中国民航业中长期碳排放预测与技术减排潜力分析

许绩辉,王 克

中国民航业中长期碳排放预测与技术减排潜力分析

许绩辉,王 克*

(中国人民大学环境学院,北京 100872)

基于LEAP构建自下而上的中国民航业能源系统模型,设置冻结、现有政策、力度、替代和革命五组情景,深入分析民航业的驱动因子和发展趋势,探讨中国民航业中长期低碳发展的技术路径.结果显示,预计2060年左右人均乘机次数翻两番,突破2人次,冻结情景下2060年会带来高达6.9亿t的碳排放.力度情景下,民航业碳排放有望在2044年左右达峰,峰值水平控制在3亿t左右,40年累积减排近50%,仅需增加约1万亿人民币的成本.稳步推进机队更新换代,加快基础设施提升和运营操作改进,发展可持续航空燃料是民航业必须依赖的减排手段,分别能带来44.1%、29.5%和26.4%的减排量.因此,民航业要尽早制定行业“双碳”目标和实施路径计划,中短期统筹推进空域改革、空中交通管理和航司精细化管理,大力支持国产大飞机的发展,长期推动可持续航空燃料全产业链商业化和市场化.

民航业；LEAP模型；碳减排；技术路径；情景分析

改革开放以来,我国民航需求持续增长,由此带来巨大的碳排放,约占全国总排放的1%.[1]但我国人均乘机次数仍远落后发达国家[2],随着我国经济高质量发展,民航业未来还有很大的增长空间,将成为未来能源消费和碳排放增长的主要来源之一.中国已正式宣布将力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和[3],在其他部门通过低碳转型减少排放的背景下,占全社会排放比重不断上升的民航业将在中长期成为我国实现“双碳”目标的重要挑战.此外,民航业是世界上第一个由各国政府协定实施全球碳中和增长措施的行业,全球航空运输业碳中和方案及减排计划(CORSIA)已进入试验期[4],如果按照CORSIA确立的市场机制去抵消增长的CO2,中国民航业将面临巨大的成本压力,在国际竞争中将处于不利地位.因此,研究我国民航业的排放路径、减排潜力以及优选减排技术措施,有助于为中国民航业在保证人民群众航空出行需求的前提下,科学控制碳排放,走上低碳可持续的发展道路提供参考.

整体上,现有关于中国民航业碳排放的研究主要集中在碳排放估算和影响因素分解等领域.

碳排放估算方面,不断完善了不同边界的基于燃料消耗估算民航业碳排放的方法[5-8].影响因素分解方面,现有研究采用结构分解分析(SDA)与指数分解分析(IDA)以及进一步发展的LMDI法、系统动力学方法对交通行业[9-11]和民航业[12-14]展开分析,结果显示GDP、人口等宏观经济因素正向变化会驱动碳排放的增长,通过提升技术水平、运行效率,加快替代能源使用等影响能源强度和排放强度的方式能够抑制碳排放的增长.许多研究进一步在全球或欧洲范围内展开民航业中长期情景分析,为行业提供技术解决方案,描述民航业低碳发展的实施路径.[15-20]但现有的减排路径的定性讨论[21]和可持续航空燃料中短期减排潜力分析[22]对民航业的减排技术的考虑不够全面,对中国民航业中长期的碳排放预测和各项减排技术应用潜力的评估存在不足.因此,有必要在前述研究的基础上进一步结合中国实际,充分考虑各类减排技术和措施,在更长的时间尺度开展情景分析.

需求预测方面,现有研究一般把国内生产总值GDP和航空公司收益自变量,航空旅客周转量作为因变量进行建模[23],大多采用时间序列法、多元回归分析法、弹性系数法[24-26]以及季节时间序列模型、GMDH模型、多变量灰色数列预测、系统动力学等进一步发展的预测手段.[27-32]但这些总量预测的方法存在三方面不足,一是没有充分考虑客运与货运、国内与国际的不同的市场,二是总量预测没有考虑机队执飞情况,没有建立与飞机技术的联系,三是需要进一步考虑COVID-19冲击对计量模型长期稳定性的影响.按航线组、分机型的自下而上预测方法[19,33-38],从中短期与长期分别考虑疫情冲击的影响[18,39]可以较好地解决上述问题,但所需的数据条件无法从国内公开渠道获取.因此,有必要结合中国公开数据条件优化自下而上的需求预测方法.

为此,本文聚焦中国尺度,基于LEAP模型框架,构建自下而上中国民航业能源系统模型,参考飞机技术路线图[40]、航空脱碳路线图[41-42]、航空燃料路线图[43-44]等技术规范全面梳理民航业各项减排技术和措施,结合民航业发展特征设置冻结、现有政策、力度、替代和革命五组情景,进一步区分市场和机队类型,深入分析民航业碳排放的驱动因子和发展趋势,分析COVID-19冲击后中国民航业长期低碳转型的路径、技术选择和成本,对评估中国民航业在“双碳”目标下实现低碳可持续发展具有重要的理论和现实意义.

1 方法与数据

1.1 自下而上中国民航业能源系统模型

基于LEAP模型框架开发的自下而上中国民航业能源系统模型[45],包括需求、技术和减排成本评估三个模块,对民航业的能源消费、碳排放进行仿真模拟.模型的总体计算机理如下:首先,人口、GDP等社会经济驱动因子决定民航业未来能源服务需求,然后在不同情景下确定满足需求的未来能效和低碳技术扩散率的技术组合,最后加总不同市场、不同机队(技术终端载体)消耗的能源以及由此带来的碳排放,得到全行业能源消费量与碳排放.模型以2020年为基准年,展望到2060年.

模型基本框架如图1所示.需求模块中,运输周转量按客运货运划分了三个市场.技术模块中,终端技术载体横向上分成四类机型,纵向上划分为两代机型.参考主流技术规范[18,40-41],模型选择的技术分为基础设施提升与操作运营改进(O因素)、飞机更新换代(T因素)、可持续航空燃料(F因素)三类.成本模块中,识别每项减排技术和措施的全生命周期(投资-服役-折旧-退役)成本,与该技术全生命周期减排量构建技术边际减排成本曲线,再结合该技术在情景中的减排潜力计算情景应用的总成本.

技术模块是模型的重点.在遍历民航业主流技术报告的基础上,模型全面梳理3类8种19项减排效果好、操作性强的技术措施.(表1)相较美国、欧洲等地区较为灵活的空域,由空军管制的中国民用空域有更大的提升空间,本文将航路优化与空域改革技术区分于空中交通管理(ATM)单独建模,兼顾了补偿航空需求对效率的潜在负面影响[42,46].为了探讨可持续航空燃料在中国民航业的减排潜力,本文充分考虑了传统、先进和零碳三种工艺[43-44],以求选取技术客观、全面.此外,针对尚在热议的下一代飞机技术,分析现有的技术报告[20,40]后,本文从结构、材料和动力三个方面充分考虑最大可能的技术集成路径.这些全面详实的技术细节为准确描绘中国民航业未来低碳发展路径奠定了扎实基础.

图1 模型结构

表1 模型选取技术

注:技术参数主要来源:ATAG的路标2050报告[18]、ICAO环境报告[20]、欧洲的航空净零排放路径报告[41]、IATA航空科技技术路线图[40]、以及相关文献[42-44, 47- 48].

为与中国民航局公布的统计数据口径保持一致,模型的核算边界是中国境内航空公司所属航空器执行的传统商业航班带来的二氧化碳排放,不包括机场地面支持设备运行、机场建筑用电带来的直接或间接排放,也不包括通用航空,包机、专机、商务飞行等航班类型的排放.

1.2 计算方法

民航碳排放的计算与交通领域一般计算方法一致,由客运或货运周转量和单位周转量燃料消耗、单位燃料排放系数相乘得到.计算公式如下:

式中:为中国民航业CO2排放,t CO2;为不同的市场,即国内客运、国际客运、货运航空三个市场;为不同的能源品种,包括传统航空煤油和可持续航空燃料;是周转量,t·km,是衡量航空出行活动量的指标;是能源强度,即单位周转量燃料消耗,kg/(t·km);为排放强度,即单位能源消费产生的CO2排放量,t CO2/t.

其中,周转量综合考虑业内对民航业受COVID-19冲击的影响和复苏时间,以及对中长期增长趋势的判断外生假设确定.计算公式为:

式中:为周转量,客运的单位(108人·km),货运的单位是(108t·km);是不同的市场;是年度变化率,以百分数计,为年份.

能源强度由各分项技术的能源经济性和渗透率综合决定,计算公式为:

式中:为单位周转量燃料消耗,kg/(t×km),为能效提升率,以百分数计;代表不同技术;是技术渗透率;为年份.

排放强度由传统航空煤油的排放因子、可持续航空燃料的减排系数,以及混合率综合得到,该方法由国际民航组织航空环境保护委员会(CAEP)市场措施工作组[20]提供的公式推导而来,具体为:

=3.16´(1-)+3.16´(1-ERF)´(4)

式中:3.16是Jet-A/Jet-A1型传统航空喷气燃料燃料转换系数;ERF是减排系数,单位是kg CO2/kg,为第种可持续航空燃料在燃料中的混合率.

本文还将Hassanbeigi等[49]提出的碳减排成本计算方法与财务分析的基本框架相结合推广到民航业,具体公式为:

1.3 数据来源

本文数据需求及来源如下:中国未来人口假设来源联合国《世界人口展望(2019)》[50],GDP参考“十四五”规划和2035远景目标确定[51],民航业中长期规划目标来源《新时代民航强国建设行动纲要》[52],主要活动数据1能源强度数据来源《从统计看民航(2019)》、各航司年报和公开报道机队引进和退出情况(2019、2020).2020年效率水平按2020年实际机队数据与2018年活动量结构进行加权调整估算,并与官方统计公布的2018年、2019年全行业效率水平进行对比校对.来源国家统计局[53]、中国民航局[54-55]、CEIC数据库[56],相关技术和成本参数参考国内外文献[17-18,20,40-45,47-48];排放因子来源于CAEP[20,57].为与政策规划保持一致,模型的基准年设置为2020年,贴现率综合考虑全国银行业同业拆借中心发布的5年期以上贷款市场报价利率(LPR,4.65%),与近年来反映通货膨胀的居民消费价格指数增长率(2%左右),取值为6.65%.

参考SCHÄFER的研究[47],本文假设传统航空煤油价格不变,价格为75美元/桶,按政策规定的1:7.9的吨桶比[58],折合592.5美元/t;假设可再生能源电价[59]与液氢[60]价格不变;假设美元人民币汇率不变,以国家统计局公布的2020年人民币兑美元平均汇率100:692.65进行折算.

2 情景设定

本文设置了5组情景,校准减排技术措施的的冻结情景(FRN)、反映行业规划的现有政策情景(GOAL)、反映进一步应对气候变化的力度情景(MAX)、突出可持续航空燃料最大应用潜力的替代情景(SAF),突出零碳技术应用潜力的革命情景(REV),具体情景假设如下(表2).

表2 不同情景主要参数的区别

冻结情景假设民航业发展按历年趋势往外推,不考虑应对气候变化目标.该情景下,中国民航业延续传统发展路径,燃油效率技术进步达到瓶颈;以空中交通管理为主的基础设施提升和操作改进进展缓慢,与需求增长相抵消;能源结构保持不变,不使用可持续航空燃料.

现有政策情景假设民航业按《新时代民航强国建设行动纲要》和相关发展规划的目标改革发展,不采取额外的减缓行动.空气动力学、减载以及动力技术有所发展,民航业通过更新中间代飞机、引进渐进式下一代飞机,燃油效率逐步提升;逐步优化航路和空中交通管理,北斗导航按期投入使用,操作改进措施稳步推广,整体效率提升技术红利在2050年建成全方位民航强国时全部实现;航司初步尝试可持续航空燃料,但能源结构仍以传统航空煤油为主,可持续航空燃料应用参照中国能源消费结构趋势, 2050年仅替代10%的航空燃料消耗.

力度情景假设政府大力支持民航业碳达峰,低碳技术进一步发展,可持续航空燃料逐步商业化.空气动力学、减载以及动力技术加快发展,中国民航业加快更新中间代飞机、引进渐进式下一代飞机,燃油效率加速提升;空域改革成效显著,导航和航路得到广泛优化,整体效率提升技术红利在2035年建成多领域民航强国时全部实现;政府支持可持续航空燃料,以当前世界平均水平按照S曲线上升路径外推,2050年可替代30%航空燃料消耗.

替代情景假设在力度情景的基础上,政府为进一步支持民航业碳中和,大力支持可持续航空燃料的投资、研发、生产和推广,可持续航空燃料产量扩大、成本降低、迅速商业化,确保与传统航空煤油相比具有市场竞争力.此情景下可持续航空燃料商业化成熟度高、成本低,2025年可替代2%、2030可替代5%、2050替代75%,2060年实现完全替代传统航空煤油.

革命情景假设在替代情景的基础上,政府大力支持零碳技术的研发和应用,行业采用突破性变革的飞机架构和推进动力,机场和产业链配套提供有效保障.此情景下,氢能飞机、电动飞机等革命性零碳技术,混合动力飞机等革命性高效推进技术取得突破进展,下一代飞机引入时间提前,2035年左右全电动支线飞机和氢能窄体机投入市场,2040年左右混合动力宽体机投入市场,2050年后支线飞机覆盖的国内市场全部由全电动飞机执飞.

3 民航业关键驱动因子分析

3.1 客运周转量增长趋势

行业普遍认为民航业中长期会恢复到以前基准模型的增长趋势[39,61],国际民航组织、波音、空客、中国商飞等机构[33-36,39]最新预测中国民航20年客运年均增长率大致在4.7%～5.98%.2020年7月国内客运与去年同期持平表明国内旅行已恢复到COVID-19之前的水平[62],但许多国家要到2023年以后才能形成群体免疫[63],短期内航空旅行以国内市场为主,国际市场受各国边境管控以及中民航局“五个一”政策影响复苏缓慢[64].本文假设民航业长期趋势不会发生结构性变化,短期内国内客运V型复苏,国际客运U型复苏[65],长期按照疫情前的趋势发展,增速逐渐放缓,国际旅客增速略高于国内旅客增速;国内客运和国际客运分别因疫情原因推后2年、4年复苏,复苏后会出现短期高速增长的“报复性反弹”(表3).

表3 未来中国民航客运周转量及变化率假设

2 受到COVID-19冲击,民航业短期波动较大,长期趋势仍然回到原来的轨迹,行业研究大多与疫情前的2019年(代表原来的轨迹起点)进行对比.因此,本为了更直观地展示疫情冲击下行业短期的波动,本研究参考行业经验,选取2019年作为参照年,但整体建模的基准年是2020年,下同.

3.2 货运周转量增长趋势

航空货运是国际国内“双循环”格局的重要部分,随着全球经济逐渐复苏,全球制造业出口需求强劲,货运航空由此迅速增长,我国航空货运量占亚洲比重近50%[66].短期内在全球范围内空运新冠疫苗预计会额外增加2%的货运周转量[67].相关专业机构[22-25,28]最新预测世界航空货运年均增长率在2.6%～4.1%,亚太地区略高于世界均值.本文假设2021年货运航空恢复到疫情前的水平,2022～ 2024年年均增长率相较行业预测高2%,中长期货运增长参照亚太地区航空货运增长预测值(表4).

表4 未来中国民航货运周转量及变化率假设

3.3 机队执飞结构

根据中国民用航空局详细分机型的机队规模及效率指标统计数据[54]可知窄体机是我国民航客运的主力,占比高达67.7%,支线客机执飞占比极少,仅为1.51%.除执飞远程洲际航线外,部分宽体机也执飞国内枢纽机场间的商务航线,据估计宽体客机执飞国内航线周转量约为24.1%,约为宽体机队的50%[45].本文假设国际航空逐步恢复正常后(即2025年及以后),机队执飞国际国内航线的结构延续往年的情况,即国内客运周转量的25%由宽体机执飞,2%由支线飞机执飞,剩下73%由窄体机执飞;国际客运周转量的50%由宽体机执飞,50%由窄体机执飞.(表5)

表5 未来中国民航客机机队执飞结构假设(%)

3.4 关键技术假设

飞机更新换代方面,按25年线性更新换代的假设,预计下一代支线飞机和窄体机于2035年服役,宽体机将于2040年服役.[41]鉴于货机发展轨迹一般是客运技术成熟后进行“客改货”且我国货机主要是窄体机与宽体机,因此本文货机的技术参数取窄体机与宽体机的平均值.考虑到国外的氢能的可用性和配套基础设施存在不确定性,且数据达不到国际主流研究精细到航线的水平,本文参考荷兰皇家航空航天中心的研究[41],假设革命性技术路径下液氢驱动的窄体机仅适用与国内航班,国际航班仍然使用传统航空煤油,全电动飞机仅覆盖国内支线市场(表6).

为确保监测视野清晰，需对法兰盘窗口内表面进行清洗.由于某些多相物料黏附性强，单独采用向法兰盘窗口内表面喷水或吹气的方法清洗效果不佳，必须结合物理刷洗方法才能有效去除遮挡视野的黏附物料.若采用常规物理方法刷洗法兰盘内表面并且要求能在容器外进行有效控制，则需在容器壁或法兰上布置穿孔，破坏了容器的密封性.对于一些容纳强酸、强碱性、有毒性物质以及内部压强与外界气压有明显差别的容器，机械式清洗机构在容器壁上的穿孔会导致容器内压力控制失败、有害气液泄露和金属机构沿孔隙开始腐蚀.

运营操作改进方面,鉴于中国在2016年底才首次成功实践CDO和COO[68],东航、南航实施率仅在20%～40%[69],本文假设所有操作运营改进措施在基准年均未实施,从2021年开始实施.基础设施提升方面,各国对其领土上方的空域拥有完全和排他的主权[70]使得空域改革和ATM只对本国境内的飞行有效,为兼顾全球航空系统组块升级(ASBU)的效益,本文参考荷兰皇家航空航天中心的研究[41]假设基础设施提升技术只对国际客运发挥50%、对货运发挥75%的效用.(表7)

表6 不同情景下机队能源强度、技术碳减排强度假设

注:上表CO2减排不包括可持续航空燃料和基础设施提升与运营操作管理,仅考虑机队更新换代,能源强度单位为kg/t·km.

可持续航空燃料方面,我国目前可持续航空燃料商业化利用率极低,多是通过HEFA技术加工油脂类的生物质燃料[71],但也掌握先进工艺的技术[72-73],本文充分考虑生物燃料渐进式的发展路径[74-76],假设2035年以前,由于成本和技术成熟优势,常规工艺在市场中占主要地位,2035年后,油脂原料受限,以废弃物为原料、以FT/ATJ工艺为代表的先进工艺市场占比逐步扩大.2050年后,得益于我国可再生能源供电结构改善,PtL零碳工艺逐步成熟并扩大市场份额.本文假设所有技术均不能实现碳捕获(即不是负碳技术);零碳工艺完全采用可再生用电,ERF为100%;其他两类工艺ERF线性增长3为与国际碳市场保持一致,本文选取CORSIA合格燃料的生命周期排放值默认值表的世界范围的平均值计算ERF,按目前50%的混合比例,参考国际分类方式,整个行业常规工艺的ERF为40%,先进工艺可持续航空燃料技术ERF为45%.,常规工艺稍慢于先进工艺.最后,参考英国可持续航空燃料路线图研究[44],可持续航空燃料的替代水平变化趋势拟合logistics曲线.

表7 不同情景O因素普及率假设(%)

表8 可持续航空燃料市场结构、ERF和替代水平假设(%)

4 民航业中长期碳减排潜力分析

4.1 民航业CO2排放趋势

图2 中国民航业CO2排放趋势

图2是不同情景下民航业中长期CO2排放趋势.冻结情景下,随着航空需求快速增长,中国民航业碳排放快速上升,呈现“准线性”排放的特征,2060年CO2排放将达到6.9亿t,是2019年的6倍、2005年的25倍,40年将累积带来174.2亿t碳排放,成为我国未来碳排放增长的重要来源.

现有政策情景下,民航业碳排放在2046年左右达峰,峰值水平约为3.5亿t,此后十年为峰值平台期,碳排放稳中略降,2060年下降至3.3亿t.该情景40年累积减排量约为63亿t,这意味着现有应对气候变化的措施能够发挥36.2%的减排效果,推动民航业实现碳达峰.

力度情景下,各项减排技术和措施协同增效,民航业有机会在2044年左右达峰,峰值水平进一步降低至3亿t,峰值平台期缩短,碳排放稳步下降,2060年下降至2亿t.该情景表明,更有力度的应对气候变化措施能进一步实现20.2亿t的累积减排量,带来11.6%的减排贡献,推动民航业提早达峰、降低峰值.

替代情景下,可持续航空燃料的减排潜力得到充分发挥,民航业达峰时间提前到2040年左右,峰值水平进一步降低至2.6亿t,峰值拐点后碳排放迅速下降,预计在2050年左右回落至2019年水平,在2060年可及近零排放(1680万tCO2).这意味着,全面部署可持续航空燃料可以进一步实现27.5亿t的累积减排量,带来15.8%的减排贡献,推动民航业迈向近零排放.

4.2 民航业减排成本分析

本文测算40年间各情景的应用总成本.如图3,冻结情景下,民航业引进新飞机与燃油消费约带来16.4万亿元的总成本.现有政策情景下,整个行业因减少使用传统化石燃料而节约了约4.7万亿元的成本.力度情景加快应对气候变化,为此相较冻结情景额外增加约1万亿元.替代和革命情景因大量使用价格较高的可持续航空燃料,由此带来巨大的成本,分别较冻结情景增加10.1万亿元、7.6万亿元.虽然革命情景低于替代情景的总成本,但下一代革命式飞机服役仍然存在着不确定性.

图3 各情景应用成本及结构

从成本结构上看,不同情景间飞机更新换代新增的成本和基础设施提升与运营操作改进措施带来的节油收益差异不大,前者的成本大致在12万亿元左右,后者的净效益大致在2万亿元左右.可持续航空燃料是影响减排效果和总成本的主要因素,替代情景下使用可持续航空燃料的成本高达16.5万亿元,总成本相较冻结情景翻一番.因此,民航业应当加快推动净收益的基础设施提升和运营操作改进,要结合实际审慎部署可持续航空燃料,统筹发展民航业碳减排技术,推进能效提升措施.

4.3 民航业中长期减排技术潜力分析

如表9,替代情景和革命情景应用总成本远远高于现有政策情景,边际减排成本远高于现在50元/t左右的平均碳价[77],而力度情景相对于现有政策情景进一步减排,仅比冻结情景新增1万亿元人民币,且只要市场碳价高于120元/t时民航业就有动力去减排.因此,力度情景更适合中国民航业未来的发展路径.

表9 各情景综合比较

实现从冻结情景到力度情景的转型,即从图4的上边界排放轨迹到下边界排放路径,民航业必须要协同推进各项减排技术和措施.

图4 中国民航业中长期减排技术路线

首先要充分发挥燃油经济性潜力.要加快引入更高效的新型飞机,不断降低全行业的能源强度,到2060年吨公里油耗下降到0.285kg,约为疫情前的水平的65.4%.飞机更新换代40年间累积36.7亿tCO2的减排量,贡献了44.1%的减排,是中长期减排的主要驱动力.其中,渐进式下一代客机是最重要的减排技术,累积减排贡献高达28.8%.由于商飞C919目录价格远低于波音737MAX和空客A320NEO[78],因此要大力支持中国商飞、中国航发研发先进动力技术与结构设计与材料集成技术,加快引入国产大飞机.

其次要加快中国空域改革,加快部署北斗导航系统,推进航班标准化CDO/COO操作,充分发挥运营操作改进措施在中短期减排的潜力,持续挖掘基础设施提升的潜能.到2035年,基础设施提升技术和操作运营改进措施累积4.1亿tCO2减排量,贡献了56.7%的减排,是民航业中短期减排的驱动力,为民航业碳排放达峰提供了有力支持.

再有要大力支持可持续航空燃料的发展,推进可持续航空燃料原料供给、生产技术、市场推广全产业链协同优化,提高可持续航空燃料的ERF,实施统一碳市场确保与传统航空煤油具有成本竞争力.到2060年,随着传统航空煤油消费比例持续下降,可持续航空燃料消费比重提升至51.5%,由此累积21.9亿tCO2的减排量,贡献了26.4%的减排.其中,先进工艺自2050年起占据可持续航空燃料的主要市场份额,40年累积贡献了60.7%的减排量,是要重点发展的可持续航空燃料技术.

4.4 不确定性分析

由于油价变化对民航业影响较大,贴现率的选取对长期情景分析结果也有较大影响,本文也对选取了不同油价和贴现率进行验证.[45]结果显示,油价对情景应用总成本的影响较大,不同情景对贴现率的敏感度较高,油价或贴现率越高,情景应用总成本越低,越有利于民航业主动减排.根据中国碳价调查[77],未来碳价20-80百分位数区间覆盖力度情景120元/t的边际减排成本.因此,在油价不明显低于75美元/t的情况下,本文研究结论是基本可靠的.

与同类研究相比较,吕继兴[79]的中国民航业碳达峰较本文早,但峰值水平相近,这是因为其研究是简化地按照线性需求增长、技术进步线性外推并就可持续航空燃料替代的绝对值进行组合,这会放大技术进步和可持续航空燃料渗透的速率.本文力度情景的T因素与O因素预期贡献与ICAO[20]和ATAG[18]的综合情景1相近.虽然F因素差异较大,但中国可持续航空燃料渗透客观慢于欧洲,另一方面,可持续航空燃料与市场机制抵消紧密相连,如果可持续航空燃料有竞争力航司就会使用可持续航空燃料,如果碳抵消更便宜,航司就会选择抵消,因此若把F因素与市场机制合并看待,本文与现有的对民航业低碳发展路径的技术潜力判断比较一致.

受限于数据的可获得性,本文只能按国内客运、国际客运、货运航空三个市场,按宽体机、窄体机、支线飞机和货运飞机四类机型进行分析,将来如有条件可进一步搜集更细致的按航线组划分的活动量数据和按具体机型划分的技术数据,引入可再生电力、低碳氢、生物质原料供给分析,将可持续航空燃料的供给与需求结合,进一步优化模型,更为精细地描述技术减排路径.

4.5 建议

中国将成全球最大航空市场已成为行业共识,要尽早制定民航业碳达峰、碳中和目标和实施路径计划,针对民航业脱碳较难、增长势头较猛、许多减排技术和措施能带来净收益的特点,尽早谋篇布局、统一规划,推动民航业走向高质量的低碳发展路径.

统筹中短期、长期与持续坚持三个时间节奏,协同推进低碳技术创新、基础设施提升、运营操作优化和替代燃料推广.中短期要加快空域改革、优化航路,加快提升国家空中交通管理水平,加快推进航司精细化管理,充分挖掘标准化高效运营操作的潜力.要加大航空低碳技术的研发、投资、推广力度,长期大力支持国产大飞机、国产航空发动机的发展,加快引进更高效、更低碳、更低成本的国产飞机.要持续推动可持续航空燃料全产业链商业化和市场化,加大向零碳转型的可再生用电供应链、氢供应链相关技术的投资力度和相关基础设施配套,避免民航业陷入高碳锁定路径.

5 结论

5.1 中国民航业将提前完成《新时代民航强国建设行动纲要》第一阶段目标,预计2060年左右人均乘机次数翻两番,达到2人次,由此带来高达6.9亿tCO2排放,是2019年的5.3倍.

5.2 现有政策会为民航业带来减排的净收益,更大力度的控排减排措施将推动民航业碳排放在2044年左右达到3亿t的峰值拐点,预计2060年控制在2亿t以内,累积减排近50%的同时仅需额外支出1万亿元左右的成本.

5.3 机队更新换代、基础设施提升和运营操作改进、发展可持续航空燃料是中国民航业中长期减排的必须依赖的减排手段.基础设施提升和运营操作改进具有负的边际减排成本,是中短期减排的“先手棋”.更高效的飞机减排效果显著,是中长期减排的持续动力.传统技术路径下,可持续航空燃料在不同情景的累积减排量在7亿t至49亿t不等(减排贡献在12%-45%之间),是决定中国民航业碳排放趋势的关键因素,直接影响峰值“拐点”出现时间和出现位置.

5.4 由于执飞远程洲际航班的宽体机难以实现燃料严格意义上的“零碳”或“负碳”,中国民航业仅依靠自身内涵式发展只能实现近零排放,要依靠外部抵消才可能实现碳中和.CORSIA已确立了抵消CO2的市场机制,可以成为民航业迈向碳中和的“兜底”措施.但抵消也会为民航业带来额外的抵消成本,有必要对中国民航业未来参与CORSIA机制的成本效益进行评估.

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Medium- and long-term carbon emission forecast and technological emission reduction potential analysis of China's civil aviation industry.

XU Ji-hui, WANG Ke*

(School of Environment and Natural Resources, Renmin University of China, Beijing 100872, China)., 2022,42(7)：3412～3424

This study develops a bottom-up energy system model of China's civil aviation industry based on the LEAP model framework, sets FROZEN, GOAL, MAX, SAF, and REVOLUTION scenarios to quantitatively analyze the industry’s driving factors and development trends, and discusses the medium- and long-term low-carbon development technological pathways. The results show that the number of flights per person is expected to quadruple to more than two by 2060, which will imply up to 690million tons of carbon emissions under the FROZEN (baseline) scenario. Under the MAX scenario, carbon emissions from China’s civil aviation industry are expected to reach a peak at around 300million tons in 2044. The cumulative emission reduction of nearly 50% over the 40 years only requires an additional cost of about 1trillion RMB (compared to the baseline). Promoting fleet replacement, accelerating infrastructure upgrading and operation improvement, and developing sustainable aviation fuels are the essential emission reduction means for the civil aviation industry, which can bring 44.1%, 29.5%, and 26.4% emission reduction respectively. In conclusion, China’s civil aviation industry should formulate the goal of "carbon peak and carbon neutrality" and its implementation plans as soon as possible: promoting the airspace reform, air traffic management, and refined airline management in the short- and medium-term, providing vigorous support to the development of domestic large aircraft, and accelerating the commercialization and marketization of industry chain of sustainable aviation fuels in the long term.

civil aviation；LEAP model；carbon emissions reduction；technological pathways；scenario analysis

X32

A

1000-6923(2022)07-3412-13

许绩辉(1996-),男,海南儋州人,中国人民大学硕士研究生,主要从事能源与气候变化经济学研究.

2021-12-23

全球能源互联网集团有限公司科学技术项目(SGGEIG00JYJS 2100049)

* 责任作者, 副教授, wangkert@ruc.edu.cn