楊曉軍　何虹霖

近些年來，氣候變暖、減碳已成為全球共識。2016年各國在紐約簽署的《巴黎協(xié)定》為2020年后全球應(yīng)對氣候變化行動作出了安排，長期目標(biāo)是將全球平均氣溫較前工業(yè)化時期上升的幅度控制在2℃以內(nèi)，并努力限制在1.5℃以內(nèi)，而要實現(xiàn)1.5℃的目標(biāo)，需要2030年的排放比2010年削減45%，并在2050年前實現(xiàn)碳中和。

在此背景下，各國紛紛宣布了自己的碳中和目標(biāo)。歐盟委員會于2021年7月14日提出“Fit for 55”法規(guī)與政策一攬子提案，確保歐盟溫室氣體凈排放量在2030年減少55%，在2050年實現(xiàn)碳中和。在航空方面，將逐漸取消免費的碳排放配額，鼓勵使用可持續(xù)航空燃油，并要求航空燃油供應(yīng)商在歐盟區(qū)域機(jī)場供應(yīng)的航空燃油中增加更高比例的可持續(xù)航空燃油。

2020年12月12日，習(xí)近平總書記在氣候雄心峰會上宣布中國國家自主貢獻(xiàn)一系列新舉措，即到2030年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重將達(dá)到25%左右，森林蓄積量將比2005年增加60億立方米，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億千瓦以上。

中國航空制造與運輸業(yè)作為國內(nèi)眾多排碳行業(yè)的一員，應(yīng)當(dāng)自覺響應(yīng)國家減碳行動的號召，努力為國家節(jié)能減排作出自己的貢獻(xiàn)。本文從雙碳背景和最新的國際綠色發(fā)展形式出發(fā)，探討其對中國航空制造與運輸業(yè)的影響。

減碳的關(guān)鍵在“控油”

2019年，中國航空制造與運輸業(yè)的碳排放量達(dá)到了1.16億噸，大約占了全國二氧化碳排放總量的1%。隨著新能源汽車的推廣普及，鐵路行業(yè)電氣化率達(dá)到100%，預(yù)計到2060年，公路和鐵路行業(yè)都有望實現(xiàn)零排放。但民航業(yè)的發(fā)展速度快，而且飛機(jī)電動化、綠色航空燃油等技術(shù)受到安全性和經(jīng)濟(jì)性的制約，很難實現(xiàn)突破，預(yù)計到2060年，航空運輸業(yè)的能耗將是2019年的3倍，在交通運輸業(yè)碳排放所占比例將會上升到87.4%。

那么中國民航碳排放的源頭在哪兒？

民航業(yè)二氧化碳的主要排放源為航油燃料燃燒所產(chǎn)生的碳排放、機(jī)場單位所產(chǎn)生的碳排放、航空公司地面服務(wù)所產(chǎn)生的碳排放以及空管和其他民航企事業(yè)單位所產(chǎn)生的碳排放。航油燃料在燃燒的過程中能產(chǎn)生的廢氣有CO????2、NOX、CO、SOX等，其中CO????2占總排放氣體的70%左右。約有10%的發(fā)動機(jī)廢氣直接排放于地面，被視為機(jī)場當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量污染，而其余90%的發(fā)動機(jī)廢氣排放于高空，被視為溫室氣體排放。

從表2可以看出，航空公司的燃油對于碳排放就“貢獻(xiàn)”了94%的占比。由此可見，如何減碳的關(guān)鍵在于如何“控油”，即如何提高燃油效率，并提高清潔能源使用量。

面臨的壓力與挑戰(zhàn)

2016年10月，國際民航組織（ICAO）第39屆大會通過了具有歷史意義的國際航空碳抵消和減排計劃（Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation， CORSIA），要求航空公司以2019年的排放水平為基準(zhǔn)，抵消任何超過排放基準(zhǔn)的碳增長。

CORSIA在初期（2021-2026）采取自愿原則，各國自愿決定是否參與CORSIA，但從2027年開始，所有成員國都必須參與，并且2030年之后將逐漸過渡到依據(jù)航空公司的個體增長率計算減排責(zé)任，這就給中國等快速增長的發(fā)展中國家?guī)砹瞬还降臏p排責(zé)任，在機(jī)制設(shè)計上容易造成市場扭曲。因為供給缺少彈性，需求端的所有沖擊的影響都落在價格上，會導(dǎo)致價格波動過大，對企業(yè)等經(jīng)濟(jì)主體的經(jīng)營規(guī)劃可能帶來大的沖擊。

從更大的視角看，實現(xiàn)碳中和，最根本的手段還是技術(shù)創(chuàng)新下的能源革命，意味著需要通過科技研發(fā)實現(xiàn)正的外部性，但航空科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不確定性很大，必須有國家的長期支持才有可能實現(xiàn)突破。我國面臨的挑戰(zhàn)有二：

一是我國民機(jī)產(chǎn)業(yè)正處于高速發(fā)展階段。2017年ICAO通過了航空器二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，要求2020年后新型號飛機(jī)必須滿足排放標(biāo)準(zhǔn)要求，正在生產(chǎn)中的航空器須自2023年起滿足其相關(guān)的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，這無疑將進(jìn)一步增加我國航空器進(jìn)軍國際市場的難度。因此，低碳環(huán)保水平將成為我國大飛機(jī)能否走向世界市場的關(guān)鍵條件之一。

二是可持續(xù)航空燃油的應(yīng)用已經(jīng)在國外航空業(yè)如火如荼地開展，ICAO主導(dǎo)下的可持續(xù)航空燃油的可持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)、審定機(jī)制以及全生命周期計算方法都日趨完善，而我國受限于原材料和市場需求的不足，一直沒能在低碳和負(fù)碳燃油技術(shù)研發(fā)上有所突破，在碳中和背景下，需要在政策機(jī)制到位情況下迅速開展相關(guān)研究。

減碳的成就和目標(biāo)

作為世界第二大航空運輸大國，我國正積極參與國際民航組織針對氣候變化與控制航空排放的相關(guān)政策和標(biāo)準(zhǔn)的制定，并在實踐中取得了可喜的成績。

2020年，中國民航噸公里油耗為0.316公斤，與2005年比較（行業(yè)節(jié)能減排目標(biāo)基年）下降了7.1%?？偣灿?8.97萬架次航班使用臨時航路，縮短了飛行距離1232萬公里，節(jié)省燃油消耗6.65萬噸，減少二氧化碳排放約20.95萬噸。

2021年3月，中國民航局印發(fā)《關(guān)于“十四五”期間深化民航改革工作的意見》，在“形成民航綠色發(fā)展的機(jī)制制度”中明確提出圍繞國家雙碳目標(biāo)制定民航“低碳發(fā)展中長期路線圖”和“綠色民航標(biāo)準(zhǔn)體系”。同時鼓勵航空公司積極使用可持續(xù)航空燃油，并建立基于市場的民航節(jié)能減排機(jī)制。

減碳新技術(shù)

航空制造與運輸業(yè)要想減碳，實現(xiàn)碳中和，在體制機(jī)制的設(shè)計之外，最為根本的是通過研發(fā)顛覆性技術(shù)來減少二氧化碳排放。

在飛機(jī)技術(shù)方面，目前最有希望也最被看好的是通過設(shè)計新型氣動布局和新材料的應(yīng)用，來減少二氧化碳排放。目前，該方向主要聚焦在桁架支撐翼、翼身融合、雙氣泡機(jī)身、連接翼等幾種主要的新概念布局，并已陸續(xù)進(jìn)入技術(shù)驗證階段。

所謂桁架支撐翼，就是在機(jī)翼底部的機(jī)身處設(shè)計安裝一個主支撐結(jié)構(gòu)，并通過一個或多個輔助支撐結(jié)構(gòu)與機(jī)翼相連，從而對機(jī)翼起到支撐作用。該布局能夠有效解決傳統(tǒng)懸臂梁式機(jī)翼因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣動彈性等約束問題而導(dǎo)致翼展受限的問題，從而大幅度增加飛機(jī)機(jī)翼的展弦比，并有效地提高燃油效率。該技術(shù)有望在2030年前投入市場，并且能夠帶來至少10%的碳減排收益。

翼身融合氣動布局是指機(jī)翼和機(jī)身高度融合的全升力面飛機(jī)外形，在相同負(fù)載的情況下，翼身融合外形能夠減小飛行中的摩擦阻力，提高燃油和飛行效率，在減排方面能夠減少碳排放量20%左右，若配合節(jié)能減排的發(fā)動機(jī)技術(shù)或清潔能源技術(shù)，減碳效果能夠提高到50%以上。

對于翼身融合的研究，國內(nèi)外都在開展，比如NASA和波音聯(lián)合啟動了X-48項目，并先后推出了X-48B和X-48C兩款翼身融合布局設(shè)計的無人駕駛驗證機(jī);2019年，荷蘭皇家航空公司（KLM）與代爾夫特理工大學(xué)合作共同研發(fā)了“Flying-V”翼身融合體飛機(jī);在國內(nèi)，一批企業(yè)和高校也陸續(xù)開展了大量的研究。

除了在氣動布局上做改變，材料方面的改進(jìn)也是一項很重要的碳減排項目。在“雙碳”背景下，人們正致力于研究新型材料在飛機(jī)上的應(yīng)用，以滿足綠色航空發(fā)展的要求。比如，希望通過飛機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)重量的減輕來達(dá)到碳減排的效果，一些新型輕質(zhì)材料（復(fù)合材料、蜂窩狀材料以及碳納米管等等）的設(shè)計就顯得尤為重要;為了使飛機(jī)能夠在不同工況下達(dá)到最大減排效果，智能材料（形狀記憶合金、壓電材料等等）就能發(fā)揮其最大的用途;還有通過提高部件效率而設(shè)計的高溫材料（鎳基高溫合金、復(fù)合材料）等。

在發(fā)動機(jī)技術(shù)方面，全球航空業(yè)對于發(fā)動機(jī)技術(shù)革命性創(chuàng)新的研究，已經(jīng)開展了很多年。其中有創(chuàng)新型外觀的開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī);有加入齒輪減速器的齒輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī);也有改變傳統(tǒng)熱力循環(huán)的中冷回?zé)岚l(fā)動機(jī);還有具備變循環(huán)工作特性的自適應(yīng)變循環(huán)發(fā)動機(jī)等等。這些發(fā)動機(jī)技術(shù)都具有一個優(yōu)勢，就是能夠減少二氧化碳的排放。

開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)，可以看作是帶有先進(jìn)高速螺旋槳的渦槳發(fā)動機(jī)，也可以看作是去除外涵道的超高涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，因此又稱槳扇發(fā)動機(jī)，或者無涵道風(fēng)扇發(fā)動機(jī)。其兼具渦槳發(fā)動機(jī)的高推進(jìn)效率、低燃油消耗以及渦扇發(fā)動機(jī)的飛行速度大等優(yōu)點，所以開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)能夠在較高的飛行速度下保持較高的推進(jìn)效率。同時，該發(fā)動機(jī)還不受短艙重量和阻力增加的制約，因此可以選用超大的涵道比（30～90），而涵道比越大，推進(jìn)效率越高，碳排放量就會越低，因此相對于傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動機(jī)和渦槳發(fā)動機(jī)，開式轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)在節(jié)能減排方面比傳統(tǒng)民用航空發(fā)動機(jī)更具有優(yōu)勢。

新能源革命

在革命性的飛機(jī)技術(shù)和發(fā)動機(jī)技術(shù)之外，還有一種減排的技術(shù)方案——新的清潔能源。目前，清潔能源的研究大致集中于氫能、電推進(jìn)和可持續(xù)航空燃料（SAF）。

現(xiàn)階段，氫能推進(jìn)技術(shù)最受關(guān)注的兩項技術(shù)就是氫渦輪和氫燃料電池。

氫渦輪一般分為氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)和氫渦輪電動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)兩種形式。前者的結(jié)構(gòu)與目前民用航空渦輪發(fā)動機(jī)的構(gòu)造基本相同，基本原理就是氫燃料在燃燒室內(nèi)燃燒，產(chǎn)生壓力推動渦輪并帶動風(fēng)扇產(chǎn)生推力;而后者則是通過渦輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，然后利用電能來驅(qū)動電機(jī)帶動風(fēng)扇，從而產(chǎn)生推力。

氫燃料電池也是一種能夠?qū)崿F(xiàn)低碳排放的動力裝置。與氫渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)相比，氫燃料電池內(nèi)部的氫氧電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境純凈，基本不會產(chǎn)生水蒸氣凝結(jié)核，因此其能夠在極大程度上減少尾跡云的形成問題。但存在一個問題是氫燃料電池的能量密度不足，因此存在壽命短、輸出功率不足等問題，導(dǎo)致其不能用于遠(yuǎn)距離航空運輸。

說到電力驅(qū)動，人們首先想到的是全電動的概念。所謂的全電動，是指電池作為飛機(jī)上唯一的推進(jìn)動力源，由電池向電動機(jī)供電，驅(qū)動其帶動風(fēng)扇或螺旋槳轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生推力。理論上說，全電動飛機(jī)可實現(xiàn)二氧化碳零排放，是一種極好的清潔能源。但實際上存在很多問題難以解決，比如電池能量密度不足的問題;還有就是安全問題，目前有很多新聞報道了電動汽車由于電池安全問題自燃的情況發(fā)生，若是安全問題沒有得以解決，就更別提能在航空領(lǐng)域應(yīng)用全電技術(shù)了。

全電動暫時行不通，混合動力或是一種替代方案。所謂混合動力，即由燃?xì)鉁u輪提供推力的同時向電池充電，電池再向電動機(jī)供電，利用電動機(jī)來帶動風(fēng)扇或螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生推力。這種方案下的發(fā)動機(jī)不僅涵道比可以提高到18左右，還始終能夠在最佳工況點附近工作，因此其兼具效率高和減碳性能好的優(yōu)點。該混合動力發(fā)動機(jī)在燃?xì)鉁u輪工作模式下，其燃油消耗率可減低28%左右;而在電力工作模式下，可實現(xiàn)二氧化碳零排放。

可持續(xù)航空燃料，英文全稱是Sustainable Aviation Fuel，簡稱SAF，其燃料的來源大都是些非糧食作物、廢棄物、可再生電力以及從空氣中去除的二氧化碳等。該技術(shù)已在民航業(yè)試用多年，但因成本較高等原因，短期內(nèi)無法大規(guī)模推廣。

改進(jìn)運行環(huán)境

新技術(shù)和新能源研發(fā)的成功，并不意味著碳減排技術(shù)工作的結(jié)束。新技術(shù)和新能源的應(yīng)用，需要新的政策和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)來支撐，通過對飛機(jī)運行環(huán)境的改進(jìn)，來適應(yīng)民航綠色新技術(shù)的發(fā)展，這才是一個完整的減碳技術(shù)鏈。

在航空公司方面，各大航司應(yīng)密切關(guān)注國際上各大環(huán)保策略，并針對新技術(shù)的引入，制定合適的排放額管理制度，實現(xiàn)我國民航碳資源的合理分配和利用。其次，航司應(yīng)多引進(jìn)環(huán)保節(jié)能機(jī)型，淘汰老舊高耗油、高排放的飛機(jī)，并對航路進(jìn)行合理優(yōu)化，通過縮短飛行航程和飛行時間來實現(xiàn)降低油耗和減少碳排放。

在空中交通管制系統(tǒng)方面，應(yīng)不斷研發(fā)先進(jìn)的通信、情報、導(dǎo)航和監(jiān)控技術(shù)，從而提高空管的指揮和管理水平，減少飛機(jī)的空中擁堵、空中等待和地面等待時間，縮短飛機(jī)地面滑行時間和進(jìn)離港航線距離?？展懿块T還應(yīng)適時優(yōu)化空域結(jié)構(gòu)，緩解繁忙空域的飛行壓力，以便在最大程度上降低飛機(jī)在空中盤旋等待時的燃油消耗和不必要的碳排放。

在機(jī)場設(shè)施和服務(wù)建設(shè)方面，應(yīng)針對不同的新機(jī)型和新技術(shù)，考慮低能耗方案，設(shè)計與之匹配的候機(jī)樓、停機(jī)坪和跑道等基礎(chǔ)設(shè)施，在確保新技術(shù)飛機(jī)能夠商用的同時，減少航班進(jìn)出港時在地面的滑行等待時間，從而減少碳排放量。同時，還可以盡量利用地面電源和空調(diào)設(shè)備代替飛機(jī)APU（輔助動力裝置），以減少APU在地面運行時的碳排放。

在政策方面，應(yīng)鼓勵加大低碳技術(shù)研發(fā)的投資力度，促進(jìn)低碳技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用，推動以企業(yè)為主體、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的低碳技術(shù)創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化體系建設(shè)。

結(jié)合上述技術(shù)與政策、運行環(huán)境的改進(jìn)，航空制造與運輸業(yè)必能適應(yīng)“雙碳”背景下的時代潮流，為應(yīng)對氣候變化作出自己的貢獻(xiàn)。（本文圖片由宋楊提供）