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中国民航碳排放发展刍议

 2023-10-18 15:10:31 来源:民航资源网 作者:丛玮 林鹏  [投稿排行榜]

    绪论

    在欧盟排放交易系统助推下,民航业成为中国最先面对绝对量化减排压力的行业,促使行业走向了碳减排的最前沿。中国民航的政府部门、行业协会、航司企业充分协同,一方面内部加快推进自身节能减排,于2008年制定颁布了行业第一份节能减排规划;另一方面,积极应对欧盟碳排放交易机制,参与国际航空碳减排事务。“十一五”至“十二五”期间行业从成本导向的节能减排逐步过渡到绿色低碳发展为主题。行业燃油效率提升12.5%,充分挖掘效率空间换取发展空间。此外,中国民航积极参与国际社会碳减排事务,学习领会国际议事规则、国际标准制定过程;通过欧盟碳交易进行实操练兵,积累了相关技术储备,主要航司的碳排放量化监测起步水平较高。

    2011年中国国航实施了首次生物燃料试飞,后陆续有航司做了不同程度的尝试,实现生物燃料商业运行,其中中国石化研发并批量生产了具备自主知识产权的生物燃料(1号生物航煤),主管部门建立了航空替代燃料适航审定体系,为后续规模化部署可持续航空燃料奠定基础。2010-2020年期间,中国民航在飞机和发动机、运行优化、基础设施建设等方面投入大量资金推进节能减排、绿色技术改造。全行业机队平均机龄最低至6.47年(2018年),在全球领先;鉴于特殊的空域管理和运行环境,开辟临时航路,争取运行优化空间;出台绿色航站楼建设标准,机场改扩建设施环境评估等措施,匹配相关国家政策要求。

    COVID-19疫情对全球航空业产生重创,中国航空业也不例外。这一过程中我们观察到欧美等发达国家的航空业在碳减排、可持续发展领域迅速切换赛道,盘点、预测未来行业复苏路径的同时,大力推进可持续航空燃料、新能源飞机和发动机研发,多数国家决心2050年左右实现航空净零排放等雄心勃勃的行动计划。这给中国航空业带来了新挑战与新机遇。

    在碳排放方面,结合国家“双碳”战略,发展速度放缓可能更能有效接近和匹配“3060”目标,即运输规模和碳排放增长放缓将缩小2030年达峰的差距,增大长期技术进步接续的机会,有助于2060年碳中和目标的实现。

    此外,可辩证看待国外航空业激进脱碳步伐,目前业界普遍认可的是航空业无法依靠自身能力完全实现零碳排放,技术升级换代、可替代燃料、碳指标中和,均将带来成本增项,当所有参与者都处于同样的竞争条件下,面临同样的目标要求,则争取并获得各种措施的先发优势将成为赢得市场竞争的关键所在。同样可预见的是,当脱碳若成为共识(全社会低碳生产、消费、出行等),客户和相关利益方关注的将逐步从成本优势转向追求综合市场价值和社会价值。

    民航碳减排主要措施

    基于过去十余年的经验,全球民航业认识到碳减排主要可以从四个方面着手:飞机领域技术革新、基础设施和运行优化、可持续航空燃料、基于市场机制的碳减排。

    其中前两者是伴随航空制造业技术发展的长期努力方向;可持续燃料是应对气候变化、行业脱碳发展背景下的新生事物,此背景也进一步推进航空制造业转型升级的步伐,特别是采用新能源的发动机和新型飞机设计,如电动推进、混合动力;市场机制措施则是在前三者技术发展过程中的补充手段。

    碳市场减排措施的内涵是,在技术减排(包括飞机、发动机、燃料、运行等)不足以达到某时间阶段减排目标情况下,通过碳市场交易弥补航空业实际排放与减排目标之间差距,同时也将平衡行业内不同排放主体之间减排效能的差异。

    (一)飞机领域技术革新

    飞机的燃油效率提高主要是通过改善发动机性能、改良机身设计、应用新材料等举措实现,从而实现减少整机重量、提升整机飞行性能等目标。

    各机型每吨公里碳排放率(2016-2019均值)

    利用2016-2019年的历史数据,对国内主要使用的各机型的每吨公里碳排放进行排序展示。数据表明,机型越大每吨公里的碳排放越低,充分反映了大机型的运输效率高于小机型,当然具体情况也有所区别,较突出的潜在因素是和机型匹配的市场有关。如大机型往往投入在远程运输航线,当然每个机型也有其经济的运输距离区间,低于和高于该区间,吨公里碳排放会升高。

    全新概念的飞机尤其是动力来源革新,如电动、混动、氢动力等将迎来突出的发展机遇。虽然这类技术现阶段仍在早期探索或试验阶段,但在民航业双碳背景的持续影响下已经如雨后春笋般蓬勃发展。部分小型电动飞机(10座级)已经投入商业载客飞行,虽然它们为航空业整体脱碳的贡献微乎其微,但这种探索为较大的商业客机(<30座级)提供探索路径和技术支撑。

    目前看来,在2050年前传统飞机和发动机仍然占有绝对比重,电动、氢动力飞机的研发依然任重道远。

    (二)基础设施和运行优化

    相较于飞机领域的技术革新,基础设施和运行优化的实现难度较小。运行效率的提升也是民航业持续努力的方向。基础设施和运行优化可以围绕航空公司、机场和空中交通管理等三大主体分别开展。

    —航空公司

    伴随着新技术的发展,航空公司正在不断尝试探索绿色发展新方案,从空中到地面、从场内到场外、从运行到管理,逐步丰富各类减排举措,积极践行绿色发展模式。以中国南方航空股份有限公司为例,在其2022年度社会责任报告中指出,目前南航已经将绿色发展融入到生产经营全过程,从空中、地面和旅客等环节持续发力,切实有效地降低了二氧化碳的排放量。例如在空中,可以减轻飞机重量、优化飞机性能、推进全流程数字化节油、分析航路优化方案等;在地面,可以引入新能源车、推进建筑节能;在餐食方面,提倡“按需用餐”等。

    —机场

    在行业层面,机场运营的减排效益反映在两个方面:机场自身和航班运行。

    机场自身的排放主要源自航站楼、飞行区和办公建筑附属设施等运行能源消耗产生的排放,其中以航站楼和飞行区为主。通过常见的节能技术、清洁能源的引入可以产生较显著的减排效果。

    采样机场2019年用电量数据

    从部分机场的采样结果可以看出:机场业务量与能源消耗有较强相关性。对于电力消费带来的间接碳排放,建议机场可以发挥区域土地资源优势,利用光伏等新能源发电进行部分替代,从而推动低碳机场建设。

    飞行区的运行优化主要在于减少航班地面滑行乃至延误时间,通过机场协同决策平台,与航空公司、空管等建立良好的多方协同机制,采用高级场面活动引导与控制等优化技术,减少机场场面拥堵,最终实现减少燃油消耗达到降低碳排放的目的。

    —空中交通管理

    空中交通管理是整个航空运输系统的中枢,在运行环节起到至关重要的作用。伴随航空运输的发展,空中流量的不断增加为空中交通管理带来越来越大的压力和挑战。经过多年的持续创新,空中交通领域也提出了一系列改进措施和革命性技术。基于性能的导航和所需性能导航已较为普遍运用,它使用卫星导航技术增强导航轨迹,提高空域容量、安全性和环境性能,特别是优化了航班进离场路线,比较显著地节省燃油消耗减少排放,同时也降低了噪音对机场周边的影响。

    此外,基于四维航迹的运行、连续爬升/下降、星基导航、灵活/自由航路(临时航线)等也是现有较为成熟技术和策略,有待大范围推广使用。

    (三)可持续航空燃料

    2009年,ICAO召开第一次航空与可替代燃料会议 (Conference on Aviation and Alternative Fuels, CAAF)。会议认识到可持续代用燃料有望成为减少航空二氧化碳排放不可或缺的一个部分,国际民航组织和全球航空业界自此在替代燃料领域开始广泛深入探索。2017年,ICAO又召开过第二次航空与可替代燃料会议。

    2019年,国际航空碳抵消与减排机制(CORSIA)启动实施,可持续航空燃料 (SAF)作为促进国际航空碳减排的重要手段之一,在CORSIA机制中量化报告。为保证SAF量化的标准一致性,ICAO燃料工作组编制了一系列技术文件,建立可持续性标准、认证方案、生命周期评估标准和方法学等,这些文件被《芝加哥公约》附件16第四卷引用,是CORSIA实施的技术性要求。这些标准包括《CORSIA合格燃料的可持续性标准》《CORSIA可持续性认证方案的资格框架和要求》《CORSIA已批准的可持续性认证方案》《CORSIA合格燃料的缺省生命周期排放值》《CORSIA实际生命周期排放值计算方法学》,形成了一个有机的、层层支撑的标准体系。

    (四)基于市场机制的碳减排措施

    国际航空碳抵消与减排计划 (CORSIA)是国际民航组织协同各成员国及相关非政府组织达成的一项航空业基于市场机制的全球减排措施。该措施期望通过国际多边合作形成一种全球航空业统一的减排机制,以避免各区域、各国家建立各自不同的针对国际航空运输的减排政策,减少不同区域市场竞争扭曲,且兼顾国际民航组织各成员国的特殊情况和能力。

    国际航空市场减排机制制定伊始,减排目标主要锚定行业年均燃效提升2%和自2020年行业碳排放中性增长两个目标,后者是机制设计的关键目标,即今天大家熟悉的词汇“碳中和”,通过购买行业外碳减排指标抵消本行业与既定基准年增长的碳排放。

    严格意义上自2020年开始,全球国际航空飞行碳排放比2020年增长的部分都需要通过外部碳减排指标进行抵消,才能实现“碳中和”目标。当前最新的CORSIA规则显示,以2019年全球国际航空飞行活动碳排放为起点,至2035年按国家收益吨公里(Revenue Tonne Kilometres,RTK)排名累计90%的国家,它们之间的排放需要进行抵消。由此可见,CORSIA并未覆盖严格意义的所有国际航空飞行活动,主要考虑一些微小、落后的国家其航空运输尚未发展,且考虑全面治理的管理成本、相关方的技术能力水平等。

    CORSIA 分三个阶段实施:试验阶段(2021-2023 年)、第一阶段(2024-2026 年)和第二阶段(2027-2035 年)。前两个阶段 (2021-2026)以国家为单位自愿参与。2027-2035年,2018年国际航空RTK占比0.5%以上的国家,或各国RTK降序排列累计占比90%以上的国家需参与(最不发达国家、小岛屿发展中国家和内陆国发展中国家仍自愿参加)。截至 2023 年 1 月 1 日,已有 115 个国家宣布有意参加 CORSIA。

    结合上文减排目标,即便在自愿期没有参与CORSIA,并未实施CORSIA既定减排目标的飞行活动,在2027年后加入CORSIA机制后,其需要按规则抵消自2019年以来的排放增量。因此,从最终目标来看,CORSIA实现的是在目标年完成既定范围的碳抵消。

    未来展望

    三年疫情对全世界政治、经济、能源格局是里程碑式的洗礼。一方面疫情在经济层面对各国的政府部门、企业部门、居民部门产生了较大的影响;另一方面无论是传统能源还是新能源的供给结构发生了巨大变化,直接影响并加强了碳减排、脱碳、摆脱旧能源供给约束。航空业未来的发展环境一定是在全球应对气候变化和可持续发展的主题下进行。在此背景下,中国航空业需同样需要深刻思考,转变观念,在未来,我们分别从技术与机制层面提出了对应的建议措施。

    01

    在新技术应用层面,建议考虑:

    在飞机设计与材料方面,采用轻质、高强度的复合材料和先进的空气动力学设计,提高飞机燃油效率;研究高效低排放的航空发动机,降低燃油消耗和碳排放;研发电力驱动技术,通过电池或氢燃料电池为动力的飞机,实现零碳排放飞行;开发可持续生产的航空生物燃料,替代部分化石燃料;使用大数据、人工智能等技术分析航迹与空域结构的适配性,提升航班运行效率;采用可再生能源和节能技术为机场运营提供清洁能源,降低地面设施的碳排放;研究在民航业应用碳捕获和储存技术,以减少碳排放。

    02

    在体制机制层面,建议考虑:

    制定相关政策和法规,行业层面建立长期战略规划,明确减排目标,鼓励航空公司、机场、空管等单位积极采取措施降低碳排放;探索建立碳排放权交易平台,通过市场机制促使相关方降低碳排放;提供研发资金支持,推动航空技术创新,如新型能源、高效率飞机设计等;加强全球范围内的交流与合作,共同应对气候变化挑战,推广低碳技术和管理经验;推行绿色采购以及优先选择低碳产品和服务的政策,促进低碳消费;定期对航空产业的碳排放进行评估和审查,鼓励企业公开碳排放数据,确保减排目标的实现。


    原文发表于《中国民用航空》 2023年10月刊。

    作者简介:

    丛 玮飞友科技有限公司

    林 鹏 绿航时代(北京)科技发展有限责任公司

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