航空业实现净零排放的路径研究

文 | 中国民航信息网络股份有限公司 王峥（通讯作者） 周钢 杨健

一、背景介绍

（一）航空业的零碳挑战

为确保到本世纪下半叶将全球升温控制在1.5℃之内，全球剩余可排放二氧化碳（“碳预算”）约为400吉吨（Gt，1Gt=109t），其中航空业的份额仅为10Gt。显然，航空业即便保持目前每年的碳排放水平（1Gt）不变，其“碳预算”也将很快耗尽。又因其排放主要产生在9000-12000米的高空，对全球变暖的影响远甚于其份额。如何实现净零排放是全球航空业面临的严峻挑战，新技术和可持续燃料的应用是关键。

受新冠疫情影响，目前大多数航空公司还未摆脱债务困境。各国都加大了对本国航空企业的补贴，再加上税务豁免等政策，行业产能日益过剩，机票价格和行业整体盈利水平持续降低。目前仅用于偿还债务就已耗尽该行业的全年利润。航空业在过去的44年中有18年处于亏损状态，行业营收平衡十分脆弱，任何成本结构的变化都将影响其商业模式。因此，除非迫不得已，否则航空公司缺少主动使用价格昂贵的可持续燃料和新技术的动力。

（二）可持续航空燃料（SAF）

目前有很多可替代传统航空燃油的新能源和新技术，可持续航空燃料（SAF）与当前的航空业最为契合，因为SAF不必更新现有基础设施（飞机和机场），不但能够单独使用，更可与传统燃料混合使用。主流SAF包括化工合成燃料和生物燃料等，其中生物燃料虽能减少碳排放，但还远未达到零碳；合成燃料的含碳量（指生产过程中产生的碳排放）取决于用于合成的电力是否清洁，若使用无碳电力，则可视为零碳。生产成本是制约SAF大规模应用的重要因素，据估计，生物燃料的直接使用成本将比传统航空燃油高15%-200%，而合成燃料的市场价格预计将比传统航空燃油高出2-6倍。

二、研究内容

本文通过对全球航空业未来发展趋势和制约可持续燃料使用的各种因素进行合理假设，构建了一种燃料转换模型，并将不同情况下使用可持续燃料对碳排放量的影响进行比较，以期找出航空业低碳转型过程中存在的阻碍，并探索出实现净零排放的路径。研究的重点是可立即取代传统航空燃油的生物燃料和采用不同清洁能源（核能、太阳能、风能）生产的合成燃料。本文不考虑由煤炭、天然气等传统化石能源生产的合成燃料，因为生产过程中排放的二氧化碳远大于碳减少量。核能、太阳能和风能是公认的清洁能源，风能与太阳能成本接近，但预计未来太阳能的成本会进一步下降。

三、模型假设

（一）对全球航空业发展趋势的假设

考虑到后疫情时代全球航空业触底反弹的不确定性和市场波动性，本研究选择2025年作为起点，并假设已恢复至2019年的旅客需求水平（以客公里收入RPK计）。这种反弹是必然的，出现的早晚对研究结果的影响仅仅是令整体时点提前或推迟一两年。

未来随着碳减排的压力日益增大，二氧化碳作为一种理应内化的成本，对其定价并收取碳税将令航空公司的飞行成本上升，限制需求增长，并降低其营收。此外，由于SAF较低甚至为零的碳排放，碳税的另一用途是缩小其与传统航空燃油之间的成本差距，使其更具市场竞争力。本研究同时考虑了碳排放的直接碳税成本及其导致温室效应的额外成本，后者保守估计与前者相等。为了在25年内（2025-2050）实现可持续燃料的100%使用，平均每年都要增加其4%的使用占比。碳税和替代燃料的生产增加了行业成本，运营效率的提高同时也降低了成本。本研究兼顾两者，价格弹性假设和效率收益预期来源于行业历史数据。

如前所述，本研究并不能精确描绘出航空旅行需求的未来发展趋势，这取决于国际和各国的航空运输政策调整、机队更新、运营效率、载荷系数、飞机布局（旅客密度）以及商务旅行需求等一系列因素，以上都会直接或间接影响旅行成本，从而影响需求。

（二）对可持续燃料价格影响因素的假设

鉴于排放二氧化碳意味着其背后的环境治理成本，同时为了降低新型燃料进入市场的阻力，将对传统航空燃油征收碳税。考虑到航空业排放二氧化碳与全球变暖的关系，预计国际航空燃油价格将从2025年的50美元/吨上涨到2050年的400美元/吨。若再加上排放氮氧化物和水汽等非二氧化碳温室气体的影响，这一价格将翻倍，即2025年100美元/吨，2050年800美元/吨。对于100%使用合成燃料和生物燃料的情况，由于其燃烧已不再额外产生二氧化碳，因此只需考虑非二氧化碳部分的影响。同时考虑新型燃料在其生命周期内，除燃烧以外的碳排放（如供应链排放），预计可持续航空燃料（包括合成燃料和生物燃料）的碳税在2025年为50美元/吨，2050年为400美元/吨。

在本文描述的场景中，将于2024年引入合成燃料，并在接下来每一年的总消耗份额中增长4%。生产合成燃料所需电力、原料、运输和精炼的成本，都将转化为“总成本”。其中每一项都取决于能源、生产规模、电网依赖程度或运输距离等多种因素。眼下可供选择的清洁能源包括核能、风能和太阳能。其中核能稳定且可靠，但其从规划到建设需要至少十年以上；风能建设周期往往也需要几年；太阳能在特定地区是可靠的，但仅限白天，建设周期一般不超一年。核能价格最贵（2019年为155美元/MWh），其次是风电（41美元/MWh）和太阳能（40美元/MWh），并且这一价格未来仍会有较大变化。一种折衷的考量是，风能和太阳能未来将更加便宜，核能则更贵。基于这一设想，三种能源到2025年的成本分别为0.168美元/kWh（核能）、0.038美元/kWh（风电）和0.035美元/kWh（太阳能），到2050年增加（或降低）到0.233美元/kWh（核能）、0.029美元/kWh（风电）和0.020美元/kWh（太阳能）。虽然目前包括法国在内的一些国家正在扩大核能投资规模，但远水解不了近渴，我们或许几十年后才能获得这些电力，因此不久的将来电力成本将进一步增加。此外，根据相关研究显示，目前生产一公斤合成燃料的电力消耗为45kWh，且这一数字将逐年下降。本研究假设2025年每公斤合成燃料的电力消耗为40kWh，2050年为25kWh。

根据上述对可持续燃料价格影响因素的假设，合成燃料由于生产所用能源不同，其使用成本C的计算公式分别为：

此处Cp、t受不同能源类型影响。

传统航空燃油价格受到国际石油价格波动影响，在25年的时间区间内，假设其单价0.65美元/kg保持不变，考虑到碳税的影响，将使它的使用成本从2025年的0.97美元/kg上涨到2050年的3.18美元/kg。生物燃料的平均生产成本取自国际清洁运输委员会（ICCT），该组织提供了包括食用油、农业残留物、森林残留物和城市固废在内生物质燃料的成本估算，分别为2030年（2.53美元/kg）、2040年（2.27美元/kg）和2050年（3.03美元/kg）。

其他一般假设还包括，2019年全球航空旅客周转量RPKs=88600（亿人公里），每年全球航空运输增长率为4.45%，需求弹性为-1，每年燃料效率提高率为1%，预估2024年的燃料成本占行业运营成本的24.5%。遵循行业规律，模型中的所有数据变化都是线性的。

四、模型计算结算

如果行业顺利恢复到疫情前的水平并持续增长，到2025年航空业将排放722Mt（百万吨）二氧化碳，到2050年将排放1667Mt二氧化碳。如果同时引入二氧化碳和非二氧化碳两部分碳税机制，2025年的排放量将被控制在607Mt，2050年为780Mt，这显示出严厉的碳税制度对需求的抑制效果。

在引入可持续燃料的4种场景预测中，碳排放量最终都会降至零，因为这一模型的设计前提就是到2050年前每年都将以4%的比例强制降低传统航空燃油的使用占比。应用可持续燃料会导致机票价格上涨，使用核能将使价格上涨3.8倍，而最便宜的太阳能则是1.8倍，这同样会引发需求的再次减少。

在燃料使用效率和飞机布局没有明显变化的情况下，航空业每年的燃料消耗量可被看作与旅客周转量（RPKs）成正比。在这些场景中，利用核能过渡的代价最高，到2050年的RPKs将减少至48520亿人公里，仅有“传统航空燃油（不含碳税）”场景中的18.4%。利用风能或太阳能，这一数字将会明显增长。太阳能作为最便宜的清洁能源，可令2050年的航空运输量比2019年增长约47%，RPKs达到约130000亿人公里。在这种成本最低的零碳场景下，机票价格的上涨主要受到碳税影响。

五、进一步讨论

根据上述模型计算结果显示，由于可持续燃料在未来的可用性和发展空间尚不明朗，全球航空业的低碳转型之路是困难且复杂的，受到多种因素影响。根据国际能源署（IEA）在2022年报告中公布的数据，预计2023年生物燃料的全球产量将达到150万吨，这与航空业2025年2.28亿吨的能源需求（基于本文模型计算得出）相去甚远。本文特别强调了燃料需求增长的问题，因为无论是以控制升温1.5℃还是2.0℃作为目标，这一需求的变化，都与航空业实现净零排放的路径息息相关。除了探讨航空业可持续性发展这一核心问题外，本文提出的模型还指出，为了实现控制地球升温的目标，我们需要大量的生物燃料和可再生能源，因此应立即加大对替代燃料和有关技术的投入，但在缺少政策干预的情况下，显然这是不现实的。

调查显示，航空业在推进自身低碳转型方面也举步维艰。由于缺乏替代燃料的市场空间，且行业产能严重过剩、盈利能力低下、负债严重，导致该行业商业模式的财务表现非常不合理。新型燃料的引入势必增加航空运输成本，若不对行业规模和产能加以控制，这部分成本将难以转嫁给旅客，因此在保持增长的模式下，航空业将无法实现成功转型。鉴于航空业低碳转型的现实困难，有必要提出一种全新的商业模式，其特点是需求增长率较低、转型风险较低、燃料需求增长有限、燃料转型可信可靠、行业运营效率较高等。

六、结语

本文阐述了航空业在向净零排放过渡期间，以现有供应链和基础设施的条件下，用可持续燃料取代传统航空燃油是减少碳排放的唯一选择。本文尤其关注航空业持续增长的商业模式对实现净零排放的影响，并得出了控制行业规模、加强替代燃料的可用性、引入碳税制度将有助于该目标的实现。在这一情境下，实现净零排放的道路将变得更加可信，尽管这是以抑制需求增长为代价的。或许这对航空公司来说不一定是坏事，较高的机票价格将有助于航空公司筛除因低价机票和宣传诱发的低价值旅客，从而建立起机票价格和旅行需求之间的新平衡，并使净零排放目标和航空公司盈利目标相统一。