雙碳戰略下的新能源航空發展展望

2020~2060年我國航空業減少碳排放路線。

圖1　2000-2050年全球航空業歷史及預測碳排放量。

紀宇晗

　　2020年我國正式提出「雙碳」戰略目標，預計到2030年非化石能源消費比重達到25%，爭取實現碳達峰戰略目標；2060年全面建立清潔低碳高效的能源體系，爭取實現碳中和戰略目標。隨着經濟的快速發展，航空產業佔我國碳排放總量的比重越來越高，發展新能源航空是響應國家「雙碳」戰略要求，實現航空產業高效可持續發展的必然選擇。本文對全球新能源航空發展現狀進行分析，為我國新能源航空的發展提供參考借鑑，針對我國戰略需求提出新能源航空發展路線圖和總體規劃，為我國航空產業綠色低碳轉型提供了重要的理論支撐。

背景介紹

從第一架飛機發明到現在有超過100年的歷史，飛機對擴大人類的活動空間、加快社會經濟的發展和節約人類交流的時間起到了極大的推動作用，但帶來許多便利的同時也對人類賴以生存的環境造成了危害。全球航空業快速發展對環境造成的危害主要體現在三個方面：飛機飛行帶來的化石燃料廢氣排放必然導致空氣污染；由於發動機排放的温室氣體加速全球變暖，導致更嚴重的環境問題；在飛機起飛和降落時，巨大的噪聲會對機場附近的生產生活帶來影響。

　　新冠肺炎疫情暴發之前，全球航空業的需求處於不斷增長階段。研究表明，目前民航碳排放量約佔全球碳排放的2.5%到4%，從2015年到2019年航空業造成的直接二氧化碳排放量增加34%。儘管新冠肺炎疫情導致全球航空業出現階段性停擺，但是隨着疫情逐漸得到控制，航空運輸業逐步恢復，未來幾年航空業二氧化碳排放量將繼續增大。即使能達到每年燃油效率提升2%，航空業年增長率3%~4%的理想狀態，按目前航空業排放標準，預計2050年航空業造成的二氧化碳排放量仍將超過1500億噸，較2019年的600億噸增加近1.5倍（如圖1所示）。全球航空業對環境的壓力持續增大，如何緩解飛機對環境的影響已經成為亟待解決的問題。

　　國際航空相關組織致力於推動航空碳減排，對飛機碳排放要求越來越嚴格。2016年，國際民航組織（ICAO）確定「國際航空碳抵消及減排機制」（CORSIA）的實施框架，以期航空業在2035年實現碳達峰，2050年實現碳中和目標。2021年，航空運輸行動小組（ATAG）發佈聲明承諾：全球民航運輸將在2050年實現淨零碳排放目標。

　　近年來，我國民航業同樣重視綠色低碳航空的發展。2021年12月，中國民用航空局發佈《「十四五」民用航空發展規劃》，將建設「綠色航空」作為我國航空運輸業發展的主要目標之一，明確要求2025年航空運輸噸公里二氧化碳排放量相比2020年下降4.5%，單位旅客能耗下降10%。但根據我國民航局的統計數據，2020年以前中國航空運輸業二氧化碳排放量年均增幅為14.8%，減碳任務面臨巨大壓力。

　　新能源飛機是以實現未來零碳排放飛行為目標，使用氫能或電能等新型能源來減少航空運輸業對污染大的化石能源依賴的綠色航空技術新型飛行器。新能源飛機的應用可以減少航空碳排放，讓乘客以更環保的方式進行航空旅行，有助於應對氣候變化，邁向更綠色的未來。美國國家航空航天局（NASA）研究認為，電推進飛機可實現節能超過60%、減排超過90%、降噪超過65%的潛在收益。歐盟認為氫動力飛機是實現歐洲2050碳排放要求的唯一途徑。新能源飛機是一次對飛機能源系統的革命，與電動汽車的發展軌跡一樣，它改變了傳統飛行器的設計思路，從綠色環保、高效節能理念出發，優化整個飛行器的設計，極大地提高了飛行器的環保性、舒適性、可維護性以及經濟性，代表了先進飛行器技術的發展方向。

　　爲了實現航空碳減排，飛機使用的新能源主要有兩種方案。第一種方案是使用可持續航空燃料（SAF），包括生物燃料、合成燃料等，減少化石能源使用，使航空業實現碳排放的減少；第二種是開發新的推進技術，包括氫燃料電池/氫燃料渦輪推進、電推進/混合電推進等方式，消除或減少飛機造成的二氧化碳排放。電推進主要包括三項核心技術：儲能電池（鋰離子電池、燃料電池、太陽能電池、超級電容或其他種類的電池等）、高效電機、電力電子控制設備。這種推進方式結構相對簡單，但存在電池能量密度瓶頸，主要應用於城市空運、通用飛機、無人機或中小型支線飛機。基於氫能源的氫燃料電池/氫燃料渦輪推進是實現航空碳減排的重點研究方向，與化石能源相比，其優勢是可以完全消除二氧化碳排放，且氫能源可以實現無碳生產。與電推進相比，壓縮后的氫在重量和體積上都具有更高的能量密度，可以應用於中大型的干/支線飛機上，在以實現碳中和為目標的航空新時代，氫能源有可能成為未來飛機的關鍵能源之一。

新能源航空發展現狀

全球新能源飛機產業鏈與傳統航空器具有相似的體系結構，一般以整機主承包商為核心，系統承包商、分系統承包商、零部件供應商和原材料供應商共同參與、相互支撐，採用「主承包商+四級配套供應商」集羣式發展模式，主要特點有：新能源飛機產業鏈中，位於上游的主承包商，除波音、空客、洛克希德·馬丁等傳統巨頭以外，新加入了大量航空初創公司，主要聚焦城市空運（UAM）和通用航空（GA）市場；產業鏈中游吸引了許多非航空供應商加入，主要提供大功率電機、各種電池、電力電子控制系統等新能源飛機部件，此外加入了氫能、SAF等綠色航空能源運輸與存儲的基礎設施供應商；綠色可持續能源生產供應商在產業鏈下游的佔比和重要程度大幅增加，綠色氫燃料和SAF的產能成為新能源飛機產業鏈的核心。

　　全球新能源飛機市場正在蓬勃發展。羅蘭貝格諮詢公司預測，城市空運（UAM）在投入運營后將以每年46%的複合增長率擴張，到2040年將有43萬架新能源通勤飛機投入使用，到2050年全球95個主要城市將會有9.8萬架新能源通勤飛機運營；摩根士丹利諮詢公司認為，到2040年城市空運（UAM）和通用航空（GA）市場規模將達到1.5萬億美元，其中中國將佔據約1/4的市場份額。根據相關研究機構的統計，全球範圍內目前有約300型新能源飛機項目正在進行中。新能源將會對機場、航空公司、飛機租賃公司和製造商帶來巨大的影響。從項目投資方來看，約有60%的項目是由創業公司和獨立人士投資，現有航空公司佔了30%投資，其他10%左右的投資來自機構和其他企業（如NASA，以及包括西門子和谷歌在內的大型非航空公司），這些數據突顯出來自傳統航空和國防領域外的興趣與航空業內相比是更強的。從產品定位來看，大多數電動飛機都在朝着通用航空（GA）或城市空運（UAM）方向發展，10座級以下的UAM項目超過90%，10座級以上的項目約佔10%；從項目來源地區看，大部分的項目都在傳統的航空市場，即歐洲（48%）和美國（35%）。但在其他地方也有一些值得注意的動向，特別是中國億航公司的億航184電動垂直起降飛機（eVTOL）、以色列Eviation公司的「愛麗絲」電動支線飛機、巴西航空工業公司與優步合作提出的空中出租車概念等；從技術方案來看，純電和油電混動項目超過85%，其余15%為氫動力和SAF，近年來的新項目中氫動力方案數量上升，約佔2021年新項目的1/3左右。

新能源航空發展路線

巴黎協定對全球改善飛機環保性能提出新要求，營造綠色航空的呼聲越來越高。國際民航組織、美國和歐洲都制定了一系列標準和指導文件，從節能、減排和降噪等方面引領綠色航空發展。本文也將從上述角度探討我國的新能源航空發展規劃。我國的綠色航空總體規劃應充分考慮雙碳戰略目標和國內航空產業實際發展情況，以2030年碳達峰和2060年碳中和為關鍵時間節點。在2030年以前主要依靠改進現有飛機、提高航空燃料生產工藝、優化民航運營等常規手段降低碳排放，在2030年到2060年重點進行新能源航空製造業和燃料生產的轉型升級，最終實現相比2019年的二氧化碳排放峰值降低50%的碳中和目標。

　　縱觀全球新能源航空產業，以eVTOL為代表的城市空運發展迅速，但未來會佔航空運輸業減少碳排放絕大多數份額的新能源干支線飛機仍處於起步階段，各國企業和研究機構以技術論證和概念設計為主。短期來看，要想快速佈局城市空運市場，應優先發展混合動力飛機。純電動飛機是城市空運機型的熱門方案，但因其存在電池能量密度瓶頸，目前難以應用於中大型干支線飛機。而針對中大型飛機的氫渦輪相關技術尚不成熟，因此氫燃料混合動力飛機是現階段發展支線或干線飛機的可行方案之一，國外航空企業和研究機構也大多數選擇了該方案。而就中長期的發展路線而言，則應以氫燃料混合動力飛機為切入點，逐步過渡到完全的氫渦輪干/支線飛機。同時，建議積極培育國內新能源飛機市場，開展新能源飛機在飛行培訓、旅遊觀光、客貨運輸等領域的試點運營，推動新能源航空適航標準專業委員會工作，加速新能源飛機中國標準制定，並在2050年前后實現完全自主、覆蓋全部市場和產品線的新能源飛機產業鏈。推動我國新能源航空的快速發展。

　　種種跡象表明，新能源航空時代正在向我們走來，這並不是假設，而只是時間問題。

　　面對國家雙碳戰略目標，大力發展新能源飛機已經迫在眉睫。新能源飛機的發展，不僅可以解決航空污染排放問題，還將帶動清潔能源、清潔電力等新技術、新領域的快速發展。當前，我國在商用新能源飛機研發方面基本與國外同步，由遼寧通航研究院研發的雙座鋭翔電動飛機同時獲得型號設計批准書和生產許可證，現已開始交付航校進行飛行培訓。深圳億航公司研發的億航184/216單/雙座多旋翼載人無人駕駛飛機也已經開始進行演示飛行。但總體上看，我國新能源飛機研發力量相對薄弱、研發項目少、研究的系統性和深度不夠、以我為主的創新性研究較少，基本上還處於跟蹤研究的階段。如何面對新能源航空蓬勃發展的時代浪潮，是我國航空產業必須深思的問題。

　　（作者單位系中國航空工業發展研究中心)