僅考慮航空貨運部門本身。假設各類機型在未來執飛航班的比例與2018年基本一致。2030年碳達峰目標下碳排放峰值需低于1.2億t，2060年實現近零排放，降至0.25億t以下。

表2 民航運輸需求和碳排放約束Tab.2 Civil aviation transportation requirements and carbon constraint parameters

2.3 民航運輸發展情景設計

民航運輸發展情景設計如表3所示，其中“√”表示該情景考慮應用該技術，“×”表示不予考慮，其中考慮的相關技術應用時間與第2.1節一致。以往研究中將生物質燃料作為航空運輸脫碳的主要方式，為便于對比，假設基準情景下替代燃料技術中僅有生物質燃料這1種技術選擇，其他情景不受這一約束?？紤]到高鐵對航空客運的替代效應，在綜合減排情景基礎上設置高鐵替代情景，分析50萬人口城市高鐵通達后對各航程航班數量的替代影響情況，替代效應參數[13]設置見表4，根據目前高鐵發展規劃，2035年后高鐵網絡基本完善，因此2035年之后其對航班的影響將不再考慮。

表3 民航運輸低碳發展情景設計Tab.3 Scenario design for low-carbon development of civil aviation transportation

表4 高鐵對民航運輸航班的替代效應Tab.4 Substitution effect of high-speed rail on civil aviation flights

3 結果與分析

3.1 客機機隊構成

如圖4所示，隨著居民出行需求的提升，各類型客機機隊規模持續擴大?；鶞是榫跋拢?060年，窄體、寬體和支線客機機隊數量分別為8 041架、1 060架和541架，較2020年分別增長1.7倍、1.6倍和2.0倍；窄體客機仍然是客運主力，2060年其在機隊中的占比超過80%，支線客機占比從2020年的5.2%提升至2060年的37.3%。綜合減排情景和顛覆性技術情景下機隊規模、結構與基準情景接近，而高鐵替代情景由于考慮了高鐵開通對航空客運的替代，因此機隊規模整體較低。

受機隊類型差異及成本、技術成熟度的影響，不同減排技術的應用時間和規模有所差異。綜合減排情景下，各機隊2020—2035年間仍以上一代際機型為主；2036—2045年間，上一代際機型逐漸退出機隊服役，當前代際機型成為主力，且下一代際機型、電動飛機和氫能飛機逐步投用；2045年以后，下一代際機型占據主導，氫能和電動飛機比例次之，當代機型逐步退出。支線客機機隊中，只有在氫價足夠低的情況下氫能飛機才會成為支線客機機隊的購買選擇，其減排選擇以更具經濟性的電動飛機為主，配以少量氫能飛機作為輔助。

(a) 綜合減排情景

顛覆性技術不存在額外固定投資且購機成本較低，機隊傾向于選用顛覆性結構的燃油飛機實現減排目標，可明顯降低機隊對電力、氫能等高成本新興替代燃料技術的依賴。顛覆性技術情景下，氫能飛機總購買量大幅下降，窄體和寬體客機機隊累計購買量分別小于100架和35架，遠低于綜合減排情景，支線客機機隊將不再購買電動飛機和氫能飛機；2060年，采用顛覆性技術的燃油飛機成為機隊的絕對主力，窄體、寬體和支線客機在機隊中占比分別為77.5%、86.2%和89.4%。

高鐵對航空客運的需求替代明顯，會降低機隊規模并影響主要減排技術的滲透速度和比例。高鐵替代情景下，2060年，窄體、寬體和支線客機機隊規模較綜合減排情景分別降低16.6%、11.8%和25.5%。由于需求下降，采用機隊更替措施促進減排的經濟性較差，機隊將更傾向于使用傳統燃料飛機配合生物質燃料應用實現近零排放，電動飛機、氫能飛機購買量較綜合減排情景明顯下降，入役時間普遍延遲5 a左右。

3.2 客運和貨運機隊碳排放

基準情景下，客機機隊低碳轉型僅依賴生物質燃料，這將大大增加生物質燃料需求，2035年、2050年和2060年的生物質燃料需求分別增至1 216.5萬t、4 268.2萬t和5 492.6萬t，對應減碳0.37億t、1.3億t和1.7億t。其他3個情景下，客機機隊碳排放及不同技術的碳減排貢獻如圖5所示。圖中區域上限為不采取任何減排措施時民航客運碳排放情況，區域下限為該情景下多重措施作用后的實際剩余碳排放，各顏色區域為各類措施的減排貢獻。由圖5可知，如不采取碳減排措施，機隊碳排放將持續提升，2060年將超過1.8億t；多種低碳技術協同作用推動民航客運碳排放在2035年前達峰，2060年降至不足0.2億t。

翻新技術、運行管理技術為短期主要減排措施。不同情景下，2030年前兩者減排貢獻在總減排量中的占比保持在50%以上，每年可貢獻約1 000萬t減排量。

(a) 綜合減排情景

生物質燃料、下一代際機型和氫能飛機是中長期主要的減排措施。綜合減排情景下，2060年以后，氫能飛機、下一代際機型和生物質燃料的減排量分別增至5 767萬t、4 043萬t和5 067萬t，合計占比超過90%，翻新技術和運行管理技術占比不到10%。由于電動飛機的數量較少且承擔的運輸量較小，電動飛機減排貢獻相對較小。

顛覆性技術的出現壓縮了替代燃料飛機技術的需求，2060年，氫能飛機減排貢獻僅326.7萬t，較綜合減排情景下降了93.6%。顛覆性技術的引入帶動了生物質燃料應用規模，因此生物質燃料減排貢獻有所提高，即傳統飛機技術革新需與生物質燃料推廣應用相配合才能達到最優效果。2060年，翻新技術和運行管理技術、生物質燃料、氫能飛機和顛覆性飛機技術在總減排量中的貢獻比例分別為7.1%、42.1%、2.0%和46.3%。

高鐵的引入使得替代燃料技術引入時間向后推遲，2060年前減排貢獻以下一代際機型和生物質燃料為主，兩者在總減排量中的貢獻占比分別為34.6%和29.1%。

對于民航貨運，由于缺乏飛機技術和飛行數據，無法通過刻畫機隊特征進行分析，故采用周轉量法進行測算，替代燃料技術僅考慮生物質燃料。結果顯示，民航貨運碳排放量2040年左右達到峰值2 000萬t，2060年降至不足900萬t，2040—2060年年均下降4.0%。

3.3 客機機隊減排成本

圖6給出了不同情景下中國民航客機機隊總運行成本。從圖6可以看出，與基準情景相比，其他情景的總運行成本有不同程度降低。

圖6 不同情景下中國民航客機機隊總運行成本Fig.6 Operating cost of China's aviation passenger aircraft fleet under different scenarios

綜合減排情景下，通過應用翻新技術和替代燃料技術，燃料運行成本明顯下降，機隊更新提速也提升了主動退役的殘值回收，降低了機隊購置和退役成本，總體運行成本比基準情景減少2.9%。顛覆性技術情景下，機隊運行成本與綜合減排情景相比進一步減少1.7%，顛覆性結構飛機的投用使得購置和退役成本稍有增加，燃料運行成本則相對下降。高鐵替代情景下，由于需求相應減少，機隊運行總成本明顯下降，各類成本與綜合減排情景相比均下降10%～20%。機隊購置和退役成本中窄體客機占比最高，各情景下都達到70%。

2020—2060年間，基準情景、綜合減排情景和顛覆性技術情景均累計減少碳排放30.3億t，高鐵替代情景實現減排21.3億t?？紤]新機型能效提升的前提下，4種情景下的減排總成本分別為3 069.5億美元、2 735.0億美元、2 541.6億美元和779.1億美元，折合每噸101.3、90.3美元、83.9美元和94.2美元，綜合減排情景下每噸CO2減排成本較基準情景降低10.9%，顛覆性情景較綜合減排情景可進一步下降7.1%。盡管高鐵替代情景需求較小使得總減排成本更低，但由于沒有利用氫能飛機后期的經濟性，其碳排放強度下降成本高于綜合減排情景。

3.4 敏感性分析

氫價的變化趨勢、替代燃料技術的發展速度和傳統燃料飛機的能效提升幅度對客機機隊決策影響較大。模型以高鐵替代情景為基準，進一步對氫價、氫能飛機引入時間和下一代際機型能效提升比例等關鍵參數進行差異化設置，通過分析參數敏感性來探討不同因素對客機機隊減排成本和氫能機隊入役規模的影響。

(1) 氫價。設定H1、H2 2種液氫價格，二者與原液氫價格相比降幅較大，2060年分別降至7元/kg和5元/kg。結果顯示，更低的氫價使得機隊更傾向于購買氫能飛機作為減排選擇，氫能飛機引入時間會提前至2045年前；氫能飛機累計購買量將大幅提高，2060年，H1和H2的氫能飛機規模較基準高鐵替代情景分別增加1.6倍和1.8倍；機隊整體成本有所下降，2060年，H1和H2的總成本較基準高鐵替代情景分別下降2.4%和3.5%。氫價下降能夠降低減排成本，但對制氫規模和氫能飛機技術發展的協調性要求更高。

(2) 氫能飛機引入時間。在高鐵替代情景中，設定氫能飛機入役時間延后到2050年。結果顯示，機隊更迭時間更短、時段更集中、規模更大，在2050年后的累計客機主動退役量增加11.2%，2060年氫能飛機入役規模增加5.4%；由于為實現2050—2060年十年間的短期減排目標而大量購置氫能飛機，抬高了總購置成本，液氫價格降低后的經濟性優勢將無法兌現，機隊整體減排成本提升2.3%。

(3) 下一代機型能效水平。設定E0、E1、E2、E3 4種情形下，分別代表下一代機型能效與當前代際機型相比能效分別提升15%、20%、25%和30%。結果顯示，機隊自身的能效革新將減小機隊低碳發展對氫能飛機的依賴，下一代客機機型能效較當前代際機型提升超過30%時，最優轉型選擇是引入下一代際機型和采用生物質燃料，與E1相比，E2、E3情形的氫能飛機累計購買量分別減少了71.2%和99.0%；當下一代際客機機型能效提升不及預期時，氫能飛機將可能更早入役，到2060年累計購買量提高18.0%，但由于2035—2050年間氫價下降幅度不足，氫能飛機還未具備足夠的經濟性優勢，整體減排成本會有所上升，E0情形下減排成本比E1情形增加5.9%，給氫能飛機成熟運用和基礎設施建設帶來更大壓力。

4 結 論

(1) 綜合運用各類低碳技術情況下，民航運輸實現近零排放目標的路徑成本最低，綜合減排情景下，每噸CO2的減排成本為90.3美元，較基準情景低10.9%。若出現顛覆性技術，機隊減排成本將進一步降低7.1%，因此傳統飛機自身技術進步成為最經濟的減排措施。此外，高鐵的引入將減輕民航發展替代燃料的壓力，生物質燃料和氫能飛機引入時間較綜合情景向后推遲5 a左右，替代燃料發展對碳減排的貢獻率降低。

(2) 未來氫價走勢會顯著影響機隊減排成本，若氫價能在2060年降低至7元/kg或5元/kg，氫能飛機機隊規模將在2060年分別增加1.6倍或1.8倍，機隊減排總成本將因此下降2.4%或3.5%。

(3) 氫能飛機入役時間的推遲將延緩兌現氫能飛機在民航運輸發展后期的經濟性優勢，同時可能造成發展后期每年新購氫能飛機數量增加，氫能飛機入役更密集，增大了機隊替代壓力。

(4) 民航運輸深度脫碳需綜合施策。加快發展高鐵，促進民航運輸向更具優勢的運輸區間轉移。短期內，注重翻新技術和運行管理技術應用，逐步提高生物質燃料應用規模；長期來看，需發揮氫價降低后氫能飛機的經濟性優勢。同時，應加強科技創新，支持相關前沿性、顛覆性技術的研發。

致謝：感謝清華大學-中國長江三峽集團有限公司氣候變化治理機制與綠色低碳轉型戰略聯合研究中心對本研究的支持。