如何減少飛機的碳排放

韓舒淋

2021年，由CFM LEAP-1B發(fā)動機提供動力，助力由美聯(lián)航運營、使用100%SAF的波音737 MAX 8客機成功首飛。

可持續(xù)發(fā)展正在成為國際航空業(yè)最關(guān)心的問題。

根據(jù)巴黎航展期間益普索（Ipsos）代表GE航空航天（GE Aerospace）做的一項調(diào)查表明，76%的受訪者認(rèn)為可持續(xù)發(fā)展從根本上改變了航空業(yè)運作模式，30%的受訪者認(rèn)為實現(xiàn)航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展是重中之重，遠超供應(yīng)鏈（19%）和勞工問題（11%）。

根據(jù)IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）在2022年發(fā)布的第六次評估報告，新冠疫情前的2019年，全球航空領(lǐng)域溫室氣體排放占總排放的1.8%，約為10.6億噸二氧化碳當(dāng)量，其中國際航空占1.1%，國內(nèi)航空占0.7%。

航空碳排放的總量盡管遠比不上電力、工業(yè)等排放大戶，但減排壓力并不小。2021年，國際航空運輸協(xié)會（IATA）在其77屆年會上批準(zhǔn)了2050年實現(xiàn)凈零排放的決議，大幅提高了之前較2005年減排50%的目標(biāo)。2022年10月，國際民航組織（ICAO）確立了長期氣候目標(biāo)，在2050年前實現(xiàn)國際航空業(yè)務(wù)凈零排放。

益普索的調(diào)查顯示，46%的受訪者認(rèn)為航空業(yè)能實現(xiàn)其2050年凈零碳排放目標(biāo)，但也有32%持否定意見，22%表示不確定。整體來看，受訪者普遍認(rèn)為這一凈零目標(biāo)預(yù)計將在2055年實現(xiàn)。成本上漲、財政壓力、供應(yīng)問題和能源短缺是影響這一目標(biāo)達成的主要因素。

航空業(yè)面向全球市場，國際航班也是航空排放的大頭。在減排機制上，離不開各國的通力協(xié)作，減排機制的確立也免不了各方博弈，此外還需綜合統(tǒng)籌發(fā)展和減排的關(guān)系。國際民航組織在2016年提出“國際航空碳減排及抵消機制”（CORSIA），成為推動未來全球國際航空減排的基礎(chǔ)機制，歐洲航空碳市場的改革，也與CORSIA相匹配。但目前，出于種種考慮，中國尚未表態(tài)是否參與CORSIA。

在減排技術(shù)上，可持續(xù)燃料（SAF）是中短期最有效的減排技術(shù)，預(yù)計到2050年將貢獻65%的航空減排。此外，發(fā)動機的節(jié)能提效，并配合可持續(xù)燃料技術(shù)的應(yīng)用也必不可少，在遠期，電動飛機、混動飛機、氫能飛機也將是可選的技術(shù)。還有無法減排的溫室氣體，也離不開碳捕捉儲存利用技術(shù)（CCUS）的發(fā)展。

減排機制和技術(shù)創(chuàng)新，正在從不同維度重塑航空業(yè)的未來。無論是購買合格排放單元，還是使用可持續(xù)航空燃料，都將推高航空公司的運營成本，在碳中和的全球趨勢下，這將是所有航空業(yè)界共同面臨的挑戰(zhàn)。

根據(jù)國際民航組織（ICAO）的預(yù)測，如果不采取任何措施，到2050年國際航空溫室氣體排放量可能增至9.5億噸左右，約為2019年的1.6倍。

為了促進減排，國際民航組織在2016年通過了兩份決議，采用“國際航空碳抵消及減排機制”（CORSIA），希望通過市場手段實現(xiàn)2020年后國際航空碳排放零增長（CNG2020），從2021年起，國際航空碳排放增長部分需要購買相應(yīng)的合格排放單元或采用可持續(xù)航空燃料（SAF）抵消。

根據(jù)國際民航組織決議的安排，2018年6月起，國際民航組織開放CORSIA合格減排單位評估申請，2019年1月1日起，全球航空公司開始實施碳排放監(jiān)測、報告與核查（MRV），為CORSIA的運行建立數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。CORSIA的運行分為三個階段，2021年-2023年為試行階段，2024年-2026年為第一階段，2027年-2035年為第二階段。試行階段和第一階段國家和航司可以自愿參與，從2027年開始的第二階段將變?yōu)閺娭茀⑴c，只有最不發(fā)達國家、小島和內(nèi)陸發(fā)展中國家可以豁免。

資料來源：IPCC。制圖：顏斌

資料來源：國際民航組織

根據(jù)國際民航組織的數(shù)據(jù)，截至2022年底，已經(jīng)有115個國家加入了CORSIA，中國尚未聲明參加自愿階段，但仍需提交監(jiān)測報告。2018年國家民航局發(fā)布了《民用航空飛行活動二氧化碳監(jiān)測、報告和核查管理暫行辦法》，自2019年至今國內(nèi)航司均開始監(jiān)測報告工作。

CORSIA的機制下，每個履約周期為三年。在這三年內(nèi)，航空公司的排放增量，需要購買合格排放單位或采用可持續(xù)燃料（SAF）來抵消。2020年，中國核證減排量（CCER）獲批成為可適用于CORSIA試運行階段（2021年-2023年）的減排機制。

CORSIA屬于碳抵消機制，與配額制碳市場有本質(zhì)不同。長期從事航空可持續(xù)工作的綠航時代創(chuàng)始人林鵬對《財經(jīng)》記者表示，配額制碳市場由權(quán)威主體（通常是主權(quán)國家或強法律約束區(qū)，如歐盟）設(shè)計規(guī)則，通過發(fā)放具有有價證券屬性的碳排放配額實現(xiàn)控排目標(biāo)，控排主體可以利用金融市場管理其排放風(fēng)險。

而CORSIA的制定者國際民航組織沒有發(fā)行配額的強法律權(quán)力，因此CORSIA沒有采用配額制，而選擇了碳抵消機制。

在減碳政策設(shè)計上領(lǐng)跑全球的歐洲，其俗稱“碳關(guān)稅”的碳邊境調(diào)節(jié)機制（CBAM）的立法進程備受國內(nèi)關(guān)注。2023年4月，歐盟理事會投票通過了這一機制，事實上，這一天還有另外三個歐洲碳政策相關(guān)的關(guān)鍵法案一同獲得通過，其中就包括航空業(yè)相關(guān)碳市場規(guī)則的修訂。

根據(jù)歐盟法律修訂案，從2027年開始，歐盟將不再對航空公司發(fā)放免費碳配額，所有歐盟境內(nèi)航班產(chǎn)生的碳排放，都需要有償獲得排放配額，配額可以通過一級市場拍賣或二級市場交易（含場內(nèi)交易、場外交易、期貨期權(quán)等衍生工具）獲得，從而達到在歐盟范圍內(nèi)碳排放合規(guī)。航空燃料條例（ReFuelEU Aviation）強制歐洲主要機場逐步提高可持續(xù)航空燃料（SAF）的使用比例，從2025年的2%提高到2050年的70%，其中人工合成燃料占比從2030年的1.2%提高到2050年的35%。為激勵SAF使用，航司可獲得額外排放配額，此外，CORSIA覆蓋的航線將從歐洲航空碳市場中獲得豁免。

在CORSIA當(dāng)前的試行階段，中國尚未加入。對此，曾作為CORSIA工作組專家的林鵬對《財經(jīng)》記者表示，當(dāng)前內(nèi)外部條件的變化，中國要重估是否加入CORSIA。

林鵬介紹，在CORSIA規(guī)則的制定過程中，核心的爭論有三點：一是減排目標(biāo)，早期提出2050年比2005年減排一半、2020年之后碳排放不增加的目標(biāo)，對于正處于快速發(fā)展期的中國航空，因基數(shù)低，航空客運量、人均乘機次數(shù)都和歐美發(fā)達國家有較大懸殊，重點考慮發(fā)展階段的不均衡性，發(fā)展中國家多不同意這個目標(biāo)。

資料來源：ATAG

第二是減排責(zé)任分配機制。根據(jù)CORSIA機制設(shè)計，各航空公司每個考核周期需抵消的排放量包括行業(yè)增長和個體增長兩個部分，行業(yè)增長是全行業(yè)的增長，個體增長是單個航空公司的增長。

最初的方案里，個體增長權(quán)重在2033年-2035年考核周期最終將達到70%，快速增長的航空公司遠期將承擔(dān)更重的減排責(zé)任，而2022年ICAO大會修訂該比例為15%。

換言之，調(diào)整后的方案在遠期的責(zé)任分配機制中采用了更高的行業(yè)增長權(quán)重，將減排責(zé)任更多地均攤到所有航空公司，這將大大緩解高增長航空公司的減排負(fù)擔(dān)。

第三是用什么可以抵消排放量。航空公司可以購買合格排放單位來抵消碳排放的增量，在2019年首次評選的合格排放單位中，CCER獲批成為CORSIA試運行階段適用的減排機制，理論上使得國內(nèi)航空公司可以通過購買CCER來抵消碳排放的增量。

現(xiàn)實中，首輪評估的合格排放單位僅適用于CORSIA試行階段（2021年-2023年），且要求合格排放單位在2016年后簽發(fā)的減排項目。中國2017年暫停新的CCER項目簽發(fā)，預(yù)計2023年重啟。屆時，CCER需要重新參加CORSIA合格指標(biāo)評估。

而隨著國際航空減排機制的調(diào)整，以及國際航空市場出現(xiàn)新的變化，林鵬認(rèn)為，近年來外部環(huán)境變化顯著，現(xiàn)在有必要深入重估中國航空市場化碳減排戰(zhàn)略方向和路徑，主要從四方面考慮。

第一，國際航空市場的變化。經(jīng)歷新冠疫情沖擊，國際航空市場迄今都還未恢復(fù)到疫情前的狀態(tài)，疊加地緣政治等因素影響，未來國際航空市場面臨很大的變量。全球化進程受阻，全球格局正在演變中，將直接影響國際航空市場結(jié)構(gòu)和增長趨勢。從需求角度看，國際航空增長斜率勢必放緩，中短期的減排壓力有所緩解，且增加中長期技術(shù)進步銜接的機會，為發(fā)展自主減排技術(shù)提供更多時間和空間。

第二，鑒于CORSIA責(zé)任分配機制的調(diào)整，個人增長權(quán)重從70%調(diào)整到15%，結(jié)合第一點，將大幅降低中國航空公司的減排壓力。結(jié)合CCER重啟，中國有充足可用的碳抵消指標(biāo)，借助航空推動CCER國際化，提升中國碳指標(biāo)的國際信用，彰顯中國航司積極減排的國際形象，二者均可較容易地贏得國際互認(rèn)。

第三，面對歐盟碳市場改革的加碼，順勢加入CORSIA，可有效避免中歐航線及歐盟成員國間排放被歐盟碳市場管轄，此舉在控排力度和碳指標(biāo)價格上均有顯著降低。即使面對歐盟未來進一步改變規(guī)則的可能，仍有眾多CORSIA參與國作為共同利益方協(xié)同應(yīng)對。

第四，通過中國碳市場管轄中國航司的國際航空排放，將面臨諸多挑戰(zhàn)。一方面，當(dāng)前全球主流意見支持CORSIA，包括歐盟ETS也在一定程度讓步于CORSIA。如中國自我管轄，需面對眾多不同意見；另一方面，自我管轄的機制設(shè)計、國內(nèi)碳市場基礎(chǔ)要素等均會面對多方關(guān)注，難度和工作量難以估計；最后如中國不參與CORSIA，或?qū)⑹宫F(xiàn)已成型的國際航空減排機制瓦解，歐盟有理由強推其單邊行動，其他有影響力的國家、組織也存在更多不確定的行動，使得航空減排問題重返復(fù)雜狀態(tài)。

航空業(yè)的碳排放主要來自燃料燃燒產(chǎn)生，占航空運輸業(yè)排放量的79%。因此，減排潛力最大的就是將燃料從航煤油替換為不產(chǎn)生新增溫室氣體排放的可持續(xù)燃料（SAF）。

根據(jù)國際航空運輸協(xié)會（IATA）的測算，為了實現(xiàn)2050年凈零排放，航空業(yè)在2046年-2050年面臨81.64億噸碳減排量的遠期目標(biāo)，其中可持續(xù)燃料將貢獻65%。

據(jù)北大能源研究院在2022年發(fā)布的《中國可持續(xù)航空燃料發(fā)展研究報告》，可持續(xù)燃料之所以“可持續(xù)”，是因為從全生命周期來看，其原料（如廢棄的生物質(zhì)）在生長過程中或者合成過程中所吸收的CO2要超過其在使用過程中所排放的CO2；同時，其原料也不與糧食作物或水供應(yīng)競爭，也不造成森林退化或生物多樣性方面的損失。

在認(rèn)證方面，業(yè)內(nèi)最廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)是美國材料與實驗學(xué)會（ASTM）的ASTM-D7566標(biāo)準(zhǔn)，只要通過這一標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，就認(rèn)為可以與目前的航煤油直接摻混，不需要對發(fā)動機和基礎(chǔ)設(shè)施做任何改造。

生產(chǎn)可持續(xù)燃料的原料包括廢油脂、農(nóng)林廢棄物、城市廢棄物及非作物糧食等，還可以通過氫氣和碳捕捉的二氧化碳以合成辦法來制造。

根據(jù)國際航空運輸協(xié)會的測算，SAF的需求將從2020年的5萬噸增長到2025年的630萬噸，到2050年將達到3.58億噸。

在中國，《“十四五”民航綠色發(fā)展專項規(guī)劃》提出力爭到2025年可持續(xù)航空燃料消費達到5萬噸。

截至2021年10月，被ASTM認(rèn)定的SAF技術(shù)路線有九條。其中最廣泛應(yīng)用、當(dāng)前商業(yè)化最成熟的是酯類和脂肪酸類加氫工藝（HEFA）。

CFM國際RISE項目開放式風(fēng)扇架構(gòu)。圖/CFM國際

這一工藝主要用油脂作為原料，也是目前絕大部分可持續(xù)燃料采用的技術(shù)路線，它的原材料可以是餐飲廢棄油，因而可以通過“地溝油”來制備航空燃料。早在2011年，中國國航就使用中石油和霍尼韋爾UOP（霍尼韋爾特性材料和技術(shù)集團）合作生產(chǎn)的航空生物燃料在首都機場實施了中國首次航空可持續(xù)生物燃料驗證飛行。

另一種主要的技術(shù)路線為費托合成（G+FT），將含碳材料以合成氣的形式分解為不同單元，再組合成航空燃料。這一工藝最初是將煤炭、天然氣等化石燃料轉(zhuǎn)化為液體燃料和其他化工品。

第三是醇噴合成路線（AtJ），將醇類物質(zhì)通過脫水、低聚、加氫轉(zhuǎn)化及蒸餾等工藝轉(zhuǎn)化為航空燃料。制備醇類物質(zhì)可以有多種來源，如玉米、甘蔗等農(nóng)作物。

值得一提的是，為了確保燃料本身的可持續(xù)，這一技術(shù)路線要其原料不影響糧食供應(yīng)。霍尼韋爾UOP中國市場業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理盧靜介紹，CORSIA在評價SAF降碳能力時，兩條關(guān)鍵的指標(biāo)是不與糧食爭地、不與人類爭糧食。在中國，由于糧食供應(yīng)并不富裕，拿糧食做乙醇原料并不現(xiàn)實，用生物質(zhì)（如秸稈）發(fā)酵成乙醇再生產(chǎn)航空燃料是中國可以關(guān)注的方向。

根據(jù)北大能源研究院的報告，還有一條技術(shù)路線尚未被包含在ASTM的認(rèn)證體系中但也值得關(guān)注，那就是電轉(zhuǎn)液路線（PtL）。通過將電解水產(chǎn)生氫氣，再與二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锶剂?。這一技術(shù)路線有望未來與綠電結(jié)合，同時實現(xiàn)二氧化碳捕集利用，理論上其全生命周期最高可以實現(xiàn)99%到100%的減排。

無論哪種可持續(xù)燃料，都會推高成本。據(jù)林鵬介紹，燃油成本大概占航空公司運營成本的三分之一，而即便是目前商業(yè)化最成熟的HEFA技術(shù)，其成本大約是傳統(tǒng)航煤油成本的2倍到3倍，這意味著如果將航空燃油全部替換為可持續(xù)燃油，會使得運營成本提高30%到1倍左右。當(dāng)然，隨著技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)規(guī)?；杀緯氏陆第厔荩陆捣扔写^察。

當(dāng)前，在歐洲的一些航空公司，已經(jīng)可以在購票時選擇可持續(xù)航空燃料權(quán)益，這類票價較普通票價高出20%左右，航空公司會給旅客相應(yīng)的積分。

在具備可持續(xù)的航空燃料之后，還需要相應(yīng)的以發(fā)動機為代表的關(guān)鍵設(shè)備能夠支持它。

航空發(fā)動機龍頭GE表示，所有GE和其合資公司生產(chǎn)的發(fā)動機都可以適用獲得許可的可持續(xù)燃料，這是由于獲批的可持續(xù)燃料意味著其與化石航空燃料有同樣的標(biāo)準(zhǔn)，可以直接摻入，與現(xiàn)有的商業(yè)航空飛機兼容，而無需對發(fā)動機、燃料配送和儲存設(shè)施做特殊改造。

目前，ASTM許可的可持續(xù)燃料最高的摻混比例為50%。不過，在測試中，GE及其合資公司生產(chǎn)的多款發(fā)動機都已經(jīng)實現(xiàn)了100%使用可持續(xù)燃料的測試飛行。

GE以及其與賽峰的合資公司CFM國際，為全球四分之三的商業(yè)飛機提供發(fā)動機。通過提高發(fā)動機的效率，不僅節(jié)約飛機運營的成本，也直接減少了碳排放。相比上世紀(jì)七八十年代的發(fā)動機，當(dāng)前減少了40%的碳排放。

2021年，CFM國際啟動了“可持續(xù)發(fā)動機革命性技術(shù)驗證項目”（RISE）。據(jù)GE全球副總裁、GE中國總裁兼GE航空航天集團大中華區(qū)總裁向偉明介紹，RISE旨在投資未來航空，希望通過一系列全新顛覆性技術(shù)，研發(fā)開放式風(fēng)扇架構(gòu)、混動技術(shù)、陶瓷基復(fù)合材料（CMCs）、增材制造等技術(shù)，在現(xiàn)役“省油爆款”LEAP飛機發(fā)動機基礎(chǔ)上，進一步減少20%以上的油耗和二氧化碳排放，并且能與可持續(xù)航空燃料（SAF）和氫等清潔能源實現(xiàn)100%兼容。

向偉明表示，如果僅依賴現(xiàn)階段漸進式燃料效率提升，航空業(yè)將無法實現(xiàn)2050年凈零碳排放目標(biāo)。革命性創(chuàng)新技術(shù)才是眾之所盼。“這也是為什么我們認(rèn)為現(xiàn)在就是大力研發(fā)開放式風(fēng)扇架構(gòu)的絕佳時機。這種先進的發(fā)動機架構(gòu)將為CFM國際的發(fā)動機效率躍升打開大門，我們的測試路線圖也都圍繞這一點。我們將持續(xù)驗證并完善這些技術(shù)，以打造可持續(xù)的未來航空?！?/p>

當(dāng)前，GE正在同CFM國際團隊、空客、波音、美國宇航局（NASA）等合作伙伴進行協(xié)同技術(shù)驗證，計劃在2025年左右進行地面試驗和飛行測試，2035年左右投入使用。

這一研發(fā)周期，也是航空領(lǐng)域技術(shù)迭代的一個縮影。航空作為復(fù)雜高端的制造業(yè)，涉及多項基礎(chǔ)技術(shù)，并且需要保障安全，其技術(shù)換代，通常需要較長的研發(fā)周期。

今年慶祝了131歲生日的大型多元化公司GE，在2021年11月宣布拆分，成立三家分別專注于航空、能源、醫(yī)療領(lǐng)域的獨立上市公司，其中GE HealthCare已經(jīng)在今年1月4日正式獨立上市。在其公司的發(fā)展歷史上，航空研發(fā)的發(fā)動機和發(fā)電研發(fā)的燃?xì)廨啓C，在空氣動力學(xué)、燃燒流場分析等基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)上其實也有共通之處，其原理都是為了提高發(fā)動機、燃?xì)廨啓C的效率，進而能夠減少碳排放。

GE的燃?xì)廨啓C有一類航改燃機，就是將航空發(fā)動機改為燃?xì)廨啓C，如GE的LM2500和LM6000航改燃機都來自GE此前開發(fā)的CF6發(fā)動機。在歷史上，二者曾共享空氣動力學(xué)和傳熱學(xué)的開發(fā)團隊和開發(fā)工具。在新材料的開發(fā)中，一般是航空主導(dǎo)，之后應(yīng)用到燃機領(lǐng)域。但也有材料是GE的發(fā)電部門先研發(fā)，然后在航空領(lǐng)域應(yīng)用，如陶瓷基復(fù)合材料，起初在工業(yè)設(shè)備上使用，如今在LEAP系列航空發(fā)動機中首次使用這一材料。

除了兼容可持續(xù)燃料，提高發(fā)動機效率，向更遠的未來展望，混動、電動技術(shù)，氫能飛機也將在未來有一席之地。

在電動、混動方面，GE正在與美國宇航局和波音公司合作，開發(fā)一個兆瓦級混合電力推進系統(tǒng)，計劃在本世紀(jì)20年代末進行地面和飛行測試、在30年代中期投入使用。

氫能方面，2022年2月，GE宣布CFM國際正在與空客合作推進氫能飛機的示范項目，計劃在本世紀(jì)20年代內(nèi)實現(xiàn)使用氫能內(nèi)燃機完成地面和飛行測試。

不過電動和氫能飛機，在可見的未來或許只能在短途、少客量的航班中有用武之地，可持續(xù)燃料仍將是當(dāng)前最重要的減碳技術(shù)。

根據(jù)航空行動運輸小組（ATAG）在2021年9月發(fā)布的《2050路徑報告》（Waypoint 2050）預(yù)測，從2030年開始，混合電力和氫能有望在通航和支線航空中實現(xiàn)應(yīng)用。到2050年，在長途航線上，SAF仍然是唯一可行的減碳技術(shù)，氫能發(fā)動機有望在中短途航線上有所應(yīng)用。毋庸置疑的是，在未來，航空減碳需要多種技術(shù)結(jié)合使用。