航空业的双碳难题

中美两国作为世界上民用航空最大的两个市场,合计排放了全世界民航业约40%的碳排放。

【环球旅讯】(特约评论员 李瀚明)对于航空业而言,降低碳排放并非易事。使用替代性燃料面临着「与粮争地」的核心议题而饱受争议,改用电力等能源则面临着安全和轻量化的双重夹击。

全球航空业每年承运约45亿名乘客,大概排放10亿吨左右的二氧化碳。这一数值大约占全世界总排放量的2%,与日本全国的碳排放量(11亿吨)相当。如果计量每位乘客的碳排放的话,每位旅客大概排放200千克左右的二氧化碳。而就中国的航空业而言,身兼全国政协委员的东航集团董事长刘绍勇在其撰写的政协提案中表示,中国民航飞机碳排放约1亿吨,占全国碳排放比重约1%,旅客人均碳排放176千克。

作为世界第一民航大国,美国民航业的碳排放量约是中国的三倍。2019年,美国民航运输业共排放了2.92亿吨的二氧化碳(其中美国国籍承运人2.15亿吨,外国国籍承运人0.77亿吨),每位旅客排放约250千克。中美两国作为世界上民用航空最大的两个市场,合计排放了全世界民航业约40%的碳排放。我们这一次将以美国民航市场为例,思考航空业在实施碳排放方面的难题。

航空业的碳排放同样受到规模效应影响

根据美国联邦航空局(Federal Aviation Administration,FAA)在2019年对全美飞行记录的统计,美国承运人一共运输了7203.28亿吨公里负载(包括旅客、行李和货物),排放了2.15亿吨的二氧化碳。平均计算一下的话,每吨负载每公里需要排放300克二氧化碳左右。

当然,航空运输业的碳排放,随着具体的细分市场的负载比例而有所不同:

可以看到,在全美最大的六大航空公司(共计运输5133.67亿吨负载,占7203.28亿吨公里的负载中的71.3%)中,主攻货物运输的联邦快递(FedEx)和联合包裹(UPS)的每吨公里负载仅排放210克二氧化碳左右,大概是旅客航空公司的七成。

这是因为航空器的总每公里碳排放和总重量成正相关,而总重量大致等于机身结构(包括机舱内的座椅等设施)的重量+负载重量。因此,单位负载的每公里碳排放约等于油耗系数×((机身重量+负载重量)/负载重量),即油耗系数×(1+机身重量/负载重量)。因此,要想减少燃油排放,同等重量的机身,负载越多,单位负载的碳排放越低;同等重量的负载,机身越轻,单位负载的碳排放就越低。一般而言,以全货机为主的航空公司受益于较低的机身重量(货物不需要座椅、厨房、洗手间等一系列配套设施),而有较好的碳排放表现。

当然,我们也需要考虑另外一件事情:飞行过程。飞机的飞行过程大体上可以分为三个阶段:起飞阶段、巡航阶段和降落阶段。容易发现,不论飞行距离多长,起飞、降落阶段的碳排放都是相对固定的;而巡航阶段的碳排放则随飞行距离的延长而不同。考虑到我们以「吨公里」衡量碳排放,因此飞行距离越长,起飞和降落阶段的碳排放就越低,从而降低整体的碳排放。

长途航班更节约碳排放的另一个原因在于它们可以在空气更稀薄的高空巡航。例如长途干线航班通常的巡航高度可以达到一万米,但短途的支线客机往往只能在四千米甚至更低的高度巡航。流体动力学告诉我们,阻力和流体密度成正比:海平面的空气密度约为1.2克每立方米;4000米高空的空气密度是0.8克每立方米;而在万米高空,空气密度只有0.4克每立方米。因此,在万米高空巡航的空气阻力,很多时候只有4000米高空的一半。

因此,在货物航空公司中,以洲际大批量货物运输为绝对主力的Polar Air(159克)、Atlas(187克),每吨公里负载碳排放就相比联邦快递(207克)和联合包裹(213克)等兼有国内配送业务的公司更低;在客运航空公司中,身为干线航空公司的联合航空(301克)、达美航空(318克)和美国航空(321克)、西南航空(326克)的碳排放,又比支线航空公司的Mesa(529克)、Compass(547克)、SkyWest(586克)要低。在支线航空公司中,甚至有每吨公里727克的超高排放航空公司(Air Wiscousin)。

事实上,短途航班是全美相对而言碳排放最高的部门:占全美收入负载吨公里4.93%的支线航空公司,排放了10.03%的碳排放;介于中间的62.49%运力,排放了65.81%的碳排放;而好于全美平均的32.58%运力,仅仅排放了24.16%的碳排放。因此,欧盟国家已经开始对有高速铁路替代的民航服务施加禁令:

在技术上,世界各国的空管部门普遍在进行的一个工作是连续爬升离场(Continuous Climb Operations)和连续下降进近(ContinuousDescent Operations),合称CCO/CDO。连续爬升和连续下降可以减少飞机在空气阻力较大的低空空层内飞行的距离,从而节约燃油消耗和二氧化碳排放。香港国际机场是中国最早实施CCO/CDO程序的机场(2007年),而广州白云国际机场是中国内地最早实施CCO/CDO程序的机场(2016年)。

在CCO/CDO的基础上,部分国家开始增加下降率,令飞机以更陡峭的角度下降,从而进一步降低飞机的空气阻力。东京的羽田国际机场是第一个采用3.45度下降率的机场:相比传统的3度下降率而言,飞机可以多在万米高空飞行24.9公里,每次落地省油约20公斤,减少约64公斤的二氧化碳排放。

电动飞机的困境:安全性

分析完了民航业碳排放的主要因素(从负载的角度来看是负载占飞机总重量的比例、从距离来看是高空巡航比例占总飞行距离的比例),我们来看看一些常见的民航业解决方案为什么在现在而言只能停留在实验室阶段。

我们的第一个分析对象是电动飞机。电动车相比燃油车的能源效率确实提升不少,但换在飞机上是否如此呢?

电动汽车相比燃油汽车的最大特点,是车辆明显重很多。车辆尺寸相近的情况下,电动汽车相比燃油车多出了300千克(约20%的车重)。这是因为要达到相近的续航里程,即使不需要安装发动机等部件,仍然需要装备沉重的电池组件导致的。

通常而言,电动汽车能够续航500公里的电池组的重量大概占空车重量的三分之一(1.8吨左右的车,电池组约为0.6吨)。我们假设飞机也是这个比例好了。一架B737-800客机的空机重量大概是41吨,因此为了续航500公里,就需要装置14吨的电池组;如果需要续航5000公里(B737-800客机通常的最大续航里程),可能就需要140吨的电池组。

我们姑且不讨论将这么重的电池装在737上这件事本身是否可行,但这么重的电池组会有一个问题——安全性。2010年9月3日,联合包裹(UPS)一架载有81000枚锂离子电池(约重4吨)的747-8货机(UPS006)因为锂离子电池起火在阿联酋迪拜坠毁;2011年7月28日,韩亚航空(Asiana Airlines)一架载有400千克锂电池的747-400货机(OZ991)在机上着火之后在济州岛旁边的海域坠毁。

数百公斤的锂电池烧起来尚且如此,那么14吨的电池组烧起来会如何呢?还真有例子。2021年8月6日,特斯拉在澳大利亚墨尔本郊区的一个实验性Megapack电池组(重约13吨)着火了。这一火灾花费了消防员四天四夜的时间,才因为完全燃尽而得以控制。

另外一个需要考虑的因素是自重的经济性。与汽车在大部分时候不需要爬坡不同,飞机需要频繁地爬上万米高空,又需要频繁的。因此,多出来的自重会成为一个巨大的阻碍。

如果稍加留意的话读者可以发现,除了技术原因导致的燃油密度之外,电池和燃油的储能逻辑也不同。燃油是典型的「定密度,变重量」——「少加一些油」的情况下,燃油重量下降,燃油所携带的能量也下降;但是电池是典型的「定重量,变密度」——「少充一些电」的情况下,锂离子电池组的重量没有下降,是通过锂离子电池中正负极的能级变化改变来改变所携带的能量多少的。

这带来了两个问题:第一个问题是我们刚刚所说的「负载重量和机身重量」的问题。航空公司可以通过改变燃油加注量改变机身重量,从而降低能源消耗。而第二个问题和飞机的起落架和轮胎系统有关。

飞机的起落架和轮胎系统在降落时需要将飞机平稳「接」到地面上,因此相比起飞时能承担的总重量更低。以波音777为例,飞机起飞时起落架能承担的「最大起飞重量」是350吨,而飞机降落时起落架能承担的「最大落地重量」是250吨。在加注燃油的场合,燃油本身在飞行中被消耗,因此不必占据「最大降落重量」,可以最大限度装载负载;但是在充电的场合,电池组不会在飞行中被消耗(我们刚刚提到只是能级降低),所以还要占据「最大降落重量」,进一步削弱飞机的负载,提高实际上的能耗。

因此,电动飞机现在处在一个尴尬的情况:它只能短距离、低负载使用,可能根本无法取代现有的喷气式飞机。

生物航油的困境:真的是废物制造的吗?

另外一个被航空业视为双碳重点的则是生物航空燃油(又称可持续航空燃料,SustainableAviation Fuel)。和其它石油消耗领域的生物燃料替代(例如乙醇汽油和生物柴油)类似,生物航空燃油希望通过植物和动物油脂(即俗称的「地沟油」)取代从地底下开采的化石能源。

但是这有一个问题——这些植物和动物油脂从哪里来。二十年前的2003年,欧盟和美国开始立法发展可持续燃料,使得市场上对生物油脂的需求激增,投资者纷纷下场参与。

一开始的时候,生物燃料使用的是粮食(例如大豆和玉米)。大豆榨油,玉米制淀粉是自古以来的手艺,技术上没有什么阻碍,成本也不高。能源资本的涌入推高了能源业界对大豆和玉米等粮食作物的需求,从而使得全世界的粮价急升。2007年开始,国际谷物出口价格大幅上涨,涨幅达到40%之多,以至于在很多不发达国家造成了社会危机。

在粮价大幅度上涨之后,各国政府意识到以粮食作物制造生物燃料实在是一地鸡毛得不偿失,于是陆续禁止通过粮食作物制造生物燃料。在转型过程中,投资者渐渐发现了最适合制造生物燃料的方法——棕榈。

生长在巴西和东南亚等热带地区的棕榈相较其它作物而言有很大的优势:它的土地利用效率(每亩土地每年500斤)是大豆的7.7倍,葵花籽的5.5倍,花生的5倍,油菜花的4.8倍。在极盛时期,棕榈油以油料作物用地的10%,生产了世界35%的植物油。

棕榈油在被用作生物燃料之前的主要用途,是作为廉价的食用油来源——其中又以油炸食品使用为最多。不过它有一个问题:容易肥胖,不太健康。因此,如果没有生物燃料,棕榈油的需求其实是略有下降的。生物燃料使得棕榈油行业一下子注入了强大的需求。

因此,巴西、马来西亚和印度尼西亚的农民开始放火烧山以开辟棕榈种植园。但这带来了另一个问题——砍伐森林本身会导致二氧化碳排放。因此,欧盟在2015年掐指一算,发现如果把生产这些棕榈油而砍伐森林的行为导致的碳排放算进来,基于棕榈油的燃料的碳排放是化石燃料的三倍。欧盟一看得不偿失,旋即宣布禁止棕榈油基生物燃料进口。这还招来了印尼和马来西亚的抗议——这两个国家有接近两千万人依靠种植棕榈谋生。

可以看到的是,以「一手油」生产生物燃料,实属得不偿失。因此,现在有很多厂商试图以「二手油」(也即餐饮业的废弃油脂等)生产生物燃料。但以废弃油脂生产涉及到油脂回收和再处理体系的建设,投资远大于投资棕榈种植园。因此,甚至出现了将从不发达国家收购来的「一手油」包装成「二手油」,进口到欧盟国家以规避限制,骗取政策补贴的荒唐事。

事实上,与其说生物燃料政策是「减少碳排放」,不如说是「转移碳排放」。生物燃料可能在账面上减少了发达国家的喷气式客机的碳排放,但与此同时带来的对最不发达国家土地资源的掠夺性利用(例如放火烧山)使得这些国家的碳排放急剧上升。这只会带来一种局面:看上去「碳中和」了的发达国家,站在「节能减排」的道德高地上,对碳排放急剧增加的发展中国家和最不发达国家指指点点。中国对这一局面是非常熟悉的——身为世界工厂的中国,早已是世界第一大温室气体排放国家——但中国的温室气体排放,又有多少是为了满足海外国家的消费需求的呢?

总结:节能减排不靠说,靠做

对于航空业而言,碳排放几乎是原罪。目前试图解决这一问题实现碳中和的目标都不太靠谱——如果说电动飞机是技术上存在明显的缺点的话,可持续航空燃料的主要问题则在于它现在的道义虚伪性。与其试图通过将碳排放转移到别的地方(例如发电厂或别的国家),不如仔细思考一下如何切实降低自己的能源消耗。

李瀚明
李瀚明

李及李数据分析公司 创始人

李瀚明先生是环球旅讯的特约评论员。除了为环球旅讯提供时事评论和专栏分享之外,他也经营着一家名为李及李的数据分析公司,在世界各地为航空公司、酒店、汽车行业提供全面而细致的数据分析服务。欢迎通过微信 130 220 55270 或者邮件 jason@cn.hanming.li 和他联系。

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