在全球氣候危機背景下，航空業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要性不言而喻。據統(tǒng)計，航空業(yè)二氧化碳排放量占全球二氧化碳排放量的 2%~3%。為更好地應對氣候變化，盡快實現碳中和，包括國際組織和各國政府等在內的各方正積極倡導航空業(yè)轉型，力求實現綠色飛行。
減少航空碳足跡將是人類飛行史上最重要的技術成就，但要真正應對這一挑戰(zhàn)，需要一種全面的方法，監(jiān)管可持續(xù)航空 “從搖籃到墳墓” 的整個過程。這種全面性還意味著，在全球化的行業(yè)中，我們必須在不同層面共同努力找出解決方案，實現共同目標。從長遠來看，電氣化和氫可能是優(yōu)秀的解決方案。
使用氫能飛機和新技術減少碳排放
越來越多的人相信，首架商用氫能飛機將在 2030 年之前出現并獲得認證，它將是一架 100 座以下的渦輪螺旋槳飛機。氫能飛機與主要運送旅客和貨物的公共交通工具有所不同，因此要解決氫能飛行相關問題，還需要完善地面基礎設施，這需要數十年的努力。
未來幾年，航空業(yè)將增加約兩萬架新飛機，這些飛機的能耗將低于目前服役的飛機。即使最新的飛機技術減少了能源消耗，其速度也不足以減緩碳排放量增長。例如，空客 A320neo 和波音 737 MAX 所使用的最新發(fā)動機技術能減少 15% 的燃油消耗，進而減少碳排放。
簡而言之，在過去 50 年里，燃油消耗和碳排放平均每年減少 1%。但由于新一代飛機投入生產，全球商用航空碳排放量預計將以平均每年 2.5%~3.5% 的速度增長。因此，預計到本世紀 20 年代和 30 年代，航空業(yè)的總排放量將以每年 1.5%~2.5% 的速度增長。隨著氣候變化加速，這將威脅到航空業(yè)發(fā)展和飛行能力建設。
我們相信，支持新技術概念和追逐夢想對行業(yè)至關重要。然而，航空業(yè)需要改變目前的工作方式，思考如何利用現有技術，實現真正的零排放或至少是真正的碳中和飛行，將更多資金投入到可立即實現的減排中。
增加可持續(xù)航空燃料產量至關重要
與傳統(tǒng)航空燃料相比，可持續(xù)航空燃料可以潛在地減少高達 80% 的生命周期碳排放，這在很大程度上取決于所使用的可持續(xù)原料、生產方法以及到機場的供應鏈。2008 年，航空業(yè)首次使用可持續(xù)航空燃料。根據國際航空運輸協(xié)會的數據，自 2016 年以來，已有超過 37 萬架次航班使用可持續(xù)航空燃料。
可持續(xù)航空燃料并沒有減少飛機燃燒燃料所產生的尾氣排放，溫室氣體排放的計算減少來自飛機燃料的生命周期。燃燒傳統(tǒng)航空燃料會釋放化石二氧化碳，開采燃料也會計算到生物圈總碳中。而燃燒可持續(xù)航空燃料，將以前被植物吸收或作為工業(yè)廢氣或家庭垃圾釋放的碳返回到大氣中，實現生命周期二氧化碳排放 “從油井到尾跡” 凈減少。對于由生物質如食用油生產的可持續(xù)航空燃料，這一比例可高達 80%。因此，由可持續(xù)航空燃料提供動力的商業(yè)航班碳排放被稱為“凈零”，而不是“零排放”。從捕獲的二氧化碳和可再生電力中產生的合成燃料，與化石噴氣燃料相比，可以實現“從油井到尾跡”100% 減排。
可持續(xù)航空燃料的產量很重要。2021 年，全球航空燃油消費量約 3 億噸，但全球可持續(xù)航空燃料的年產量僅為 20 萬噸，占比不足燃油消費量的 0.1%。專家認為，如果能進行有計劃的投資，到 2030 年，這一比例將達到 8%。
加氫加工酯和脂肪酸是一種由動物或植物油通過加氫處理制成的碳氫化合物航空燃料，到 2030 年將主導可持續(xù)航空燃料的生產，但屆時也會出現其他方法。
若想迅速擴大可持續(xù)航空燃料的生產規(guī)模，政府必須出臺激勵措施，鼓勵投資生產設施。幾家航空公司和制造商已經確定了到 2030 年達到 10% 可持續(xù)航空燃料混合水平的目標。要保證年燃料量要達到 10%，需要大量采用和生產可持續(xù)燃料。在技術層面，為盡可能有效地增加可持續(xù)航空燃料的份額，必須首先使用最成熟的技術，即加氫加工酯和脂肪酸，并盡快讓其他技術發(fā)展成熟。
如今，可持續(xù)航空燃料的生產成本平均是傳統(tǒng)航空燃料成本的 2 倍~ 4 倍。在行業(yè)成熟、生產成本降低之前，還需要政府的支持和激勵。碳排稅也是如此，這也許是產業(yè)鏈上最重要的一步，但航空公司和機場可能因此損失一部分競爭力。在歐盟內部，相關措施需要在多國討論后才能出臺落實。在生產方面，主要挑戰(zhàn)是動員投資開發(fā)多項新的大型設施，以增加可持續(xù)航空燃料產量，滿足額外需求并降低成本。
研發(fā)新渦輪螺旋槳飛機與退役老舊飛機并舉
在上世紀 90 年代末，支線噴氣式飛機扼殺了對渦輪螺旋槳飛機的大部分需求，盡管渦輪螺旋槳飛機在當時更便宜，比以前更舒適。在過去 15 年里，更大的噴氣式飛機變得更受歡迎，座位英里成本更低。
現代渦輪螺旋槳飛機比較舒適，飛行路線更優(yōu)化，600 公里內飛行時間更短。因此，與最小的噴氣式飛機相比，使用最現代的傳統(tǒng)發(fā)動機和更大的座位容量來研發(fā)新的渦輪螺旋槳飛機大大減少了碳排放。此外，采用類似技術的渦輪螺旋槳飛機的能源消耗和碳排放比噴氣式飛機少 20%~30%。因此，在人均旅客效率或人均旅客每公里效率方面，這種渦輪螺旋槳飛機比同等尺寸的噴氣式飛機更便宜。在區(qū)域和短途航線上，用渦輪螺旋槳飛機取代運營成本高的噴氣式飛機這一目標在未來 10 年內可以實現。此外，這種渦輪螺旋槳飛機還可以使用可持續(xù)航空燃料，從而進一步減排。
繼續(xù)執(zhí)飛老舊、低效飛機是不合時宜的。在不征收全球碳稅的情況下，各國政府應限制每英里座位的燃料消耗量，迫使老舊飛機退役，貨機也應如此。建議各國政府制定每噸貨物的碳排放標準。
大部分現役商用飛機仍然是窄體飛機，特別是空客 A320 和波音 737 系列。疫情防控期間，航空公司調整運營機型，退役大型寬體飛機。即使是最暢銷的兩代最新單通道飛機之間，每座公里燃油消耗也存在高達 20% 的差異。進一步激勵航空公司調整運營機型，在數年內從空客 A320ceo / 波音 737NG 機隊轉向空客 A320neo / 波音 737 MAX 機隊，將有助于減少總體排放量。這同樣適用于淘汰空客 A330、空客 A340 和波音 767 等老一代長途機型。
行業(yè)各相關方必須團結一致
從歷史上看，在對待環(huán)保問題上，航空業(yè)還是第一次觀點如此一致。盡管有國際組織協(xié)調，但是利益相關者各不相同，主要關注點也都是自己的規(guī)劃。為真正推動脫碳，我們的心態(tài)必須更加開放、更加務實，讓航空公司、機場、燃料供應商和制造商在全球范圍內為實現同一目標而密切合作。
除了像水力發(fā)電這樣的長期技術，航空業(yè)的技術研發(fā)必須針對降低可持續(xù)航空燃料的生產成本和實現有效的規(guī)模化生產。這是未來 20 年最有效的解決方案，應該在該領域投入更多研究人才和資金。在這些領域，未來 20 年仍有巨大潛力有待釋放。
監(jiān)管形勢不明朗是可持續(xù)航空燃料投資仍相對緩慢的原因之一。簡而言之，在許多情況下，我們不知道哪種可持續(xù)航空燃料和哪種生產方法將符合民航當局和監(jiān)管機構的可持續(xù)性要求。這種懸而不決的局面減緩了創(chuàng)新速度，這一問題必須盡快解決。現在我們需要全球性的證書和框架體系，避免在技術研究和建設生產工廠上花費數十億美元。資本將只用于獲得批準的技術研發(fā)，以創(chuàng)造效益。
業(yè)內人士表示，希望在 21 世紀下半葉航空業(yè)開拓下一個前沿領域，把氫或燃料電池等技術應用在所有尺寸和航程的飛機上。現在，當務之急是加快二氧化碳大幅減排，并最大限度減少航空溫室氣體排放。
“氫” 裝上陣離我們還有多遠？
近年來，對氫作為未來零排放飛機潛在能源的研究持續(xù)進行。但研發(fā)氫動力飛機還需要航空業(yè)內外付出巨大努力。從儲氫、成本和基礎設施到公眾對安全的看法，航空部門正努力讓技術變得成熟，同時應對一些重大挑戰(zhàn)。氫越來越被認為是未來飛機最有前途的零排放技術。然而，在廣泛采用前，還必須應對各種挑戰(zhàn)。
從技術方面來看，航空工程師將需要采用汽車和航天工業(yè)開發(fā)的技術，并使該技術與商用飛機運營兼容，使之減輕重量并降低成本。其中一項挑戰(zhàn)是如何在飛機上儲存氫氣。如今，液氫儲存是最具有前景的方式，而以壓縮氣體的形式儲存氫氣則對當前飛機的重量和體積形成一定挑戰(zhàn)。
此外，航空業(yè)將需要實現與現有商用飛機相同或更高的安全目標。事實上，在設計和運營當今的煤油動力飛機時，已經考慮到了廣泛的安全預防措施，這種嚴格的方法確保了行業(yè)多年來始終如一的安全紀錄。因此，在氫動力飛機升空前，氫推進系統(tǒng)需要達到同等或更高的安全水平。
另一項關鍵挑戰(zhàn)是液氫在機場的可用性和成本。海洋、湖泊和大氣中有大量的氫，但若應用在工業(yè)領域，必須氫氧分離。如今全球每年生產的氫氣超過 7000 萬噸，氫氣主要從天然氣(即灰氫)中提取出來。在通過化石燃料提取氫氣時，氫氣生產是能源密集型的，每年排放約 8.3 億噸二氧化碳。由可再生能源發(fā)電驅動的電解槽則通過水電解提取 “綠色氫”，從而實現低排放。目前，全球專用氫氣生產中只有不到 0.1% 被認為是 “綠色氫”，但這種情況可能發(fā)生改變。
目前，對能夠生產 “綠色氫” 的電解槽的需求快速增長，預計到 2030 年，歐盟電解槽產能將達到 40 吉瓦。因此，“綠色氫”可用性的增加有助于到 2030 年將其成本降低 30%，到 2050 年降低 50%。
業(yè)內人士認為，可再生能源成本的下降和制氫規(guī)模的擴大，可能使 “綠色氫” 比現有選擇(如噴氣燃料和可持續(xù)航空燃料)在成本上更具競爭力。具有成本競爭力的 “綠色氫” 和跨行業(yè)合作伙伴關系將是實現零排放飛行的必要條件。但要想真正實現氫能在整個航空業(yè)的廣泛應用，就必須讓全球機場都能使用氫能。目前相關技術還處于起步階段，主要挑戰(zhàn)在于制訂大規(guī)模運輸和基礎設施解決方案，從而為機場提供飛機燃料所需的必要氫氣。
國際能源機構最近的一項研究表明，重新利用現有基礎設施，包括用于運輸天然氣的數百萬公里的管道，可能是一項具有成本效益的解決方案。因此，大量氫氣可以通過管道從生產地點運輸，而少量氫氣可以通過卡車運輸。此外，一些機場特別是可再生能源供應設施在附近的機場，可以建設必要的基礎設施來支持現場氫氣生產。空客公司目前正在與機場、航空公司合作，以確保必要的氫基礎設施到位，包括研究如何在本世紀 20 年代采用分步方法實現所有與機場有關的地面運輸(即貨運卡車、客運巴士、飛機拖船等) 脫碳，預計這將為本世紀 30 年代飛機的氫可用性鋪平道路。
40 多年來，氫作為工業(yè)化學品和太空探索的燃料被大量安全地使用。事實上，每年都有數百萬立方米的氫氣被運輸和處理。然而，公眾對氫氣安全性的認知仍然較低。在最近的一項調查中，只有 49.5% 的被調查者認為氫氣 “一般是安全的”。隨著氫燃料日益成為汽車和公共汽車等新型交通解決方案實施的支柱，公眾對氫燃料的看法可能發(fā)生變化，這或許會對氫燃料在飛機上的應用產生積極影響。在航空領域廣泛采用氫能的道路仍然很長，但跨行業(yè)的國際協(xié)調有望支持氫經濟的發(fā)展，有助于實現未來 20 年雄心勃勃的全球減排目標。
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