如何减少飞机的碳排放

文｜韩舒淋

可持续发展正在成为国际航空业最关心的问题。

根据巴黎航展期间益普索（Ipsos）代表GE航空航天（GE Aerospace）做的一项调查表明，76%的受访者认为可持续发展从根本上改变了航空业运作模式，30%的受访者认为实现航空业可持续发展是重中之重，远超供应链（19%）和劳工问题（11%）。

根据IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）在2022年发布的第六次评估报告，新冠疫情前的2019年，全球航空领域温室气体排放占总排放的1.8%，约为10.6亿吨二氧化碳当量，其中国际航空占1.1%，国内航空占0.7%。

航空碳排放的总量尽管远比不上电力、工业等排放大户，但减排压力并不小。2021年，国际航空运输协会（IATA）在其77届年会上批准了2050年实现净零排放的决议，大幅提高了之前较2005年减排50%的目标。2022年10月，国际民航组织（ICAO）确立了长期气候目标，在2050年前实现国际航空业务净零排放。

益普索的调查显示，46%的受访者认为航空业能实现其2050年净零碳排放目标，但也有32%持否定意见，22%表示不确定。整体来看，受访者普遍认为这一净零目标预计将在2055年实现。成本上涨、财政压力、供应问题和能源短缺是影响这一目标达成的主要因素。

航空业面向全球市场，国际航班也是航空排放的大头。在减排机制上，离不开各国的通力协作，减排机制的确立也免不了各方博弈，此外还需综合统筹发展和减排的关系。国际民航组织在2016年提出“国际航空碳减排及抵消机制”（CORSIA），成为推动未来全球国际航空减排的基础机制，欧洲航空碳市场的改革，也与CORSIA相匹配。但目前，出于种种考虑，中国尚未表态是否参与CORSIA。

在减排技术上，可持续燃料（SAF）是中短期最有效的减排技术，预计到2050年将贡献65%的航空减排。此外，发动机的节能提效，并配合可持续燃料技术的应用也必不可少，在远期，电动飞机、混动飞机、氢能飞机也将是可选的技术。还有无法减排的温室气体，也离不开碳捕捉储存利用技术（CCUS）的发展。

减排机制和技术创新，正在从不同维度重塑航空业的未来。无论是购买合格排放单元，还是使用可持续航空燃料，都将推高航空公司的运营成本，在碳中和的全球趋势下，这将是所有航空业界共同面临的挑战。

根据国际民航组织（ICAO）的预测，如果不采取任何措施，到2050年国际航空温室气体排放量可能增至9.5亿吨左右，约为2019年的1.6倍。

为了促进减排，国际民航组织在2016年通过了两份决议，采用“国际航空碳抵消及减排机制”（CORSIA），希望通过市场手段实现2020年后国际航空碳排放零增长（CNG2020），从2021年起，国际航空碳排放增长部分需要购买相应的合格排放单元或采用可持续航空燃料（SAF）抵消。

根据国际民航组织决议的安排，2018年6月起，国际民航组织开放CORSIA合格减排单位评估申请，2019年1月1日起，全球航空公司开始实施碳排放监测、报告与核查（MRV），为CORSIA的运行建立数据基础。CORSIA的运行分为三个阶段，2021年-2023年为试行阶段，2024年-2026年为第一阶段，2027年-2035年为第二阶段。试行阶段和第一阶段国家和航司可以自愿参与，从2027年开始的第二阶段将变为强制参与，只有最不发达国家、小岛和内陆发展中国家可以豁免。

根据国际民航组织的数据，截至2022年底，已经有115个国家加入了CORSIA，中国尚未声明参加自愿阶段，但仍需提交监测报告。2018年国家民航局发布了《民用航空飞行活动二氧化碳监测、报告和核查管理暂行办法》，自2019年至今国内航司均开始监测报告工作。

CORSIA的机制下，每个履约周期为三年。在这三年内，航空公司的排放增量，需要购买合格排放单位或采用可持续燃料（SAF）来抵消。2020年，中国核证减排量（CCER）获批成为可适用于CORSIA试运行阶段（2021年-2023年）的减排机制。

CORSIA属于碳抵消机制，与配额制碳市场有本质不同。长期从事航空可持续工作的绿航时代创始人林鹏对《财经》记者表示，配额制碳市场由权威主体（通常是主权国家或强法律约束区，如欧盟）设计规则，通过发放具有有价证券属性的碳排放配额实现控排目标，控排主体可以利用金融市场管理其排放风险。

而CORSIA的制定者国际民航组织没有发行配额的强法律权力，因此CORSIA没有采用配额制，而选择了碳抵消机制。

在减碳政策设计上领跑全球的欧洲，其俗称“碳关税”的碳边境调节机制（CBAM）的立法进程备受国内关注。2023年4月，欧盟理事会投票通过了这一机制，事实上，这一天还有另外三个欧洲碳政策相关的关键法案一同获得通过，其中就包括航空业相关碳市场规则的修订。

在CORSIA当前的试行阶段，中国尚未加入。对此，曾作为CORSIA工作组专家的林鹏对《财经》记者表示，当前内外部条件的变化，中国要重估是否加入CORSIA。

林鹏介绍，在CORSIA规则的制定过程中，核心的争论有三点：

一是减排目标，早期提出2050年比2005年减排一半、2020年之后碳排放不增加的目标，对于正处于快速发展期的中国航空，因基数低，航空客运量、人均乘机次数都和欧美发达国家有较大悬殊，重点考虑发展阶段的不均衡性，发展中国家多不同意这个目标。

第二是减排责任分配机制。根据CORSIA机制设计，各航空公司每个考核周期需抵消的排放量包括行业增长和个体增长两个部分，行业增长是全行业的增长，个体增长是单个航空公司的增长。

最初的方案里，个体增长权重在2033年-2035年考核周期最终将达到70%，快速增长的航空公司远期将承担更重的减排责任，而2022年ICAO大会修订该比例为15%。

换言之，调整后的方案在远期的责任分配机制中采用了更高的行业增长权重，将减排责任更多地均摊到所有航空公司，这将大大缓解高增长航空公司的减排负担。

第三是用什么可以抵消排放量。航空公司可以购买合格排放单位来抵消碳排放的增量，在2019年首次评选的合格排放单位中，CCER获批成为CORSIA试运行阶段适用的减排机制，理论上使得国内航空公司可以通过购买CCER来抵消碳排放的增量。

现实中，首轮评估的合格排放单位仅适用于CORSIA试行阶段（2021年-2023年），且要求合格排放单位在2016年后签发的减排项目。中国2017年暂停新的CCER项目签发，预计2023年重启。届时，CCER需要重新参加CORSIA合格指标评估。

而随着国际航空减排机制的调整，以及国际航空市场出现新的变化，林鹏认为，近年来外部环境变化显著，现在有必要深入重估中国航空市场化碳减排战略方向和路径，主要从四方面考虑。

第一，国际航空市场的变化。经历新冠疫情冲击，国际航空市场迄今都还未恢复到疫情前的状态，叠加地缘政治等因素影响，未来国际航空市场面临很大的变量。全球化进程受阻，全球格局正在演变中，将直接影响国际航空市场结构和增长趋势。从需求角度看，国际航空增长斜率势必放缓，中短期的减排压力有所缓解，且增加中长期技术进步衔接的机会，为发展自主减排技术提供更多时间和空间。

第二，鉴于CORSIA责任分配机制的调整，个人增长权重从70%调整到15%，结合第一点，将大幅降低中国航空公司的减排压力。结合CCER重启，中国有充足可用的碳抵消指标，借助航空推动CCER国际化，提升中国碳指标的国际信用，彰显中国航司积极减排的国际形象，二者均可较容易地赢得国际互认。

第三，面对欧盟碳市场改革的加码，顺势加入CORSIA，可有效避免中欧航线及欧盟成员国间排放被欧盟碳市场管辖，此举在控排力度和碳指标价格上均有显著降低。即使面对欧盟未来进一步改变规则的可能，仍有众多CORSIA参与国作为共同利益方协同应对。

航空业的碳排放主要来自燃料燃烧产生，占航空运输业排放量的79%。因此，减排潜力最大的就是将燃料从航煤油替换为不产生新增温室气体排放的可持续燃料（SAF）。

根据国际航空运输协会（IATA）的测算，为了实现2050年净零排放，航空业在2046年-2050年面临81.64亿吨碳减排量的远期目标，其中可持续燃料将贡献65%。

据北大能源研究院在2022年发布的《中国可持续航空燃料发展研究报告》，可持续燃料之所以“可持续”，是因为从全生命周期来看，其原料(如废弃的生物质)在生长过程中或者合成过程中所吸收的CO2要超过其在使用过程中所排放的CO2；同时，其原料也不与粮食作物或水供应竞争，也不造成森林退化或生物多样性方面的损失。

在认证方面，业内最广泛使用的标准是美国材料与实验学会（ASTM）的ASTM-D7566标准，只要通过这一标准认证，就认为可以与目前的航煤油直接掺混，不需要对发动机和基础设施做任何改造。

生产可持续燃料的原料包括废油脂、农林废弃物、城市废弃物及非作物粮食等，还可以通过氢气和碳捕捉的二氧化碳以合成办法来制造。

根据国际航空运输协会的测算，SAF的需求将从2020年的5万吨增长到2025年的630万吨，到2050年将达到3.58亿吨。

在中国，《“十四五”民航绿色发展专项规划》提出力争到2025年可持续航空燃料消费达到5万吨。

截至2021年10月，被ASTM认定的SAF技术路线有九条。其中最广泛应用、当前商业化最成熟的是酯类和脂肪酸类加氢工艺（HEFA）。

这一工艺主要用油脂作为原料，也是目前绝大部分可持续燃料采用的技术路线，它的原材料可以是餐饮废弃油，因而可以通过“地沟油”来制备航空燃料。早在2011年，中国国航就使用中石油和霍尼韦尔UOP（霍尼韦尔特性材料和技术集团）合作生产的航空生物燃料在首都机场实施了中国首次航空可持续生物燃料验证飞行。

另一种主要的技术路线为费托合成（G+FT），将含碳材料以合成气的形式分解为不同单元，再组合成航空燃料。这一工艺最初是将煤炭、天然气等化石燃料转化为液体燃料和其他化工品。

第三是醇喷合成路线（AtJ），将醇类物质通过脱水、低聚、加氢转化及蒸馏等工艺转化为航空燃料。制备醇类物质可以有多种来源，如玉米、甘蔗等农作物。

值得一提的是，为了确保燃料本身的可持续，这一技术路线要其原料不影响粮食供应。霍尼韦尔UOP中国市场业务拓展经理卢静介绍，CORSIA在评价SAF降碳能力时，两条关键的指标是不与粮食争地、不与人类争粮食。在中国，由于粮食供应并不富裕，拿粮食做乙醇原料并不现实，用生物质（如秸秆）发酵成乙醇再生产航空燃料是中国可以关注的方向。

根据北大能源研究院的报告，还有一条技术路线尚未被包含在ASTM的认证体系中但也值得关注，那就是电转液路线（PtL）。通过将电解水产生氢气，再与二氧化碳转化为碳氢化合物燃料。这一技术路线有望未来与绿电结合，同时实现二氧化碳捕集利用，理论上其全生命周期最高可以实现99%到100%的减排。

无论哪种可持续燃料，都会推高成本。据林鹏介绍，燃油成本大概占航空公司运营成本的三分之一，而即便是目前商业化最成熟的HEFA技术，其成本大约是传统航煤油成本的2倍到3倍，这意味着如果将航空燃油全部替换为可持续燃油，会使得运营成本提高30%到1倍左右。当然，随着技术进步和产业规模化，成本会呈下降趋势，但下降幅度有待观察。

航空发动机如何进化

在具备可持续的航空燃料之后，还需要相应的以发动机为代表的关键设备能够支持它。

航空发动机龙头GE表示，所有GE和其合资公司生产的发动机都可以适用获得许可的可持续燃料，这是由于获批的可持续燃料意味着其与化石航空燃料有同样的标准，可以直接掺入，与现有的商业航空飞机兼容，而无需对发动机、燃料配送和储存设施做特殊改造。

目前，ASTM许可的可持续燃料最高的掺混比例为50%。不过，在测试中，GE及其合资公司生产的多款发动机都已经实现了100%使用可持续燃料的测试飞行。

GE以及其与赛峰的合资公司CFM国际，为全球四分之三的商业飞机提供发动机。通过提高发动机的效率，不仅节约飞机运营的成本，也直接减少了碳排放。相比上世纪七八十年代的发动机，当前减少了40%的碳排放。

2021年，CFM国际启动了“可持续发动机革命性技术验证项目”（RISE）。据GE全球副总裁、GE中国总裁兼GE航空航天集团大中华区总裁向伟明介绍，RISE旨在投资未来航空，希望通过一系列全新颠覆性技术，研发开放式风扇架构、混动技术、陶瓷基复合材料（CMCs）、增材制造等技术，在现役“省油爆款”LEAP飞机发动机基础上，进一步减少20%以上的油耗和二氧化碳排放，并且能与可持续航空燃料（SAF）和氢等清洁能源实现100%兼容。

向伟明表示，如果仅依赖现阶段渐进式燃料效率提升，航空业将无法实现2050年净零碳排放目标。革命性创新技术才是众之所盼。“这也是为什么我们认为现在就是大力研发开放式风扇架构的绝佳时机。这种先进的发动机架构将为CFM国际的发动机效率跃升打开大门，我们的测试路线图也都围绕这一点。我们将持续验证并完善这些技术，以打造可持续的未来航空。”

当前，GE正在同CFM国际团队、空客、波音、美国宇航局（NASA）等合作伙伴进行协同技术验证，计划在2025年左右进行地面试验和飞行测试，2035年左右投入使用。

这一研发周期，也是航空领域技术迭代的一个缩影。航空作为复杂高端的制造业，涉及多项基础技术，并且需要保障安全，其技术换代，通常需要较长的研发周期。

今年庆祝了131岁生日的大型多元化公司GE，在2021年11月宣布拆分，成立三家分别专注于航空、能源、医疗领域的独立上市公司，其中GE HealthCare已经在今年1月4日正式独立上市。在其公司的发展历史上，航空研发的发动机和发电研发的燃气轮机，在空气动力学、燃烧流场分析等基础技术研发上其实也有共通之处，其原理都是为了提高发动机、燃气轮机的效率，进而能够减少碳排放。

GE的燃气轮机有一类航改燃机，就是将航空发动机改为燃气轮机，如GE的LM2500和LM6000航改燃机都来自GE此前开发的CF6发动机。在历史上，二者曾共享空气动力学和传热学的开发团队和开发工具。在新材料的开发中，一般是航空主导，之后应用到燃机领域。但也有材料是GE的发电部门先研发，然后在航空领域应用，如陶瓷基复合材料，起初在工业设备上使用，如今在LEAP系列航空发动机中首次使用这一材料。

除了兼容可持续燃料，提高发动机效率，向更远的未来展望，混动、电动技术，氢能飞机也将在未来有一席之地。

在电动、混动方面，GE正在与美国宇航局和波音公司合作，开发一个兆瓦级混合电力推进系统，计划在本世纪20年代末进行地面和飞行测试、在30年代中期投入使用。

氢能方面，2022年2月，GE宣布CFM国际正在与空客合作推进氢能飞机的示范项目，计划在本世纪20年代内实现使用氢能内燃机完成地面和飞行测试。

不过电动和氢能飞机，在可见的未来或许只能在短途、少客量的航班中有用武之地，可持续燃料仍将是当前最重要的减碳技术。

根据航空行动运输小组（ATAG）在2021年9月发布的《2050路径报告》（Waypoint 2050）预测，从2030年开始，混合电力和氢能有望在通航和支线航空中实现应用。到2050年，在长途航线上，SAF仍然是唯一可行的减碳技术，氢能发动机有望在中短途航线上有所应用。毋庸置疑的是，在未来，航空减碳需要多种技术结合使用。