航空减碳之路

杨晓军　何虹霖

近些年来，气候变暖、减碳已成为全球共识。2016年各国在纽约签署的《巴黎协定》为2020年后全球应对气候变化行动作出了安排，长期目标是将全球平均气温较前工业化时期上升的幅度控制在2℃以内，并努力限制在1.5℃以内，而要实现1.5℃的目标，需要2030年的排放比2010年削减45%，并在2050年前实现碳中和。

在此背景下，各国纷纷宣布了自己的碳中和目标。欧盟委员会于2021年7月14日提出“Fit for 55”法规与政策一揽子提案，确保欧盟温室气体净排放量在2030年减少55%，在2050年实现碳中和。在航空方面，将逐渐取消免费的碳排放配额，鼓励使用可持续航空燃油，并要求航空燃油供应商在欧盟区域机场供应的航空燃油中增加更高比例的可持续航空燃油。

2020年12月12日，习近平总书记在气候雄心峰会上宣布中国国家自主贡献一系列新举措，即到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，森林蓄积量将比2005年增加60亿立方米，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。

中国航空制造与運输业作为国内众多排碳行业的一员，应当自觉响应国家减碳行动的号召，努力为国家节能减排作出自己的贡献。本文从双碳背景和最新的国际绿色发展形式出发，探讨其对中国航空制造与运输业的影响。

减碳的关键在“控油”

2019年，中国航空制造与运输业的碳排放量达到了1.16亿吨，大约占了全国二氧化碳排放总量的1%。随着新能源汽车的推广普及，铁路行业电气化率达到100%，预计到2060年，公路和铁路行业都有望实现零排放。但民航业的发展速度快，而且飞机电动化、绿色航空燃油等技术受到安全性和经济性的制约，很难实现突破，预计到2060年，航空运输业的能耗将是2019年的3倍，在交通运输业碳排放所占比例将会上升到87.4%。

那么中国民航碳排放的源头在哪儿？

民航业二氧化碳的主要排放源为航油燃料燃烧所产生的碳排放、机场单位所产生的碳排放、航空公司地面服务所产生的碳排放以及空管和其他民航企事业单位所产生的碳排放。航油燃料在燃烧的过程中能产生的废气有CO????2、NOX、CO、SOX等，其中CO????2占总排放气体的70%左右。约有10%的发动机废气直接排放于地面，被视为机场当地空气质量污染，而其余90%的发动机废气排放于高空，被视为温室气体排放。

从表2可以看出，航空公司的燃油对于碳排放就“贡献”了94%的占比。由此可见，如何减碳的关键在于如何“控油”，即如何提高燃油效率，并提高清洁能源使用量。

面临的压力与挑战

2016年10月，国际民航组织（ICAO）第39届大会通过了具有历史意义的国际航空碳抵消和减排计划（Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation， CORSIA），要求航空公司以2019年的排放水平为基准，抵消任何超过排放基准的碳增长。

CORSIA在初期（2021-2026）采取自愿原则，各国自愿决定是否参与CORSIA，但从2027年开始，所有成员国都必须参与，并且2030年之后将逐渐过渡到依据航空公司的个体增长率计算减排责任，这就给中国等快速增长的发展中国家带来了不公平的减排责任，在机制设计上容易造成市场扭曲。因为供给缺少弹性，需求端的所有冲击的影响都落在价格上，会导致价格波动过大，对企业等经济主体的经营规划可能带来大的冲击。

从更大的视角看，实现碳中和，最根本的手段还是技术创新下的能源革命，意味着需要通过科技研发实现正的外部性，但航空科学技术的进步不确定性很大，必须有国家的长期支持才有可能实现突破。我国面临的挑战有二：

一是我国民机产业正处于高速发展阶段。2017年ICAO通过了航空器二氧化碳排放标准，要求2020年后新型号飞机必须满足排放标准要求，正在生产中的航空器须自2023年起满足其相关的排放标准要求，这无疑将进一步增加我国航空器进军国际市场的难度。因此，低碳环保水平将成为我国大飞机能否走向世界市场的关键条件之一。

二是可持续航空燃油的应用已经在国外航空业如火如荼地开展，ICAO主导下的可持续航空燃油的可持续标准、审定机制以及全生命周期计算方法都日趋完善，而我国受限于原材料和市场需求的不足，一直没能在低碳和负碳燃油技术研发上有所突破，在碳中和背景下，需要在政策机制到位情况下迅速开展相关研究。

减碳的成就和目标

作为世界第二大航空运输大国，我国正积极参与国际民航组织针对气候变化与控制航空排放的相关政策和标准的制定，并在实践中取得了可喜的成绩。

2020年，中国民航吨公里油耗为0.316公斤，与2005年比较（行业节能减排目标基年）下降了7.1%。总共有28.97万架次航班使用临时航路，缩短了飞行距离1232万公里，节省燃油消耗6.65万吨，减少二氧化碳排放约20.95万吨。

2021年3月，中国民航局印发《关于“十四五”期间深化民航改革工作的意见》，在“形成民航绿色发展的机制制度”中明确提出围绕国家双碳目标制定民航“低碳发展中长期路线图”和“绿色民航标准体系”。同时鼓励航空公司积极使用可持续航空燃油，并建立基于市场的民航节能减排机制。

减碳新技术

航空制造与运输业要想减碳，实现碳中和，在体制机制的设计之外，最为根本的是通过研发颠覆性技术来减少二氧化碳排放。

在飞机技术方面，目前最有希望也最被看好的是通过设计新型气动布局和新材料的应用，来减少二氧化碳排放。目前，该方向主要聚焦在桁架支撑翼、翼身融合、双气泡机身、连接翼等几种主要的新概念布局，并已陆续进入技术验证阶段。

所谓桁架支撑翼，就是在机翼底部的机身处设计安装一个主支撑结构，并通过一个或多个辅助支撑结构与机翼相连，从而对机翼起到支撑作用。该布局能够有效解决传统悬臂梁式机翼因结构强度、气动弹性等约束问题而导致翼展受限的问题，从而大幅度增加飛机机翼的展弦比，并有效地提高燃油效率。该技术有望在2030年前投入市场，并且能够带来至少10%的碳减排收益。

翼身融合气动布局是指机翼和机身高度融合的全升力面飞机外形，在相同负载的情况下，翼身融合外形能够减小飞行中的摩擦阻力，提高燃油和飞行效率，在减排方面能够减少碳排放量20%左右，若配合节能减排的发动机技术或清洁能源技术，减碳效果能够提高到50%以上。

对于翼身融合的研究，国内外都在开展，比如NASA和波音联合启动了X-48项目，并先后推出了X-48B和X-48C两款翼身融合布局设计的无人驾驶验证机;2019年，荷兰皇家航空公司（KLM）与代尔夫特理工大学合作共同研发了“Flying-V”翼身融合体飞机;在国内，一批企业和高校也陆续开展了大量的研究。

除了在气动布局上做改变，材料方面的改进也是一项很重要的碳减排项目。在“双碳”背景下，人们正致力于研究新型材料在飞机上的应用，以满足绿色航空发展的要求。比如，希望通过飞机和推进系统重量的减轻来达到碳减排的效果，一些新型轻质材料（复合材料、蜂窝状材料以及碳纳米管等等）的设计就显得尤为重要;为了使飞机能够在不同工况下达到最大减排效果，智能材料（形状记忆合金、压电材料等等）就能发挥其最大的用途;还有通过提高部件效率而设计的高温材料（镍基高温合金、复合材料）等。

在发动机技术方面，全球航空业对于发动机技术革命性创新的研究，已经开展了很多年。其中有创新型外观的开式转子发动机;有加入齿轮减速器的齿轮风扇发动机;也有改变传统热力循环的中冷回热发动机;还有具备变循环工作特性的自适应变循环发动机等等。这些发动机技术都具有一个优势，就是能够减少二氧化碳的排放。

开式转子发动机，可以看作是带有先进高速螺旋桨的涡桨发动机，也可以看作是去除外涵道的超高涵道比涡扇发动机，因此又称桨扇发动机，或者无涵道风扇发动机。其兼具涡桨发动机的高推进效率、低燃油消耗以及涡扇发动机的飞行速度大等优点，所以开式转子发动机能够在较高的飞行速度下保持较高的推进效率。同时，该发动机还不受短舱重量和阻力增加的制约，因此可以选用超大的涵道比（30～90），而涵道比越大，推进效率越高，碳排放量就会越低，因此相对于传统的涡扇发动机和涡桨发动机，开式转子发动机在节能减排方面比传统民用航空发动机更具有优势。

新能源革命

在革命性的飞机技术和发动机技术之外，还有一种减排的技术方案——新的清洁能源。目前，清洁能源的研究大致集中于氢能、电推进和可持续航空燃料（SAF）。

现阶段，氢能推进技术最受关注的两项技术就是氢涡轮和氢燃料电池。

氢涡轮一般分为氢涡轮风扇发动机和氢涡轮电动风扇发动机两种形式。前者的结构与目前民用航空涡轮发动机的构造基本相同，基本原理就是氢燃料在燃烧室内燃烧，产生压力推动涡轮并带动风扇产生推力;而后者则是通过涡轮带动发电机发电，然后利用电能来驱动电机带动风扇，从而产生推力。

氢燃料电池也是一种能够实现低碳排放的动力装置。与氢涡轮风扇发动机相比，氢燃料电池内部的氢氧电化学反应环境纯净，基本不会产生水蒸气凝结核，因此其能够在极大程度上减少尾迹云的形成问题。但存在一个问题是氢燃料电池的能量密度不足，因此存在寿命短、输出功率不足等问题，导致其不能用于远距离航空运输。

说到电力驱动，人们首先想到的是全电动的概念。所谓的全电动，是指电池作为飞机上唯一的推进动力源，由电池向电动机供电，驱动其带动风扇或螺旋桨转动并产生推力。理论上说，全电动飞机可实现二氧化碳零排放，是一种极好的清洁能源。但实际上存在很多问题难以解决，比如电池能量密度不足的问题;还有就是安全问题，目前有很多新闻报道了电动汽车由于电池安全问题自燃的情况发生，若是安全问题没有得以解决，就更别提能在航空领域应用全电技术了。

全电动暂时行不通，混合动力或是一种替代方案。所谓混合动力，即由燃气涡轮提供推力的同时向电池充电，电池再向电动机供电，利用电动机来带动风扇或螺旋桨转动，从而产生推力。这种方案下的发动机不仅涵道比可以提高到18左右，还始终能够在最佳工况点附近工作，因此其兼具效率高和减碳性能好的优点。该混合动力发动机在燃气涡轮工作模式下，其燃油消耗率可减低28%左右;而在电力工作模式下，可实现二氧化碳零排放。

可持续航空燃料，英文全称是Sustainable Aviation Fuel，简称SAF，其燃料的来源大都是些非粮食作物、废弃物、可再生电力以及从空气中去除的二氧化碳等。该技术已在民航业试用多年，但因成本较高等原因，短期内无法大规模推广。

改进运行环境

新技术和新能源研发的成功，并不意味着碳减排技术工作的结束。新技术和新能源的应用，需要新的政策和基础设施建设来支撑，通过对飞机运行环境的改进，来适应民航绿色新技术的发展，这才是一个完整的减碳技术链。

在航空公司方面，各大航司应密切关注国际上各大环保策略，并针对新技术的引入，制定合适的排放额管理制度，实现我国民航碳资源的合理分配和利用。其次，航司应多引进环保节能机型，淘汰老旧高耗油、高排放的飞机，并对航路进行合理优化，通过缩短飞行航程和飞行时间来实现降低油耗和减少碳排放。

在空中交通管制系统方面，应不断研发先进的通信、情报、导航和监控技术，从而提高空管的指挥和管理水平，减少飞机的空中拥堵、空中等待和地面等待时间，缩短飞机地面滑行时间和进离港航线距离。空管部门还应适时优化空域结构，缓解繁忙空域的飞行压力，以便在最大程度上降低飞机在空中盘旋等待时的燃油消耗和不必要的碳排放。

在机场设施和服务建设方面，应针对不同的新机型和新技术，考虑低能耗方案，设计与之匹配的候机楼、停机坪和跑道等基础设施，在确保新技术飞机能够商用的同时，减少航班进出港时在地面的滑行等待时间，从而减少碳排放量。同时，还可以尽量利用地面电源和空调设备代替飞机APU（辅助动力装置），以减少APU在地面运行时的碳排放。

在政策方面，应鼓励加大低碳技术研发的投资力度，促进低碳技术的研究、开发和应用，推动以企业为主体、产学研相结合的低碳技术创新与成果转化体系建设。

结合上述技术与政策、运行环境的改进，航空制造与运输业必能适应“双碳”背景下的时代潮流，为应对气候变化作出自己的贡献。（本文图片由宋杨提供）