IATA航空凈零排放發展路線圖分析

■ 王翔宇 / 中國航空發動機研究院 張平平 / 中國航發湖南動力機械研究所

國際航空運輸協會（IATA）發布的航空凈零排放發展路線圖詳細闡述了為實現可持續航空愿景所需的關鍵步驟，通過綜合利用所有可能的技術、基礎設施、運營、金融和政策手段，確定了前進道路上不同時期的重要里程碑，指明了通往綠色航空未來的方向。

隨著國際民航組織（ICAO）第四十一屆大會審議并通過了全球航空長期理想目標（LTAG），各國政府和航空業界正在齊心協力向2050年實現凈零排放這一共同目標進發。2023年6月，IATA發布了一系列路線圖，圍繞提高飛行能效、使用替代燃料和碳捕獲碳清除等三大行動著眼點，首次全面詳細評估了航空業可持續發展所需的關鍵舉措和時間節點，涉及飛機和發動機技術、能源基礎設施建設、運營管理、供資融資和產業政策等方方面面。IATA在路線圖中呼吁政府機構、裝備制造商、能源供應商、航空公司、機場以及金融服務商等所有利益相關方采取行動，提供必要的工具、政策和適宜的產品，確保航空業的這場根本性變革取得成功。

飛機和發動機技術

航空業的絕大部分排放來自燃料燃燒，飛行能效的提升能直接降低燃料供應鏈中的能源消耗。從歷史的發展來看，新一代飛機和發動機的應用往往可減少20%的能源消耗，盡管航空市場還處于向737MAX、A320neo，以及LEAP、PW1000G這些當前最先進的產品過渡的階段，但未來隨著更高效的發動機、更輕質的材料，以及更小阻力的機體空氣動力學結構的研發，下一代飛機和發動機還有15%～20%的效率提升空間，到2050年可減少1.25億～1.4億t碳排放、將航空飛行活動中的能源需求降低7%～10%，并能夠支持100%可持續航空燃料（SAF）。而再下一代產品的發展則轉向電推進或氫動力飛機，預計在2030年前氫燃料可用于中短程飛行，電推進航班會在通勤航線出現，到2050年電池技術會成熟到足以為支線飛行提供動力，氫動力飛行則會擴大到干線航班，可進一步減少0.35億～1.25億t碳排放，最終的數值取決于其進入市場的速度，可以飛多遠以及可以搭載多少旅客。

三大行動著眼點和五大關鍵舉措的對應關系

提升飛行效率

通過技術革新提升飛機和發動機效率是長期以來航空業孜孜以求的方向。未來燃氣渦輪發動機的涵道比將從如今的10左右提高到12以上、核心機壓比從如今的40提高到50 ～60，動力系統的推進效率和熱效率得以進一步優化，并有望通過開式轉子與齒輪傳動的結合實現架構革命性創新；主動流動控制技術有助于延遲邊界層轉捩、降低飛行摩擦阻力，更長更薄的折疊式跨聲速桁架支撐機翼（TTBW）則在保持機場兼容性的同時大大降低誘導阻力，同時輕質復合材料和增材制造能夠加速機體集成化、多功能結構的發展應用；升級機載系統，通過縮小作動器尺寸并持續用更簡單的電氣系統替代液壓系統也是加速多電飛行、減輕質量的重要途徑。

飛機和發動機技術發展路線圖

開發更高效的動力系統、機體外形和結構以及機載系統，與飛行中到底采用哪種燃料無關，然而隨著時間的推移，常規飛機和發動機技術升級的難度越來越大、成本越來越高，特別是各個系統之間的耦合性設計矛盾、各項指標提升不可兼得的問題逐漸顯現。例如，超高涵道比發動機產生額外阻力和質量可能會在一定程度上抵消效率收益；超大展弦比機翼需要更大推力的發動機來達到相同的起飛、爬升和巡航性能；超長后掠翼使得機體重心后移，對起落架設置和地面穩定性提出了新的要求。在這種情況下，將航空市場需求增長曲線和航空碳排放曲線完全解耦的唯一方法就是從根本上改變二氧化碳的來源，即常規航空燃料，實現飛行效率提升與替代燃料應用的有機結合。

應用替代燃料

替代常規航空燃料主要有SAF、電能和氫能三大選項。目前，幾乎所有可用的SAF都是石蠟基的，由于缺乏常規航空燃料中的芳香烴組分，在一定程度上展現出了不同的特性，導致其還不能單獨應用于飛行活動：一是發動機燃油管線、閥門和油箱上的現有腈類密封件依賴燃料中的芳香烴物質來保持可用性；二是當前燃油計量系統適用的流體密度、電導率和比能范圍與石蠟基SAF不完全匹配。這些技術挑戰顯然已經來不及等到下一代飛機和發動機問世再解決，2030年所有的產品都將與石蠟基SAF100%兼容。而與常規航空燃料具有完全相同組分和性質的全配方SAF的研發也十分急迫，相關標準有望在2024年出臺，那些在役的飛機和發動機產品將無需再為配適SAF進行改動。

考慮到SAF仍屬于碳氫燃料范疇、無法真正實現航空脫碳發展，其供應能力也受生物質原料產能的制約，長遠來看電能和氫能這樣的零碳能源方案更具應用價值。基于現有產品改型，氫動力飛行大概會在2030年前出現在支線以及更小座級的市場，這將是加速氫動力技術成熟邁出的關鍵一步，使2035年后氫動力在窄體市場的應用成為可能。而當前航空電推進系統的功率量級為500kW，為了支持更遠的飛行距離和更大的有效載荷，除了高能量密度電池和兆瓦級超高效電動機及配電裝置以外，和燃氣渦輪發動機組成的混合電推進系統將是后續的研發重點。雖然到2040年氫動力和電推進對全球航空碳排放的影響還十分有限，但這一切努力都是2060年后從凈零排放到完全零排放過渡的必要準備。

能源基礎設施建設

如今SAF已經能夠完全嵌入到機場運營體系，但仍需要新的基礎設施來收集原材料，運輸到專業化工廠并依據不同的制備方法進行生產。到2030年，全球SAF的需求量可能會達到2400萬t，其中的絕大部分將來自加氫酯和脂肪酸（HEFA）工藝。隨著更多新興工藝的成熟，城市固體廢物、農林殘留物等更廣泛的原料來源將大大緩解HEFA工藝中油脂類物質的供應壓力。較為理想的情況下，到2050年全球SAF制備工廠將超過7000家，SAF有望替代80%～90%的常規航空燃料，為滿足如此巨大的需求，約40%的SAF是通過電轉液（PtL）工藝合成的，即通過空氣碳捕獲技術（DAC）以獲取制備SAF的碳原料。即使不考慮利用各種碳清除手段去除大氣中殘留的航空排放，僅通過PtL工藝獲取SAF就能產生每年5億t的碳輸入，相應地擴大碳捕獲能力勢在必行。

能源基礎設施發展路線圖

無論是HEFA工藝還是PtL工藝，氫幾乎是所有制備SAF工藝必需的中間物，2050年左右其市場需求量將達到1億t，幾乎與現在全球的氫能產量相當。考慮到目前可再生能源電解水制氫的比例還不到1%，重構綠色氫能制備產業、提升綠色氫能生產規模對于航空凈零排放發展是絕對必要的。除了用來制備SAF外，2050年用于氫動力飛行的燃料需求可能在400萬～1400萬t，這也將催生全新的航空氫動力產業配套需求。在儲運方面，機場接收和分配氫燃料的策略因情而異，一些會通過管道輸送氫氣然后在現場液化和儲存，還有一些會借助公路槽罐車運輸，隨著運量的上升再向管道輸送過渡。在加注方面，之前由單一主干路和多個支路構成的加注管網需要改建以滿足液氫流動的壓力差，同時終端的加氫效率應與常規航空燃料持平，并實現對作業的安全流程與區域的標準化認證。

預計到2050年電動飛行的最大航程和有效載荷仍將較為有限，不過從兆瓦級電推進系統的發展來看，無論是針對快速充電還是電池交換模式，想要運營一個全電動支線機隊至少需要30 ～50MW電力的支持，有必要啟動專門的機場充電設備建設和電力擴容改造，充電裝置位置應進行優化以減少電纜布置長度和電能傳遞損失，高能量密度電池則對機場的消防設備和相關人員技能提出新的要求，當然這些工作在一定程度上可借鑒前期電動汽車行業的經驗與成果。進一步來看，如果將電能需求從單純的電動飛行擴大到整個替代燃料的制備和應用，2050年航空業用電量將達到10000TW·h，占全球電力產能的20%，相當于2021年全球發電量的一半。航空業綠色轉型伴隨的基礎設施建設規模可見一斑，只有在政策和投資到位的情況下才有可能實現。

運營管理

機隊規模的擴張使得天空成為一種越來越稀缺的資源，改進現有飛機和發動機的運行方式為提高能效、減少排放創造了新的機會。在政府機構、航空公司、機場和空中導航服務商（ANSP）的通力協作下，自動化、大數據管理和各種新技術融合將是提升空中交通管理水平的關鍵。通過整合不同國家不同區域的碎片化空域，借助飛機和塔臺之間的實時精準數據鏈通信工具，允許飛機在不同階段選擇最佳飛行剖面、優化飛行軌跡，不再受預先定義的航線網絡約束，并逐漸引導航空運營商之間的信息自由流動，基于人工智能減少人為經驗因素干預，增強運營過程的自主決策能力。

可以說“完美飛行”的實現，既是一個與導航、通信和監測有關的技術問題，也涉及多方的組織合作，形成通用的行為邊界、監管框架和標準規范。如果到2050年航空運營效率能提升3%，那么對應的碳減排量將達到5000萬t。與飛機和發動機技術以及能源基礎設施的長周期、高成本、性能或產量跨代躍升相比，跨境空域開放和統一通信標準這些改善市場運營的手段可以在現有的設備、技術和流程上立即獨立部署，從而以一種更加循序漸進的方式加強全球航空運營的可兼容性和互操作性，并在2045年左右以高水平的無人自主化為標志，達到未來空中交通管理系統的最終形態。

運營管理發展路線圖

供資融資

預計到2050年航空業綠色轉型所需資金為5.3萬億美元，相當于從2023年開始每年需要1786億美元的經費支持。雖然看起來似乎高得令人望而卻步，但這必須結合行業的規模和價值綜合考慮。根據波音公司發布的2022年商用航空市場展望（CMO），未來20年新交付產品市場價值將超過7.2萬億美元，2019年在役機隊的80%屆時將會被替換。事實上僅在過去10年，航空業在飛機和發動機技術研發上的投資就達到了1萬億美元，而如果跨行業比較的話，2030年前全球每年用于石油與天然氣的勘探與開發的資金為5700億美元，是航空業凈零排放花費的3倍以上。因此，航空業可持續發展的投資需求固然巨大但并不過分，進一步應根據投資機會的成熟程度，在不同的階段形成有針對性的供資融資機制。

目前，與航空業凈零排放發展相關的絕大部分技術都處在研發的初期，各方面的潛在風險是最高的，所有投入的資金都有損失的可能。這需要政府機構給予特別財政支持和項目引導以確保市場參與者有意愿參與，美國的持續降低能耗、排放和噪聲（CLEEN）計劃和歐盟的清潔航空（Clean Aviation）計劃就是很好的例子。同時，政府機構還應以信用增級、優惠貸款、貸款擔保和稅收抵免等方式增加市場參與者的融資機會、降低資金獲取成本。一旦技術成熟到足以展示有形的商業前景，政府機構的干預將逐漸弱化，市場選擇與競爭機制開始形成，股權交易和債券發行將成為主要的融資方式。預計大多數私有資本可能會在2035—2050年進入綠色航空市場，并占據航空業綠色轉型投資需求的三分之二。

產業政策

航空業無法依靠自身的力量實現脫碳發展，能否在2050年前實現凈零排放目標很大程度上取決于頂層政策設計與執行情況。只有遵循“促進和保護”的原則和營造公平競爭環境的理念，建立一個可預測的政策框架，涵蓋綠色解決方案的各個方面，確保綠色發展帶來的現實收益，所有行業參與者才能夠堅定放心地投入人力、物力和財力，盡可能快地將革命性的碳減排技術推向市場。2023—2030年將是產業政策布局的關鍵時期，屆時許多新技術將逐步成熟，許多新燃料將開始認證，許多新市場將初見端倪，相應的目標制定得越清晰，涉及的利益相關者越多，監測監管越密切越有力，跨區域協調越順暢，那么綠色轉型的結果就會越成功。

具體來看，在掃除制度障礙方面，在確保安全性的前提下努力縮短氫動力和電推進系統以及替代燃料的審批認證周期（目前的適航程序需要近10年的時間才能完成），同時實現技術標準和可持續性標準的統一；在加速研發方面，啟動一系列專項計劃對氫動力、電推進、SAF和碳清除碳捕獲技術及其基礎設施解決方案進行大力支持；在組織合作方面，形成全球一致的可持續準則和法律環境，防止多個法規重疊管理、簡化處理相同或關聯事項的流程，避免不同政策體系之間的套利行為和扭曲競爭，提升資本配置效率；在去市場風險方面，為航空業提供完善的融資路徑與運營保障，降低機會成本、提升投資回報，培育綠色航空產業自我循環能力；在激勵引導方面，給予那些積極投身航空可持續轉型的參與者更多政策傾斜，明確技術研發、產品使用和運營升級附帶的資金補貼，并確保航空業在綠色電力、綠色氫能和生物質原料需求方面與其他行業公平合理競爭。

路線圖評述

在路線圖提到的五大關鍵舉措中，技術、基礎設施和運營主要瞄向了“需要什么來實現凈零排放”的問題，金融和政策則是前三者能夠真正發揮作用的依托與保障。根據對模擬場景的定量評估，提升飛行效率、使用氫動力、改善運營效率、使用SAF以及碳捕獲碳清除將是降低碳排放量的貢獻主體，其中SAF有望產生62%的減排收益，是當前航空綠色轉型方案的核心。換言之，如果由于激勵措施不到位或生產工藝無法突破導致SAF普及情況低于預期，那么留下的減排份額空白（從62%下降到18%）將很難被填補。當然，即便SAF完全替代了常規航空燃料，對應的減排份額最多只能到78%，殘余的碳排放主要依賴碳交易市場機制下的各種碳清除手段解決。隨著常規飛機和發動機技術進步以及優化運行帶來的能效提升逐漸逼近極限，氫動力飛行正處于快速發展階段，并展現出了比電動飛行更大的市場應用前景，但在2050年前仍難以接過SAF的“大旗”，成為航空可持續發展的中堅力量。

除了未來航空凈零排放發展策略的相關論述外，路線圖還有以下幾方面的觀點值得特別關注。

第一，對所有可能促進航空業綠色轉型的技術方向進行廣泛布局。航空業凈零排放之路存在多種多樣的可能，即便是被寄予厚望的SAF，其市場應用最好情況與最差情況對應的減排效果足足相差了4倍。過分專注于短期減排收益會帶來很大的技術鎖定風險，押注個別技術路徑將阻礙競爭并限制其他長效解決方案的發展，某種程度上甚至可以說2050年前航空業可持續發展最大的挑戰與任何具體的解決方案無關，而是與實現的速度相關。這意味著路線圖有一定的傾向性但不會拘泥于唯一的技術形式，并根據各種技術實際的成熟進程進行靈活的資源調配。

路線圖中各種舉措對應的碳減排貢獻（ 黑色實線為不同場景下的浮動區間 ）

第二，作為為航空業綠色轉型保駕護航的“一體兩翼”，資金和政策應予以特別的重視。一方面，航空業可持續發展的啟動成本和技術風險很高，商業模式尚未經過驗證，需要通過外部的資金和政策支持，降低初始階段的各種不確定性、強化減排帶來的經濟性效益，逐步帶動私有資本進場，加快建立能夠平穩運行的市場能力。另一方面，資金和政策手段相輔相成、互為補充，如果沒有政策力推，航空市場參與者吃不到“定心丸”，不論國有還是私有各類投資都不可能落地，而如果沒有資金注入，政策中描述的再宏偉的藍圖也只是在說空話，引導和激勵效果也會大打折扣。

第三，以全產業鏈的視角推動各項關鍵舉措融通發展。以SAF的推廣應用為例，既需要完成與飛機和發動機兼容性測試驗證，又需要不斷開發新的制備工藝，實現對更多種類生物質原材料的利用。類似的氫動力飛行則除了產品研發以外，還涉及綠色氫能的制備、液化并運輸到機場，機場液氫加注設施建設等配套的方方面面。未來航空凈零排放發展不是單純的技術問題，而是一個全局性的產業問題，既要引入新模式、新產品，又要改進舊模式、舊產品，無論是技術、基礎設施還是運營，每一項舉措發揮效能都離不開其他舉措的協作配合，從而將產業鏈上游能源商、中游制造商、下游運營商更加密切地聯系在一起。

結束語

2023年10月，工信部等四部門聯合印發《綠色航空制造業發展綱要（2023—2035年）》，提出要堅持多技術路線并舉，積極探索綠色航空新領域、新賽道，明確了未來不同時期我國綠色航空各個細分市場的發展路徑，統籌推進綠色航空制造業創新體系、產業體系、示范應用體系和服務保障體系建設。這對于我國航空業實現碳達峰、碳中和目標具有重要的指引意義，應將《綠色航空制造業發展綱要（2023—2035年）》和《“十四五”民航綠色發展專項規劃》有機結合，強化綠色航空核心技術攻關，推動制造運營一體化產業鏈建設，構建協同創新應用機制，進一步細化支持政策和配套措施、加大金融扶持力度，打造綠色航空發展新動能，加快培育綠色航空發展新業態。