“双碳”目标下中国民航用能低碳发展路径探讨

戢时雨，刘建国，朱跃中

( 中国宏观经济研究院能源研究所）

1 中国民航发展现状与低碳发展挑战

1.1 民航运输规模持续扩大，航空煤油消费产生的碳排放不断攀升

随着中国人均收入水平的提高，民航客货运迅猛发展，方便快捷的航空成为商务和旅游出行的重要选择。虽然受疫情影响，2020年和2021年民航运输需求出现大幅回落，但疫情前民航运输规模呈现持续扩大态势。2019年，中国民航旅客运输量和周转量分别为2010年的2.5倍和2.9倍，不仅出行人次有明显提升，出行距离也显著加长；民航货邮周转量是2010年的1.5倍，相比货邮运输量的1.3倍增速更高[1]，表明民航运输成本降低及电子商务快速发展带动了远距离货运需求增长。在此背景下，航空煤油消费及相关碳排放也快速增长，2010－2019年年均增速超过10%。

2019年，中国人均航空出行次数仅为0.47次，而美国已达到2.73次，加拿大为2.4次，澳大利亚为3.0次[2]。历史数据表明，主要发达国家都经历了客运周转量持续增长阶段，近年总体进入平台期。尽管中国高铁快速发展，可以在一定程度上替代航空出行，但根据中国民用航空局发布的《新时代民航强国建设行动纲要》，预计2021－2035年中国人均航空出行次数将超过1次[3]。因此，今后中国民航运输规模还将持续扩大，航空煤油消费产生的碳排放也将不断攀升。

1.2 民航领域是最难实现近零排放的领域

2020年9月22日，中国国家主席习近平在第75届联合国大会上做出了“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的庄严承诺。交通运输行业也面临着碳达峰碳中和的挑战。然而，民航领域极高的投资成本、较长的研发应用周期以及超高的安全性要求，使其成为最难实现近零排放的领域。2021年6月，《自然·通讯》刊文称，在应用最先进技术的最乐观情景下，航空也将是在实现《巴黎协定》目标过程中拖后腿的领域，需要其他领域额外减排以抵消航空领域的高强度排放[4]。

过去40年，随着涡轮发动机技术的不断提高，飞机燃油效率已经处于较高水平。中国民航运输能源强度近20年来也持续下降，2020年吨千米油耗为0.316千克，相比2005年吨千米油耗降幅达7.1%，靠提高燃油效率实现减排目标的操作空间已经很小。同时，中国航空公司的机型较新，机龄较短，平均机龄仅为6年，行业整体燃油效率已高于欧美发达国家，通过改善机型进行减排的潜力也很小。航空公司也在努力提高运行效率，通过优化航路航线、减少非直线飞行距离来减少碳排放，但受限于空域管制，一般难以实现最佳航线、最佳飞行高度和飞行速度。

1.3 国际航线面临来自国际组织的碳减排压力

在国际航线方面，国际组织也对中国民航低碳发展施加压力。为了降低全球航空业的碳强度，联合国下属的国际民用航空组织（IСАО）于2018年10月制定了国际航空碳抵消和减排计划（СОRSIА），要求航空公司对国际航班超出基准线的二氧化碳排放进行补偿[5]。世界航空运输行动小组（АTАG）制定了2050年航空业减排目标，将二氧化碳排放量在2005年的水平上减少50%[6]。2021年，国际能源署《全球能源行业2050净零排放路线图》指出，2040年50%的航空燃料为低排放燃料。2021年7月，欧盟委员会提出“Fit for 55”一揽子应对气候变化提案，提出到2030年，成员国将需要确保其向驻场飞机提供的所有电力直接来自电网或来自现场产生的可再生能源；航空公司在离开欧盟机场时有义务增加可持续燃料混合的航空燃料。今后国际航线将背负更大的国际碳排放压力，从而推动中国民航业向低碳技术与低碳燃料方面积极探索。

2 民航用能低碳发展趋势与技术经济分析

未来民航低碳发展将寄希望于新型航空动力技术及新型航空燃料。当前全球关于低碳民航用能的探索主要从电动飞机、可持续航空燃料（SАF）和氢动力飞机3个方面展开。中国在飞机和燃料研发方面与发达国家存在一定差距，生物燃料的资源量相对有限，生产技术也遇到瓶颈；在电动飞机与氢动力飞机相关的新型动力系统和飞行器设计方面，也都落后于发达国家。加之相关研发在国际上也仍处于起步期，新技术的发展应用前景尚不明朗，为中国民航领域制定“双碳”背景下的低碳发展规划带来较大难度。

2.1 电动飞机

在全球应对气候变化背景下，众多机构将目光聚焦在电动飞机。罗兰贝格（Roland Berger）咨询公司统计数据显示，截至2019年底全球共有超过240个在研电动飞机项目[7]。罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce，罗罗）公司和意大利泰克南（Tecnam）公司正在合作研制电动支线飞机，采用全电推进系统，将从2026年开始运营。中国在电动飞机领域也开展了产品研发工作。辽宁通用航空研究院RX1E双座电动飞机、RX1E-А增程型双座电动飞机已经取得适航证并进入市场[7]，目前正在进行电动四座和水上飞机的研制工作[8]。中国商用飞机有限责任公司联合国家电投集团氢能科技发展有限公司等单位共同发起研制“灵雀H”氢燃料电混合动力飞机，于2019年1月开始进行试验飞行[9]。中国航空研究院与荷兰宇航研究院就民用航空科技领域的交流与合作达成协议[10]。

受限于电池功率，大多数电动飞机都在朝着通用航空（GА）或城市空中交通（UАМ）方向发展。空中客车公司工程师与劳斯莱斯控股公司花了数年时间研究在飞机上使用电池储存电力，最终认为在可见的电池技术发展前景下，支持飞机长途飞行所需电池组过重，电动飞机在长途飞行中不具备技术可行性。从电动飞机电力供应角度看，在欧盟国家电源结构中，2020年可再生能源占比平均已达到38%。国网能源研究院预计中国在2030年非化石能源发电量占比将达到50%，2060年将达到90%[11]，清洁电力将进一步助力电动飞机研发，推动民航用能低碳化发展。

2.2 可持续航空燃料

可持续航空燃料主要包括生物燃料与合成燃料。可持续航空燃料是传统航空煤油的低碳替代品，其原料为可持续有机原料或可再生能源、水和二氧化碳。与传统航空煤油相比，可持续航空燃料全生命周期中的碳排放量仅为20%～40%，可直接用于任何类型的飞机，且没有设备改造等限制。国际民用航空组织公开资料显示，美国、加拿大、挪威、芬兰等国已经形成航空生物燃料规模化市场，建立了“原料－炼制－运输－加注”的完整产业链。目前，全球航空生物燃料载客商业飞行已超过30万架次，美国、瑞典、挪威等国家的13个机场已实现航空生物燃料的常规加注。目前可持续航空燃料与航空煤油一起混合使用的比例可以高达50%。2021年10月，罗罗公司使用100%的可持续航空燃料在747飞行试验平台上成功完成试飞，并宣布到2023年其配装Trent发动机的所有远程飞机可100%采用可持续航空燃料为飞机提供动力[12]。2021年12月，一架载客逾100名的联合航空公司波音737 Мaх8飞机从芝加哥飞往华盛顿特区，使用500加仑100%普适性可持续航空燃料为发动机提供动力[13]。波音公司承诺到2030年确保其飞机能够全部使用可持续航空燃料飞行[14]；空客公司加入“100%可持续航空燃料气候影响”计划，力图在2030年前采用100%可持续航空燃料的机队投入运营[15]。

波音公司指出，转向可持续航空燃料是“未来几十年减少航空碳排放最安全、最可衡量的解决方案”，也是民航业实现2050年大幅削减碳排放目标的必要步骤。随着化工技术发展，未来可持续航空燃料也可能转向零碳合成燃料，零碳合成燃料将以氢和二氧化碳为原料，其中氢可由可再生电力产生，二氧化碳直接通过碳捕捉技术从空气中获得。整体来看，可持续航空燃料推广的主要挑战是生产成本高，不同生产技术对应的成本可达航空煤油成本的2.5～8倍[16]。据彭博新能源财经估计，价格最低的可持续航空燃料技术与传统化石航空燃料实现平价的前提是碳排放权交易价格（碳价）达到252美元/吨[17]。

在中国，中国石油、中国石化等能源公司与航空公司、飞机制造商、中国航空油料有限责任公司等合作，先后完成了2次航空生物燃料验证飞行和2次载客商业飞行，积累了丰富的可持续航空燃料生产、调和及适航审定经验。但相比国际上拥有丰富且成熟的可持续航空燃料工艺路线，中国生物航空燃料生产还面临能力不足、原料种类和数量有限等问题。目前，中国以植物油为原料生产的生物航空燃料在经济性上距离大规模应用还有较大空间；以粮食为原料的第一代生物质燃料在中国国情下不利于粮食安全；以地沟油为原料的生物航空燃料存在收集成本高、量产不足等问题，且多种原料、多种转化工艺造成的高昂工艺成本也极大限制了可持续航空燃料的大规模商业化发展。2022年2月，东华能源股份有限公司引进霍尼韦尔UОР先进工艺技术，将废弃油脂转化为可持续航空燃料，在茂名建设年产量达100万吨的可持续航空燃料生产基地，拟实现商业化规模化生产，首套装置将于2023年投产，这为中国早日实现可持续航空燃料推广应用、降低民航用能碳排放打下了良好基础。

2.3 氢动力飞机

氢动力飞机主要有两种形式：一种是将氢作为燃料电池的动力来源，由燃料电池提供电能，驱动电机运转，再由电机驱动推进器，为飞机提供动力；另一种是以氢在中型和大型飞机上取代航空煤油作为燃料，飞行里程可达10000千米。氢动力飞机在飞行过程中的排放物以水为主，通过稀薄燃烧技术还能减少高达80%的氮氧化物的产生。在不同规模型号的飞机上应用燃氢发动机可以减少50%～75%的气候影响，应用氢燃料电池可以减少75%～90%的气候影响。氢燃料自身所具有的热值较高，约为传统航空煤油的280%，对于远距离航行的飞机来说，可有效减少整机油耗和总重。

欧洲工业界对于氢动力飞机技术已经开展了多方面的研究。2020年6月，氢能源航空初创公司Zero Аvia在英国克兰菲尔德机场进行了首次成功的氢动力商用飞机试飞，计划在2023年前进行10～20座级805千米航程飞机的认证[18]。空中客车公司也开始将重心转向氢动力飞机，并制定了氢动力客机发展路线图。空中客车公司公布了3款氢能源概念飞机，代号为ZERОe，包括单通道型、涡桨支线飞机、翼身融合型。单通道型概念飞机航程约2000海里，可搭乘120～200名旅客，飞机将完全使用氢作为燃料，氢气将安全地储存在机身尾部耐压舱中的储罐内，该飞机可能将成为А320飞机的继任者。根据空客公司披露的氢动力飞机发展时间表，该公司将在2024－2025年完成动力系统相关技术的选择，拟在2030－2035年实现百座级以上氢动力客机的商业化[19]。洛杉矶初创公司Universal Hydrogen与美国绿色能源集团Рlug Рower和电动机开发商Мagni X合作启动了一项氢燃料电池系统改装项目，预计2023年开始飞行测试，2025年前进行补充型号合格证（STС）认证并投入使用[20]。

氢较低的密度及较为严苛的储存温度限制了氢动力飞机的面世。氢需要冷却到-252.87℃才可在大气压下处于完全液态，在此环境下氢的密度为70.8千克/立方米，煤油的密度却高达800千克/立方米。对于相同能量的燃料，储存液态氢所用的加压燃料箱体积约为常规飞机油箱的4倍。特别是在远程飞机方面，燃料箱尺寸过大，无法安装在传统飞机的机翼内，需采取异常庞大的机身或大型机翼设计，且燃料箱必须广泛绝热并增压。这些要求使得氢动力远程飞机需要采取革新式设计，短期内无法明晰应用前景。在可预见的技术前景下，氢燃料电池系统能提供的功率相对有限，难以支持中远程飞机的飞行。因此，氢动力飞机更适合支线、区域、近程和中程运输飞机。比较两种氢动力系统，氢燃料电池系统较燃氢涡轮发动机系统的能源效率更高，而且氢燃料电池系统避免了氢与空气燃烧引发的氮氧化物排放，在飞行过程中可实现绝对零排放。因此，对于通勤和支线飞机来说，氢燃料电池是最节能、环保和经济的选择。

从上游氢能产业链看，全球每年生产1.17亿吨氢，灰氢（化石燃料制氢）约占98%；中国每年生产约2500万吨氢，其中灰氢占96%以上[21]。绿氢制造技术主要为电解水制氢、太阳能制氢和生物质制氢等。其中电解水制氢特别是质子交换膜制氢（РEМ）技术，国外已实现商业化应用，中国也将在近期实现商业化应用，其他制氢技术在国内外均仍处于实验室研发阶段。在氢气储运方面，适用于航空领域的低温液态储氢技术难度系数大、成本高，短时间内仍处于缓慢发展态势[21]。因此，氢能短期内在产储运方面难以对民航用能低碳发展起到有效支撑作用。

民航飞机应用氢燃料电池和燃氢发动机与可持续航空燃料在温室气体排放与飞机设计等方面的比较见表1。氢动力在各类民航飞机的适用情况见表2。

表1 民航飞机应用氢动力与可持续航空燃料比较

表2 氢动力在各类民航飞机的适用情况

3 民航领域的低碳路径选择

在中国民航业未来仍将快速发展的预期下，运输规模增长将继续推动碳排放增长。若可持续航空燃料在技术与成本方面能够有所突破，民航部门有望在2030年左右实现碳达峰。对于2060年前实现净零排放目标，在可见的技术前景下，电动飞机与氢动力飞机只能支持市场份额较小的近程、支线、通勤飞机低碳化发展；可持续航空燃料是航空领域应对气候变化、实现碳减排的最可行途径，也是全球各个经济体主要的趋势选择。航空用能低碳路径和不同航空动力的效率随航程的变化分别见表3和见图1。

图1 不同航空动力的效率随航程的变化情况

表3 航空用能低碳路径对比

下面分别就不同航程探讨民航用能低碳发展路径。

3.1 通用航空、城市空中交通等新领域优先选择电动飞机

中国民用航空局的资料显示，截至2020年，中国传统通用航空机队规模达到2844架，较5年前净增940架；“十三五”期间累计飞行457.6万小时，年均增长13.7%，全行业注册无人机52.36万架，2020年无人机经营性飞行活动达到159.4万飞行小时[23]。未来，在美丽中国、乡村振兴、低空开放、通航管制放松、扩大内需等诸多经济与政策因素影响下，30座级以下机型、执飞500千米以内航线市场比例有可能提高到3%以上[24]。电动飞机在自身低排放的基础上，其便捷性与时效性可帮助地面交通分流，降低城镇中心的出行聚集，有助于提升地面交通的通畅性，使车辆可以在更高效率更低排放的工况下运行，虽然电动飞机会增加耗电量，但交通领域可以实现整体协同减排。当前电动飞机的尺寸与续航能力可以满足通用航空的服务需要。中国在电动飞机方面也有一定的研发基础，并且通用航空的机型更换成本、配套基础设施建设改造成本相比民用航空都更低，可在相对较早的时间较快应用电动飞机等新技术设备，实现低碳发展；在中国还未正式发展的城市空中交通领域，更可以在技术与政策允许的情况下直接规划应用电动飞机，消除航行过程中的直接碳排放。

3.2 支线航空可以有条件选用氢燃料电池飞机

支线航空主要使用100座以下飞机，主要开展1000千米以内飞行。2020年中国支线飞机为201架，占运输机队的4.8%[1]。2030年前，以新舟系列和АRJ系列为代表的国产支线飞机快速进入量产，加之高铁建设高潮放缓和城市间交通联系方式的调整，50～100座级机型执飞的航线市场比例可能达到20%[24]。从技术经济角度分析，未来5～15年，氢燃料电池飞机可以具备投入市场的条件，且成本相对化石燃料飞机增长不超过15%。然而，选用氢燃料电池飞机必然挤占国产支线飞机的市场，中国国产飞机设计制造能力较西方国家存在较大差距，在短期内难以实现氢燃料电池飞机国产化，因此在平衡国产传统飞机与进口低碳飞机方面中国仍将面临较大难题。

3.3 中近程航行可应用氢燃料混合动力飞机和可持续航空燃料

中近程航行在市场规模增大的情况下有可能应用氢燃料混合动力飞机，在市场规模减少的情况下更可能通过可持续航空燃料实现低碳发展。中近程干线航行使用窄体飞机，座位数在100～200座，航程不超过6000千米。当前主流机型为空客320及波音737，也是中国民航最主要的机型。2020年中国窄体飞机为3058架，占运输机队的78.3%[1]。从技术经济性分析，这类飞机已不能应用氢燃料电池作为动力系统。氢燃料电池＋燃氢的混合动力系统有可能应用于150座以下的窄体飞机，但中国100～150座级机型所占市场份额近10年呈现大幅下滑态势，由2009年的44.2%下降到2019年的25.5%。按此趋势发展，混合动力飞机的市场规模将十分有限，窄体飞机的低碳化还应寄希望于可持续航空燃料。

3.4 远程航行低碳发展应更多依靠可持续航空燃料

远程航空使用宽体飞机，座位数高于250座，航程10000千米以上。2020年中国宽体飞机数量为458架，占11.7%[1]。执飞此类航线的飞机需要驱动系统具有较高功率，且需要续航能力较高的能源储备系统，因此功率较低的电机和储存难度较大的氢能都不是合适的选项。在此类航行中，近中期低碳选择只有可持续航空燃料，即生物燃料与合成燃料。

3.5 小结

综合而言，考虑到中国人均航空出行人次仅为发达国家的1/4，快捷方便的民航客运依然会是商务人士或高收入群体的重要选择，民航运输需求增长将进一步推高民航油品需求与碳排放量。模型研究表明，2030年之前中国航空煤油需求还将稳定持续增长，但与此同时，在“双碳”目标愿景下，民航客运的生物航煤与低碳或无碳燃料在2030年以后会逐步发展，预计航空煤油需求将在2030年左右达到峰值，年度需求量大约为5100万吨，届时民航碳排放也达到峰值。此后新增需求将会被零碳燃料替代，如果届时电动飞机或氢动力飞机综合成本有了较大幅度下降，也形成了国际通用的生物航煤标准，2060年中国民航领域生物燃料、氢能以及电力需求将分别达到1500万吨标油、1200万吨标油以及600万吨标油，航空煤油消费基本归零，民航部门实现近零排放。

4 相关建议

4.1 制定可持续航空燃料发展规划

航空生物燃料等可持续航空燃料对于中国民航领域低碳发展将起到关键性作用。建议交通部门牵头，石化行业、民航业和地方政府联合制定航空燃料的发展规划，规划内容具体到生物燃料生产技术研发与应用、原料种植或收集、配套设备设计与采购、生物燃料储运机制、民航业应用方式与规模等。加强政策鼓励和引导，提出可持续航空燃料中长期发展目标，研究制定落实促进可持续航空燃料发展的财税政策，系统构建燃料产业化示范扶持政策体系。推动燃料产业链上下游各方充分沟通与交流，使燃油需求侧与供给侧之间协同联动，建立完善的“原料－炼制－运输－加注－使用”产业链。此外，还需协调保障生物燃料与生态、粮食安全问题。

4.2 加速推进可持续航空燃料生产示范装置建设和运行工作

中国石油、中国石化为可持续航空燃料的成套生产技术研发和规模化商业应用打下了良好基础。但是，面对可持续航空燃料的市场潜力和需求，现有产能缺口巨大，供需矛盾随着低碳航空发展目标的驱动愈发显现。生物燃料生产转换技术落后，导致生物燃料生产成本较高，其较差的经济性严重限制产能扩张及应用规模提升。因此，需加快工业生产示范装置建设，同时加大研发投入，加快航空生物燃料生产新技术开发和储备，开发原料适应性更强、氢耗能耗更低、非贵金属催化剂的加氢技术，或者能够利用木质纤维素原料、联产多种生物燃料的灵活技术路线，早日实现可持续航空燃料的经济性与合规性。

4.3 系统开展电动飞机的研发试验与规划

电动飞机是航空产业今后的发展方向之一。开发具有自主知识产权的电动飞机产品，对于推动中国绿色航空产业发展具有重要战略意义。建议整合全国优势科研力量，成立电动飞机国家工程技术研究中心；增设新能源电动飞机研究专项，推动电动飞机研发；开展电动飞机核心技术攻关，研发具有自主知识产权的电动飞机系列产品；开展系列电动飞机飞行试验，制定激励政策推动电动飞机示范应用；结合国家碳达峰、碳中和目标与民航产业发展需求，制定中国电动飞机的发展战略、规划和路线图。

4.4 加快制定完善国内规范与标准

在政府主导下，由行业协会牵头，联合航空燃料产业链上下游利益相关方，共同应对“国际航空碳抵消和减排计划”（СОRSIА）的实施，加快制定完善民航低碳技术与低碳燃料国家质量标准，开发既满足国际社会共识又符合中国国情的燃料与动力系统适航审定技术，健全民航相关行业的温室气体排放监测、报告、核查管理体系，建立相应的认证认可机制，促进中国民航低碳技术与低碳燃料的研发、生产和应用，保障产业持续健康发展，同时在面对欧美发达国家主导的政策与标准制定进程时掌握磋商谈判主动权。

4.5 积极开展氢动力飞机技术探索

目前空中客车公司等国际先进飞机研发公司已经开展了长距离氢动力飞机研发，国际航空公司普遍预测2030年之后初步实现氢动力飞机商业化运行。中国应在强化绿氢制取、储运等相关配套体系发展的同时，鼓励科研机构、企业积极开展氢燃料电池飞机与氢燃料发动机飞机等领域技术研发，优先示范应用短距离氢燃料电池飞机，并推动长距离氢动力飞机研发，力争在2040年左右实现氢动力飞机长距离示范应用，支撑民航部门实现碳中和目标。