民航运输飞机碳排放计算方法

肖 毅 段铁城

(中国民用航空飞行学院 飞行技术学院，四川 广汉 618307)

0 前言

随着气候变化问题被提上议事日程，监测和记录大气排放变得越来越重要。 航空业作为当今世界最重要的全球经济活动之一，航空业带来的二氧化碳及非二氧化碳排放同样会导致气候出现系统性的变化，航空排放涉及一系列大气物理过程。 虽然这些影响中的一部分会导致变暖， 另一部分则会导致降温效应，总的来说， 变暖的影响更大。 据2018 年的统计数据显示，包括客运和货运在内的全球航空业排放了10.4 亿吨二氧化碳，占当年二氧化碳排放总量的2.5%，非二氧化碳气体的排放占3.5%。 由于民航快速发展，全球航空燃料使用量和二氧化碳排放量在过去几年有所增加，特别是亚洲和其他发展中国家增长迅速。 飞机除了排放燃料燃烧产生的二氧化碳外，还影响大气中其他气体和污染物的浓度。 鉴于航空业对化石燃料的依赖性，其显著的CO2和非CO2效应以及预计的航空活动增长，对环境地污染都会持续影响。 因此，了解航空业对当今气候的影响至关重要。

航空业对气候变化的贡献有许多因素，但最受关注的是它通过二氧化碳排放。 大多数航班通过化石燃料提供动力，尽管有些飞机部分使用生物燃料，但燃烧后同样会转化为二氧化碳。 飞机燃油消耗产生CO2方程式如下：2 C8H18+25 O2＞16 CO2+18 H20。 上式中，每加仑燃油（约6.5 磅）与23 磅的氧气结合会产生20磅的二氧化碳（1 加仑=3.79L，1 磅=453.59g）。 例如，波音777-200 单航程飞行7 500 海里， 燃油消耗约为251 155 磅，同时产生775 311 磅的二氧化碳。 虽然对于单个航班的二氧化碳排放可以进行估算，但是航空活动对气候的影响仍然存在争论。 主要原因在于飞行人数上存在着巨大的不平等， 许多人根本没有直接或者间接参与了航空活动。 其次，航空排放如何归因于某个国家， 国内航班的二氧化碳排放量可以计入一个国家的排放总量之中。 而国际航班并非如此，通常它们并未计入任何国家的排放量， 这意味着各国减少排放的动机很少。 另外，来自航空业的非二氧化碳强制措施未包括在巴黎协议中，这意味着它们很容易被忽视。

目前，很多国家及组织开始重视航空业的碳排放问题。 作为制定减排措施的第一个关键阶段就是碳排放计算，在无法直接测量排放量的情况下，碳排放计算被用来提供一个估算值。 但是对于碳排放的计算方法没有统一，由于计算方法涉及某种程度的近似和假设，以及有关排放责任边界和应承担责任的行为者的主观决定，从而导致了计算结果之间的差异性。 本文综述了几种常见的关于航空业的碳排放计算方法，并进行了简单的阐述。

1 碳排放计算方法

对于任何同一航线飞行的实际碳排放量和计算的排放量之间总是存在差异。 这是因为每次飞行任务所遇到的航路条件都可能不同，比如气候、配载、发动机型号、座位配置及飞行模式等差异，这一系列因素都会影响到每位乘客的排放量。 在计算每一个航班的排放量时就必须对上述因素进行假设，从而导致结果出现较大的误差和变化，通常的处理方式是将这些影响在多个航班上进行平均处理以减小误差。 尽管航空排放计算处理有一定差异性， 但整个计算流程基本是一样，如图1 所示。 目前，已有许多独立开发的航空排放计算器， 但人们更希望碳排放计算能够保持统一性，因为过多的计算会导致报告不一致，使希望开展减排的人产生困惑。 然而，由于数据来源的质量和所作的任何假设，以及分配排放量和使用乘数的主观问题，计算结果之间仍然存在差异。 本文总结了一些常用的碳排放量计算方法。

图1 碳排放计算流程

1.1 国际民航组织

国际民用航空组织采用国际民用航空各方面的标准和建议进行计算，其计算碳排放的方法和图1 类似，采用了一种基于距离的计算方法，利用各种类型飞机的现有数据估计个人的航空排放量。 为了能够达到满足的计算条件，国际民航组织制定了相关的燃料消耗公式，燃油消耗公式考虑的因素包括乘客负载系数、飞行距离、拥堵时间、客运量占总有效载荷的比例、飞行的客舱等级和飞行的等效飞机类型，并通过不断监测和改进所用数据获得更准确的排放量估计。并根据乘客的航空排放量受到每个航班特定变量不断变化的影响，制定了较为合理的平均系数来阐述这些飞行参数的影响。

国际民航组织的计算方法的主要特点及优势如下：

（1）涉及的飞机类型数量较多以及燃油数据来源丰富，采用多源数据融合来估计任何两个机场之间指定路线的典型排放量。

（2）可根据飞机是宽体还是窄体选择合适的货运量系数，其原因在于货运量的数据来源充裕。 并且基于按飞行阶段划分的交通量数据库（TFS）定义每位乘客的负载系数，能更加合理的将排放量分配到每位乘客。 该数据库收集了按年度生产的飞机类型特定交通量数据， 国际民航组织收集的国内交通量和运行数据，以及基于航空公司公布的航班时刻表。

（3）为每架参考飞机采用了标准客舱布局，这一固定空间随后配备了一个全经济型座椅，其间距约为31/32 英寸（1 英寸=2.54 厘米）。 然后将这种座椅配置与涉及商务或头等舱排座椅形成的混合配置进行比较。

（4）排放量仅进行CO2计算，不使用乘数来考虑航空的非二氧化碳影响。

该方法利用若干数据来源建立相应数据库，开发了相应的碳排放量计算程序。 该程序要求用户输入直飞航班的始发地和目的地机场。 然后将其与公布的定期航班进行比较，以获得两个有关机场提供服务的飞机类型以及每架飞机的起飞次数。 然后将每架飞机映射到312 种等效飞机类型中的一种，以便根据旅程中涉及的机场之间的大圈距离计算旅行的燃油消耗量。然后应用国际民航组织收集的交通和运行数据得出的载客率和客货比，得出可归因于载客量的总燃料使用比例。 该系统根据每种等效机型的起飞频率，计算旅程的平均燃油消耗量。 除以经济舱当量乘客总数，得出每个经济舱乘客的平均燃油消耗量。 然后将结果乘以3.16，以获得在这两个机场之间旅行的每位乘客的二氧化碳足迹量。

1.2 Sabre Holdings 方法

Sabre Holdings 方法是一种基于Sabre 数据库来估算碳排放，Sabre 数据库包含所有航班的信息，比如进行计算所需要的出发点和目的地、航空公司、飞机型号、座位配置信息等参数。许多未知参数在Sabre 数据库中是已知的，这样可以实现更详细和准确的排放估计。 由于任何航空排放量计算器的精度在很大程度上取决于作为模型输入的燃油消耗数据的品质，这样的燃油消耗数据很难在公开渠道获取，并且随着新飞机模型和发动机型号的开发，数据集也容易过时。 因此，由于缺乏准确的输入数据，必须在排放计算器方法中采用典型的剖面，这种方法会带来后续计算带来误差。 SAGE 模型给出了大量飞机类型的模拟燃料燃烧，从而避免了这个问题。SAGE 模型对排放量计算器有许多优点。

（1）模型计算基于航空公司和飞机型号来进行座位配置，计算出的碳排放量能更准确地表示航空公司的排放量。

（2）提供了一种可消除因当前模型中的方法假设而产生的不准确之处。 由于Sabre Holdings 模型比其他航空二氧化碳排放量计算器更为复杂，这可以为碳排放计算提供一种潜在的统一方法，并消除目前观察到的计算程序之间的误导性差异。

（3）提前预估二氧化碳排放量，便于客户选择低碳航班从而创造一个更环保航班的市场，以促进每个座位的低二氧化碳排放。 并可分析出行前和出行后二氧化碳排放量，同时允许与其他运输方式的二氧化碳排放量进行比较。

根据Sabre Holdings 方法的计算流程， 提供相应的出发点和目的地，根据已知的姿态和经度坐标计算航线距离。 所需的燃油数据在本模型中未体现，需额外的子模型提供燃油数据的计算。 Sabre 开发了对应的燃油消耗公式，燃料的消耗是关于距离的函数。 因此，使用适当的公式并输入航班，在步骤（1）中根据距离给出了飞行的燃油消耗量，然后计算每个座位的燃油消耗量。 再按航空公司和飞机型号分类的数据，基于每个座位的二氧化碳排放量可以通过乘以排放量来计算系数为3.157 kg CO2/kg 燃油。 需要注意的是，这只是二氧化碳，而且不包括排放对气候的额外影响的乘数。

1.3 DEFRA 方法

DEFRA 方法是联合国负责环境保护的部门开发的一种用于计算碳排放计算的程序。 该算法长期应用于英国的二氧化碳排放计算， 同时也被其他国际组织采纳。 DEFRA 程序采用开源方式确保排放报告应用更广泛。 该工具基于一种旨在估计整个航班燃油消耗量的方法， 估算的结果和欧洲运营航空公司实际燃油消耗数据进行验证， 并定期更新数据以便提高其准确性。

DEFRA 方法公布了各种有代表性的飞机被用于计算国内、短途和长途飞行的排放系数，分别为0.1580、0.1304 和0.1056 kg CO2/km， 这些数字来自标准形式的更复杂排放量计算。 对于货物，排放系数按吨千米运输货物的数量。 非英国国际航班的排放因子的计算方法与英国主要航班的排放因子计算类似， 使用按飞机类型划分的不同地区之间航班的DFT 数据，并使用EUROCONTROL 工具计算排放因子。 主要计算特点如下：

（1）DEFRA 方法的货物负载可按以下两种方式之一处理。 第一种，排放量按乘客和货物各自重量的比例分配，长途运输的货运量为28.8%，短途运输的货运量不到1%。 第二种方案考虑到旅客服务（座位、厨房等）所需的额外重量，并将较低的百分比分配给货运（长途运输为11.9%）。

（2）座位配置以CAA 统计数据为基础，辅以来自非英国航空公司的信息。 同一个飞机类型分别给出了国内、短途和长途的3 个排放系数。

（3）排放量根据不同舱段进行分配，每千米的乘客排放量不仅受到飞机技术性能的影响，而且还受到航班占用率/载客率的影响。

（4）客运服务运输的货物也被考虑在内，同时考虑运费对长途运输因素有显著影响。

2 结论

减排措施实施的首要工作就是进行碳排放的计算，遗憾的是当前碳排放的方法并不统一，从而导致结果上的偏差。 本文中列出的几种常见的碳排放计算方法各有特点，而且计算的复杂程度也因所需的数据输入品质和所利用的数据源范围而异，这些原因都会引起碳排放计算没有一个统一的结果。 而最好的计算应该简单易用且用于计算的系数又要足够精准，因为用户行为的任何变化都应该反映在计算出的碳足迹的减少中。 因此，需要一种标准方法来计算航空碳排放，使其结果统一准确。 对于航空业而言，如今还没有航空脱碳的技术，关键的挑战是脱碳特别困难。 其他行业都已提供了减少排放的解决方案。 欣慰的是一些设计概念正在出现，例如，空中客车公司宣布计划在2035 年前生产第一架使用氢燃料电池的零排放飞机。创新的解决方案可能即将出现， 但它们可能还很遥远。 对于民航而言，节能减排还有很长的路要走。