行业前瞻｜2050年净排放：一个遥不可及的目标？

航空业能否在2050年之前实现国际航空运输协会（IATA）设定的零碳排放目标？英国皇家航空学会会士KEITH HAYWARD教授收集并比对了相关证据。

国际航空运输协会（IATA）于2021年10月举行的第77届年度大会签署了到2050年实现零碳排放目标的承诺。

这为飞机设计、燃料基础设施、商业模式以及我们航空运输系统的物理基础设施带来了挑战，但这一目标是否可实现呢？

在行业内，观点多种多样。卡塔尔航空前首席执行官Akbar Al Baker认为：航空业的减排目标是“一场公关运动”行业将无法实现其最初的2030年减碳目标，也将无法实现2050年的零碳排放目标。

与此同时，国际航空运输协会总干事Willie Walsh表示更为乐观，但强调要实现这些目标既不容易且需要大量资金投入。航空业是一个减排难度很高的行业，目前实现该行业雄心勃勃的2050年零排放目标的路径狭窄而不明确。

经过三年的深入研究，涵盖了全电动飞机的整个生命周期，Tecnam在2023年6月得出结论，其P - Volt项目的时机“尚未成熟，尽管研究活动将继续探索新的新兴技术” 。（罗尔斯-罗伊斯）

尽管作为技术验证器获得,但有必要强调JetZero的原型机目前尚未与美国空军的下一代空中加油系统(NGAS)或下一代空运机(NGAL)计划项目直接相关。

然而，我们仅仅只有差不多25年的时间来实现IATA的绿色目标。在技术层面上，这点时间差不多是航空业从第一次运行商业喷气飞机到生产出高涵道比喷气机动力宽体客机问世所用的时间。

航空与绿色能源的组合，加上去监管化，开启了大规模空中旅行的时代，并建立了一个与世界经济增长同步发展的需求曲线。在一切持平的情况下，预期这种模式将无限期地延续下去，得益于世界上一些地方经济增长支持下的需求，这些地方之前并没有大量的人因公务或娱乐需求而乘坐飞机。

在维持当前全球机队飞行所需的资源方面，2021年航空燃油的总消耗量为80亿加仑，为全球超过25,000架飞机的全球机队提供动力。

在未来20年内，全球新飞机订单总数将达到40,000架，这将导致在航空业达到碳中和目标时，传统动力的大量客机仍将处于运营状态。到2050年，如果一切持平，对喷气燃料的需求将超过两倍，这反映了预测显示燃料消耗增长速度比任何其他运输部门要快的多。

为了在2050年保持当前水平的排放，燃油效率将需要翻番，同时还要使用替代燃料。保守估计，这将需要在当前研发成本的基础上多投资9,000亿美元。

更为积极的一点是，在过去50年里，每公里每乘客的排放量减少了80%，这反映了60年代末和70年代初推出的创新所带来的巨大变革。与此同时，通过现有技术基础挤取更多效益变得越来越困难。

2023 年，维珍航空 (Virgin Atlantic) 驾驶 100% SAF 航班飞越大西洋，这是大型商业客机的首个航班。（维珍航空）

可持续航空燃料（SAF）是最直接的航空燃油替代品，对飞机和发动机设计或航空运输基础设施的改变很小。早前的一篇文章（《航空宇航》杂志，2023年6月，第21页）详细分析了可持续航空燃料（SAF），文章主要观点是：

使用SAF燃料的飞机将减少碳排放，但仍然存在净碳排放。最好的情况是，SAF最多可以贡献约65%的减排，以实现航空业的零碳目标所需的减排量。 

这假定是在生产的大规模增加且有计划迅速提高产能的基础上作出的。航空业可能会在可持续航空燃料的食用原料上面临竞争，因为其他交通形式也在寻找类似的“简单”解决方案。近期，航运业已经制定了2050年的目标，而航运每年使用的燃料量达到3亿吨，相比之下，航空业为1.76亿吨。

人们对于用于SAF生产的食用原料的可用性以及如果这加剧了全球粮食短缺可能存在的道德问题有着重大的担忧。

尽管私营部门正在增加对SAF的投资，包括几家由航空公司支持的努力，但为了满足预测的需求，将需要大量的公共资金。

全电动的Eviation Alice设计用于容纳9名乘客和两名机组人员。该原型于2022年9月27日进行了首次-也是迄今为止唯一一次-飞行，试飞员史蒂夫·克兰(Steve Crane)获得了实验试飞员协会(Society of Experimental Test Pilots)的Iven C Kincheloe奖。(Eviation)

其他替代方案又如何呢？电池能源以极小的损失存储电能，但当前电池的重量限制了它们在远程、高容量飞机上的应用。未来25年可以期待电池技术的改进，但纯电动动力将仅限于短途飞行。

充电需求还可能延长目前的周转时间，影响低成本航空公司的商业模式。由于取证规则将电池视为飞机的一部分，目前禁止更换已充电的电池，还存在如何保持应对常规空中交通管制延误和改航的紧急备用的问题。

全电动或混合动力的短途飞机预计将于2030年投入使用，但实际可以预期的1500公里飞行范围的服务仅占航空业总排放的20%。

最乐观的情况是，电动动力对2050年的目标将产生边际影响，其贡献可能会受到电动车需求迅速扩大导致电力供应成本上升的影响。其他因素，如化石燃料发电破坏绿色价值观，以及法国禁止短途飞行等行动，可能会进一步减少对2050年目标的实质性贡献。

瑞典的心脏航空航天公司正在开发ES-30混合动力30座支线客机，计划全电动飞行124英里，或使用SAF发动机供电时飞行247英里。

混合动力引擎可能会对实现上述目标有所帮助，但它们也不是完全的解决方案。这表明了一种混合飞行方案，其中传统燃料（最好是可持续航空燃料）支持并为电动动力源充电。然而，“圣杯”仍然是一场在电池技术领域的革命，可以显著增加飞行范围。

较小的竞争者，如电垂直起降飞机（eVTOL），例如计划在明年巴黎奥运会上推出的空中出租车服务，对于那些寻找（并且负担得起）避免交通拥堵的替代方案的人来说将是一项福利。这并不是一种廉价的替代方案；每架飞机的前期成本范围从100万美元到400万美元不等，根据《经济学人》的数据，每公里的价格高达7美元。即使它们的运营经济学能够与现有的空中和地面替代方案相匹配，电动飞行也不会对实现2050年航空目标产生太大影响。

一些全尺寸示范飞机已经飞行了一段时间，一些制造工作已经开始。例如，总部位于美国的Beta公司已经投资了1.5亿美元用于设施，并致力于改进电池技术。其他公司正在投资于用于处理电动空中出租车的垂直起降飞机港口。然而，总体而言，电动动力并不是应对2050年挑战的答案，尽管它可能改善富有和强大的人们在全球排放计数方面的公关形象。

Universal Hydrogen公司生产的转换套件可以改造现有的飞机，使它们能够使用氢气。该套件由专有的储氢罐模块与magniX电动机和Plug Power生产的燃料电池相结合组成。该公司的Dash-8概念验证飞机于2023年3月2日首飞。（Universal Hydrogen）

氢气，如果通过由可持续发电（即所谓的绿氢）提供动力的电解产生，从环境角度来看为航空业提供了更好的选择。

氢能包含喷气燃料的三倍能量，大约是目前锂电池的200倍。主要的缺点是它需要更多的体积（大约是燃料的四倍）来储存。目前空客的工作表明，氢能仍然有潜力在大多数中长程飞机中替代燃油。该公司认为，这些飞机可能在2030年投入使用。

然而，这就意味着到2050年，仅仅为了保持英国的机队在空中运行，每年就需要2到4百万吨的氢气。目前英国的氢气生产约为每年70万吨。

全球而言，到2050年，这一需求将上升至7000万吨，这是2022年全球总产量。更广泛的挑战将是产生足够的可持续发电来不仅生产氢气，还为未来十年内将取代内燃机动力的更大型电动车提供动力。

社会范围更广泛地转向基于氢能源的交通系统可能对其在航空业的使用产生积极和消极的影响。对更广泛需求的基础可能会促使投资，也许更重要的是，促使国家对氢能源的生产和供应基础设施提供支持。后者将需要大量投资，以保障向机场输送液化氢为飞机提供燃料的任务。

然而，对这相对稀缺的商品的竞争可能会推高价格，对航空公司运营成本产生相应影响。我们将考虑替代方案的经济性，与所有替代燃料一样，廉价飞行的时代可能正在成为历史。在短期内，绿色氢也可能不会是燃料的首选来源，而是其环境挑战更大的近亲“蓝色氢”。这是通过将天然气转化为氢气并捕获所产生的二氧化碳而生产，这种方法在规模上仍然需要充分验证。

乐观主义者认为，到2030年代中期，氢燃料的成本将与航空燃油相当，因为它在其他形式的交通和供暖中变得更广泛使用。空客认为，到2050年，30%的远程飞机将采用氢气动力。然而，完全替代可能还需要超过25年的时间，可持续航空燃料及其缺陷可能是减少排放的唯一现实途径，但可能仍然无法达到2050年零碳目标。

实际上，正如空客预测的那样，未来将由可持续航空燃料、氢气和电动动力的飞机混合构成。即便如此，这一转变将在全球范围内耗资数十亿，甚至数万亿美元。

ZeroAvia和壳牌正在合作开发氢机场加油生态系统(HARE)。这包括加油系统和机场管道。(ZeroAvia)

有人提出氢气可能像天然气和石油一样存在于自然储层中，如果实现，将在一定程度上缓解对人工制备来源的压力。然而，这些观点距离得到证实还有很长的路要走，而且只是增加了有关氢气可用性和成本的另一层不确定性。《经济学人》指出，目前有超过1,000个氢气项目正在进行中，到2030年对生产的投资可能达到3200亿美元。然而，这可能远远不够：要达到普遍的零碳目标，可能需要在已承诺用于氢气生产的资金之上再增加3800亿美元才更为现实。

最关键的问题是，一些形式的国家援助将是必要的，以满足能源密集型产业的需求，比如水泥业，它将是与航空业争夺氢燃料的强大竞争对手。

有助于这一点的可能性来自氢能源广泛使用的趋势，包括供暖和地面交通。到2050年，航空业所需的基础设施可能已经建成，尽管很少有其他应用需要昂贵的液化过程。其他缺点包括“受热蒸发”（在运输和储存过程中的物质损失），这需要通过缩短供给距离以解决上述问题。

空中客车公司和阿丽亚娜集团宣布了一项联合项目，到2025年在布拉尼亚克图卢兹机场为zero飞机建造一个液氢加油设施。(客车)

世界经济论坛和剑桥大学AIA（Aviation Impact Accelerator）团队提出了一种对替代燃料的乐观看法。他们认为，2035年氢燃料电池可以用于电气化中程飞行，纯电动马达将用于短途飞行，氢气用于长途飞行，其中关键假设包括到2035年锂电池将能提供400公里的航程；到2050年将增至600公里，这将是现有电池技术的极限。

氢燃料电池技术的排放主要是水，对尾迹云形成可能有一定影响。这可能是2,000公里以内飞行的一种选择。同样，在2050年可能增加到4,000公里。全氢动力还将水释放到大气中且没有其他有害排放，这将是长途飞行的解决方案。然而，该报告承认在实现这一未来之前需要达到几个关键阶段，并且在减轻冷凝尾迹效应方面还需要进行更多工作。

空客的ZeroE概念图（空客公司）

在关于达到2050年绿色目标的技术辩论中，一个关键缺失的要素是对成本及更广泛的经济影响的进行全面分析，一些计量经济学研究给予了一些提示。基于德国数据的第一项研究表明，转向氢燃料可能导致机场维护和存储成本增加高达17%。

与“绿色经济”的其他方面一样，转型可能对一个国家的经济产生积极效益，比如培训处理燃料的人员，虽然这会增加氢燃料的引入成本，但从国内生产总值（GDP）的角度来看是积极的。总体而言，这项研究强调了这些问题的复杂性，航空业不应该孤立地看待，而应考虑更广泛的经济以及环境问题。

第二篇研究论文阐述了氢燃料飞机的经济性，并重点关注直接运营成本，特别是针对短途和中途飞行的，可以说是航空公司活动中环境挑战最大的领域。结果表明，在决定直接运营成本的一系列因素中，可能出现11%到17%的增加。对于低成本航空公司从经济学角度来说，更引人注目的是周转时间，上述指标可能增加高达20%。

由于燃料占航空公司直接运营成本的大约22%，如果氢燃料的成本比航空燃油成本高出18%，这将严重影响机票价格和航空公司利润。

ZeroAvia的氢动力概念车队 (ZeroAvia)

新飞机将来自哪里？空客和波音是唯一可能满足绿色目标中短程和长程客机的来源。可持续航空燃料（SAF）项目显然是最简单的途径，但容易受到之前详细说明的所有警告的影响。彻底不同的概念将需要约300亿美元和十年的时间，从推出到投入服务——更不用说取代全球飞机队还需要的年份。

空客已经迈出了第一步，但尚未决定是否推出一款氢动力的“A390”飞机。波音面临财务问题，需要维护股东价值并实现内部的财务目标，这可能与高风险投资不相容。如果波音不施加商业压力，空客可能没有动力独自推出一项彻底不同的替代方案。

尽管NASA的X-57麦克斯韦进行了地面运行试验，但该项目于2023年6月被放弃。该机构表示，电力推进技术的不成熟是取消计划的主要原因。(NASA)

接近实现零碳航空系统26年之际，那我们的处境如何？

简而言之，虽然有国际上达成的目标，美国和欧盟这两个重要的政治实体已承诺用于研究技术解决方案的研发资金，但行动仍然主要集中在各个国家政府。两家主要飞机公司（空客和波音）、代表市场庞大一部分的中国以及三家发动机公司的工作和商业利益也在推动着相关工作。在地面和空中的投资需求可能会耗费数十亿美元，以开发设备和基础设施以实现零碳目标。

在可持续航空燃料（SAF）这一条路径中，虽然是最简单的途径之一，但它并不是对排放的完全解决方案，其中存在着大量未知，包括扩大生产的问题、来自其他行业的竞争，以及对食品供应影响的潜在伦理问题。采用氢燃料将需要在基础设施和飞机开发方面进行最大的投资，对更广泛转向氢动力未来的影响也存在更多未知。由计量经济学的“科学”估算的成本和价格（因此是对航空需求的影响）范围从显著到更为显著不等。

理想情况下，如果这是一个全球性问题，由国际组织设定目标，我们应该看到更多的国际合作来设定标准、达成共同解决方案，从而启动创建必要技术答案并建设新的空运基础设施的项目，同时协助贫困国家逐步进行适应，实现碳中和的航空运输系统。

然而，就目前情况而言，这个方向上的进展并不多。总的来说，对实现2050年雄心壮志目标的可能性，我们与Akbar Al Baker的看法相同，航空业高层似乎仅有“空谈而无实质行动”，借用比喻，航空业的我们可能仍然表现得像狄更斯小说中米考伯先生一样：“穷尽一生期待着奇迹的发生”。