航空非二氧化碳效應分析及控制措施研究

楊曉軍　趙飛揚　李春陽

關鍵詞：非二氧化碳效應；氣候變化；尾跡云；可持續(xù)航空燃料；氫能

中圖分類號：X51 文獻標志碼：A

前言

航空是目前世界最重要的全球經(jīng)濟活動之一，航空排放的二氧化碳和非二氧化碳航空效應導致氣候系統(tǒng)的變化。航空排放貢獻涉及一系列大氣物理過程，包括羽流動力學、化學轉化、微觀物理學、輻射和運輸。鑒于航空業(yè)對燃燒化石燃料的依賴，其顯著的二氧化碳和非二氧化碳影響，以及預計的機隊增長，了解航空對當今氣候強迫的影響程度至關重要。多年來，氣候的“輻射強迫”（RF）一直被聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）用作預期的全球平均地表溫度變化的有用指標，大約5%的人為輻射強迫（RF）歸因于航空二氧化碳和非二氧化碳的影響。

1研究方法和數(shù)據(jù)分析

1.1計算方法

根據(jù)國際民航組織（ICAO）國際民航公約附件16（第Ⅱ卷航空發(fā)動機排放物）的排放指標數(shù)據(jù)和美國聯(lián)邦航空局（FAA）設計的機場環(huán)境模型——排放和擴散模擬系統(tǒng)（EDMS）是內(nèi)部數(shù)據(jù)。氮氧化物的總輻射強度與燃料的消耗量和氮氧化物的排放指數(shù)與時間成正比：

式（1）～式（4）中，EF為給定排放物和階段的飛機排放率，g/s；El為給定排放物和階段的排放系數(shù)，g/kg；FF為給定排放物和階段的燃油消耗率，kg/s。

使用BFFM2方法根據(jù)EI和燃料流量之間的對數(shù)關系對EI進行插值的示例。燃油流量FF與氮氧化物的排放成正比而與nvPM顆粒物生成的氣溶膠和碳煙成反比。所以在控制非二氧化碳效應所考慮的影響因素中，權衡所控制的排放物也是重要的因素之一。

1.3數(shù)據(jù)來源

（1）國際民航組織（ICAO）國際民航公約附件16（第Ⅱ卷航空發(fā)動機排放物）的排放指標數(shù)據(jù)。

（2）美國聯(lián)邦航空局（FAA）設計的機場環(huán)境模型——排放和擴散模擬系統(tǒng)（EDMS）。

（3）聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）發(fā)布的關于航空非二氧化碳的數(shù)據(jù)。

（4） Lee等基于蒙特卡洛等模型對全球2000年-2018年航空非二氧化碳數(shù)據(jù)的估計。

2形成機理及影響因素分析

2.1形成機理

航空非二氧化碳效應就是指排放中產(chǎn)生的非二氧化碳氣體、顆粒物、尾跡云等物質通過與大氣產(chǎn)生反應影響了氣候輻射強迫，從而導致溫度、海平面、冰／雪覆蓋、降水等氣候變化。航空非二氧化碳排放包括水蒸氣、SO₂煙塵顆粒和氮氧化物。

氮氧化物是由于目前的飛機主要使用化石基煤油作為能源，以化石為基礎的煤油（自然含有一些硫）在空氣（N₂+O₂）中的燃燒會導致二氧化碳、H₂O、N₂、O₂和SO₂的排放。燃燒過程也導致NO₂的排放，通過固定大氣中的氮和不完全CO和碳氫化合物（HC）和煤煙的燃燒產(chǎn)物。

尾跡云是飛行后形成的線狀冰云。煙灰氣溶膠顆粒（nvPM）和水蒸氣排放形成尾跡，使水蒸氣凝結在煙灰氣溶膠顆粒上形成冰晶。是否形成尾跡取決于飛行高度以及大氣的溫度和濕度。隨著時間的推移，持續(xù)時間更長的尾跡可以合并在一起形成吸熱的尾跡卷云，從而導致氣候變化。

2.2影響因素分析

航空燃料燃燒的產(chǎn)物通常分為兩類：直接排放和間接排放。渦扇發(fā)動機的主要燃料燃燒為二氧化碳、氮氧化物、水蒸氣、顆粒物和相對少量的硫氧化物（SO_x）。這些排放物的生產(chǎn)與燃料消耗的直接耦合意味著它們都有一個恒定的El飛行階段。此外，在飛機排氣中產(chǎn)生間接排放，即氮的氧化物（NO_x=NO&二氧化氮）、一氧化碳（CO）、未燃燒的碳氫化合物（HC）、顆粒物（PM）和微量水平的揮發(fā)性有機化合物（揮發(fā)性有機物）。因為它們的產(chǎn)生條件不同，意味著它們的排放指數(shù)EI在整個飛行過程中都是可變的，這取決于飛機的發(fā)動機類型、發(fā)動機的運行條件和周圍環(huán)境的大氣條件。

綜上分析，形成非二氧化碳效應的氮氧化物和尾跡云可以通過控制排放指數(shù)（EI）、燃油流量（FF）、燃燒所用時間、權衡方法和飛機所飛行的氣象條件。其中排放指數(shù)與發(fā)動機的燃燒設計、權衡方法有關，運行時間和燃油流量可通過改善發(fā)動機運行效率和性能來進行控制，氣象條件取決于飛機運行中的航跡和高度。

3控制非二氧化碳的技術路徑

3.1發(fā)動機關鍵技術

目前通過發(fā)動機技術控制非二氧化碳效應的重點方向包括：推進效率、空氣動力學和減重。層流、翼尖裝置、機身形狀、新材料和減阻力都被整合到飛機和發(fā)動機中的設計，以進一步提高燃油效率。NO₂和nvPM以及CO和HC的排放，主要取決于燃燒室的設計和運行方法。

根據(jù)ICAO關于Leap-1A26和Leap-1A32的LTO起飛等級數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化燃燒室設計和加大風扇尺寸改變OPR（總壓力比）、FPR（風扇壓力比）、BPR（涵道比）等發(fā)動機重要參數(shù)，在同時使用大尺寸風扇和低總壓力比的設計權衡之后，通過氮氧化物排放指數(shù)的降低，航空非二氧化碳效應可下降12%～26%。（見圖3）

權衡方法：

（1）氮氧化量與特定燃料消耗：通過提高發(fā)動機的熱效率和／或推進效率，可以改善發(fā)動機在特定額定推力下的比燃料燃燒。在整個環(huán)形燃燒室設計中，由三種主要的方法來控制NO₂排放：富燃、快速淬熄、貧油燃燒（ RQL）。

（2）NO₂和nvPM：精益燃燒和先進的RQL NO₂減少燃燒器技術可以顯著減少LTOnvPM的排放。

（3）提高燃料效率的氣動力學和重量節(jié)約技術會同時減少氮氧化物和nvPM的排放。

3.2能源技術

燃料成分對非揮發(fā)性微粒物質（nvPM）的排放有影響，航空燃料中的萘是一種芳香族化合物，是導致nvPM排放的主要因素。目前國內(nèi)外通過能源技術來降低非二氧化碳效應主要包括使用SAF可持續(xù)航空燃料和氫能技術。

3.2.1 SAF可持續(xù)航空燃料

與傳統(tǒng)的基于化石燃料的煤油相比，來自生物廢物和殘留物的航空燃料（即生物燃料）往往天然含有較低水平的芳烴和硫。使用可持續(xù)的航空燃料（SAF）表明，由于其芳香族和硫含量較低，LTO和巡航中的nvPM排放有所減少。由于SAF的燃燒特性與傳統(tǒng)航煤類似（火焰溫度、速度），所以使用SAF燃料所產(chǎn)生的氮氧化物與傳統(tǒng)航煤的排放量保持不變。

Roger等人基于英國航空導航服務提供商（NATS）提供的北大西洋空中交通數(shù)據(jù)集、BADA數(shù)據(jù)庫、EDB飛機排放物數(shù)據(jù)庫和CoCiP尾跡云測算模型分析SAF混合量對于航空非二氧化碳效應的影響。數(shù)據(jù)顯示在可持續(xù)燃料混合比例分別為0%、1%、10%、30%、50%、70%、100%的增加過程中，非二氧化碳效應和航空總排放產(chǎn)生的氣候變化值（輻射強迫RF）不斷減少，非二氧化碳效應輻射強迫值下降率分別為0%、0.48%、6.22%、19.78%、30.46%、37.96%、44.82%，并在SAF達到100%混合率的時候非二氧化碳效應和航空業(yè)排放所造成的輻射強迫會分別下降44.82和48%。其中nvPM的排放指數(shù)值在SAF100%混合的情況下下降51.5%，減少了尾跡云對于非二氧化碳效應的影響。（見圖4）

3.2.2氫能技術

Miguel等人使用AirClim模型評估了二氧化碳、NO_x、水和尾跡對氣候的影響，對比FAZMIG氫能飛機與傳統(tǒng)航煤飛機。經(jīng)過對比之后發(fā)現(xiàn)，煤油的NO_x排放量是氫氣排放量的三倍，由于氫能的燃油流量比傳統(tǒng)航煤多82%，EINO_x應該在氫氣燃燒中減少25%。根據(jù)氫能燃料的特性.在運行過程中會產(chǎn)生更多的水蒸氣排放，導致EI H₂O從傳統(tǒng)航煤的1.231 kg每燃燒千克燃料增加為9kg。但氫能燃燒會大大減少顆粒物nvPM的排放，對于低顆粒物排放的情況，如果晶體形成減少90%，輻射強迫總共可以減少69%。

權衡方法：

（1）可持續(xù)航空燃料以減少燃氣輪機發(fā)動機的煙塵顆粒排放降低了芳香烴和硫的含量。

（2）通過對傳統(tǒng)化石燃料進行加氫處理來減少芳香烴和硫，也有可能改善排放特性。

3.2.3對比分析

3.2.3.1可持續(xù)航空燃料SAF

SAF可以通過降低尾跡引起的輻射影響，輻射強迫的降低源于生物燃料中芳烴含量的降低，這些芳香烴是造成顆粒物排放的直接因素。在SAF混合率在50%、100%的情況下航空非二氧化碳效應可降低30.46%和44.82%。SAF的生產(chǎn)和使用有成本較高、供應鏈建設和規(guī)模化生產(chǎn)等問題，隨著技術進步和政策支持，SAF的應用前景較為樂觀。

3.2.3.2氫能技術

首先實現(xiàn)了零碳排放，燃燒特性決定了排放物主要有水蒸氣、氮氧化物和顆粒物。在航程同樣的情況下，氫能飛機可以通過降低氮氧化物和顆粒物的生成降低約69%的航空非二氧化碳效應。安全性和規(guī)范制定、氫氣儲存和供應鏈的可行性、成本效益和基礎設施建設等是氫能技術目前面臨的挑戰(zhàn)。（見表1）

對于控制航空非二氧化碳來說，氫能技術的運用會比SAF可持續(xù)航空燃料更為理想（如表1所示），但目前SAF的技術成熟度更高、基礎建設和實用性更強，SAF和氫能是互補的解決方案，各有其適用的場景和發(fā)展前景。（見圖5）

3.3運行技術

巡航期間氮氧化物排放對氣候的總體影響取決于飛行高度和其他因素。目前通過運行層面控制非二氧化碳效應的技術手段主要是優(yōu)化航跡和根據(jù)不同航線制定不同的飛行計劃等措施。

3.3.1優(yōu)化飛行計劃

Yin等人評估和改善飛行計劃，分析方法主要包括：（1）將尾跡成本納入沿地面網(wǎng)絡的邊緣成本，用于實現(xiàn)橫向緩解作用；（2）沿飛行剖面進行階梯式爬升和下降，可通過調整高度進行控制；（3）結合橫向和高度變化，提供混合控制策略。通過飛行計劃的改變，通過額外2%～3%的燃料和飛行時間可以至少減少約50%的尾跡云產(chǎn)生。

3.3.2優(yōu)化航跡

Simorgh通過優(yōu)化4D飛機軌跡的降低經(jīng)濟成本，同時減輕尾跡形成的影響。該方法得到了國際現(xiàn)有的GPOPS優(yōu)化框架的驗證，研究結果證實了垂直平面的軌跡調整優(yōu)于水平平面的軌跡調整的假設。數(shù)據(jù)表明，以不到2%的額外燃料燃燒，可以顯著減少排放帶來的非二氧化碳效應。在忽略了風的影響情況下，由尾跡云產(chǎn)生的氣候強迫的減少約為30%。Volker等人通過歐洲CCFs模型評估了每天大約400次飛越北大西洋的航班的85條不同路線，包括氣候影響和成本。通過數(shù)據(jù)對比分析通過優(yōu)化航跡會產(chǎn)生額外的燃料消耗，但是隨著航跡的優(yōu)化，航空非二氧化碳效應所產(chǎn)生的輻射強迫降低值會不斷增加。但由于優(yōu)化航跡產(chǎn)生額外燃料消耗達到8%時，航空非二氧化碳效應所產(chǎn)生的輻射強迫會下降22%。

權衡方法：通過改變水平或垂直的飛行路徑來避免飛行軌跡，通常會造成燃料燃燒的增加，需要進一步的研究確定緩解方案，以確保氣候影響的全面減少。

4結論

文章通過分析ICAO附件16卷二關于航空發(fā)動機排放的標準，給出產(chǎn)生非二氧化碳效應重要組成部分的計算公式，并基于IPCC歷史數(shù)據(jù)進行分析；根據(jù)EASA關于非二氧化碳效應的文件，研究了非二氧化碳的形成機理，并確定了重要影響因素，包括氮氧化物和尾跡云（nvPM、水蒸氣）；針對影響氮氧化物和尾跡云的排放指數(shù)EI、燃油流量和運行時間的重要參數(shù)，給出能源技術、發(fā)動機技術、運行方法三個方面的控制措施；通過對比分析得出目前通過發(fā)動機技術和運行方法、SAF100%使用、氫能技術三種路徑減少約20%～30%、48%、69%的航空非二氧化碳效應。同時基于全壽命周期考慮，提供了權衡方法。