航空行业即将升入碳减排空域

2021-04-02 09:29 绿创碳和
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2020年9月22日,在第75届联合国大会期间,我国提出将采取更加有力的政策和措施,争取在2030年前使二氧化碳排放量达到峰值,在2060年前实现碳中和。据国际民航组织(ICAO)研究,现阶段全球航空运输业排放的二氧化碳约占总量的2.4%。国际清洁运输理事会(ICCT)的一项研究显示,到2050年,航空业碳排放量将达到全球温室气体总排放量的22%。为实现可持续发展目标,国际民航组织(ICAO)制定了国际航空碳抵消和减少计划(CORSIA)框架,要求在2020年航空业碳排放量零增长的基础上,2050年之前碳排放量减少到2005年的一半,航空行业的减排态势已经迫在眉睫。

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国际航空减排现状

英国ADS集团2020年7月9日指出,IATA强调了航空业对实现其减排目标的承诺,并呼吁国际能源署(IEA)优先考虑对可持续航空燃料(SAF)的投资,以推动航空业的疫情后复苏。BAE系统公司发展绿色航空发动机控制技术。2020年6月17日,《航空制造技术》杂志指出,BAE系统公司已经应用能源管理和发动机控制技术,使下一代推进系统实现低碳甚至零排放成为可能。温室气体的增加使航空公司正在考虑如何减少飞机排放并节省燃料,最终目标是实现全电动。

2020年9月24日,由ZeroAvia航空公司PiperM级6座飞机改装而成的世界首架氢燃料商用飞机在英国克兰菲尔德机场成功完成滑行、起飞、所有起落航线飞行、着陆等试飞项目,成为世界低碳飞行史上具有里程碑意义的重要事件。该飞行活动是英国政府HyFlyer项目的一部分,该项目由ZeroAvia、欧洲海洋能源中心和智能能源公司共同发起,旨在展示低碳动力系统技术。

2020年10月22日,德国宇航中心(DLR)公布其与德国航空航天工业协会(BDLI)联合向德国联邦经济和能源部(BMWi)提交《航空业实现零排放》白皮书,首次全面总结了目前航空零排放技术的研发状况以及实现空运全面零排放所做的工作,通过科技界、航空业和政府部门密切协作,广泛开发可持续发展的航空燃料、更新飞机气动力布局、研制新型燃料电池技术、运用新型燃气涡轮发动机等动力技术方案,综合采用多样化技术,在2050年前实现空运零排放。

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国内航空减排措施

1.发动机升级

目前,国内民航宽体客机上均采用大涵道比涡扇发动机作为推进动力源,并且以CFM56系列和V2500系列发动机为主。对不同飞机机型的适用发动机系列进行升级改造以达到有效降低燃油消耗和污染物排放的目的。

2.生物质燃料

生物质燃料是实现航空业大幅度节能减排的技术之一,以生物质作为原料制造的航空生物燃料具备原料易得、可再生及环保等诸多优势。生物质合成航空燃油其化学结构和物化性质与一般化石航空燃油较为接近,也可使用现有燃料运输配送设备及系统。根据相关研究,在燃料生产使用的全生命周期内,航空生物燃料的温室气体排放量与一般化石航空燃油相比可降低50%~90%。

3.翼梢小翼

飞机在巡航工况下,机翼后涡旋所产生的诱导阻力在总阻力中增长成为较大占比。采用扩大机翼展长的方法可以达到降低诱导阻力的效果,达到节省能源减少碳排放的目的。翼梢小翼是美国航空航天局(NASA)兰利风洞实验室主任R.T.怀特科姆[5]在20世纪70年代中期首先设计了一种安装在机翼翼尖的附加装置原型,该装置可大幅降低飞机巡航工况的诱导阻力。

4.发动机水洗

发动机水洗是指对发动机进气道、风扇叶片及整个核心机气路用一定压力的水(或溶剂)冲洗,一般可获5℃~10℃的EGTM,个别发动机可达15℃之多,从而提高发动机性能和燃油效率。该方法简单、省时、收效快,尤其对于经过沙尘或沿海区域的机群航线,使用发动机水洗的效果明显。实际操作时清洗发动机的用水流速和温度都应有严格计量要求。发动机清洗车是由不锈钢水箱和不锈钢清水箱组成,按照飞行手册相应要求,分别充入额定的清洗剂溶液和纯净软水,经汽油水泵机组增压调压后,再通过阀门、管道等将清水或药水按一定流量喷射到需要清洗的地方。清洗过程中水温、水枪角度、时间都有严格要求。水洗设备通过固定在发动机前段的固定式水枪使清洗过程中水枪角度、雾化效果、水流量得到有效控制,从而达到**冲洗效果,提高发动机的EGT裕度,延长发动机的使用寿命。

5.飞机重心调整

飞机载荷分布情况确定了飞机重心位置。除了在重心位置以外,飞机上各部位载重量变化,飞机重心都会移动,向载重变大的方向偏移。一般而言,飞机重心越靠后,巡航阻力越小,耗油越少,因此可以通过重心后移减少燃油消耗。

6.飞机减重

飞机减重是减少飞机燃油消耗的重要手段,根据计算,飞机载重每减少100kg,油耗可降低2.1kg/h。飞机减重可以通过如下几种手段实现:

1)罗列设备、物料和飞机用品清单和明细,避免重复计算;准确称量各种设备、物料和飞机用品重量,精确计算飞机总重量;

2)规范飞机供应用品、机载杂志等数量和加水量等,比如按照航班的特点灵活配备机供品和杂志、按照航程的长短规范加水量等,减少不必要的重量。

3)使用轻质材料座椅等轻质材料配件。

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碳减排对航空业的影响

**,将增加我国民航运输的成本,影响国产飞机的市场需求。按照ICAO排放总量控制的目标,排放配额的总量会受到严格控制,并且持续减少,以保证市场中配额的稀缺性,激发企业的减排动力。为实现2020年以后国际航空碳排放零增长目标,国际航协提出了四种关键策略:改进技术、改善经营管理、优化基础设施和采取积极的经济措施。

第二,将提高国产民机的市场进入壁垒。ICAO的二氧化碳排放限制,将使我国民用飞机产品在国际市场竞争中长期处于不利地位。飞机设计排放必须经过美国和欧洲相关机构的审核,需要花费的时间成本还具有不确定性,面临的绿色壁垒更具挑战。

第三,将拉高国产民机产品价格,影响我国民用航空整体发展。2020年,伴随ICAO碳排放标准的实施,在欧美碳排放规制下,我国还可能面临惩罚性的碳关税,其实质就是发达国家的贸易保护主义。这和以往的反倾销、反补贴等传统贸易壁垒不同,具有波及范围广、缺乏多边协调机制、主要针对新兴经济体等特点。

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对航空行业碳减排的建议

1.不断提升我国航空公司的经营管理水准,优化航空运输基础设施,减少航空运输碳排放。

2.制定零排放航空路线图。面对航空业脱碳的挑战和紧迫性,制定系统性的战略和清晰的绿色航空路线图非常必要。

3.将航空飞机设备碳排放纳入法制轨道,构建国家层面的法律规范框架,完善碳排放权交易法规体系,以完善的法律制度作保障,综合利用法律、经济和行政手段,建立行业节能减排长效机制。

4.加快新型飞机气动布局的探索和研究。为充分发挥新能源推进技术的优势,针对机体和推进系统的有效集成,开展创新性气动布局研究,提高飞机的整体效率。

5.从战略层面规划清洁能源的研发和低碳技术的发展,加快具有自主知识产权的新型燃料研发,提升燃油效率,加快绿色飞机生产工艺研发,提升设备及资源使用效率,提高我国航空研发设备的市场竞争力,保护我国航空产业未来的发展空间。

6.加强飞机全生命周期评估基础技术研究。随着新能源及推进系统与飞机机体的集成设计,飞机在综合优化、气动、结构、电气特性、能量管理等方面需要新的计算、分析、建模与仿真等工具支撑,也需要诸如全机能量管理综合试验、变体结构试验、电推进系统试验等全新的试验能力,先期或同步建成民机研制工具体系,支撑关键技术更快更好突破,形成创新且自主可控的民机发展能力。建议加大基础技术及工具体系的论证、研究和建设力度,逐渐建成独立自主的科研生产能力。


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