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      基于機(jī)隊(duì)視角的中國(guó)民航運(yùn)輸?shù)吞及l(fā)展情景分析

      2022-11-16 08:42:06袁志逸彭天鐸歐訓(xùn)民
      動(dòng)力工程學(xué)報(bào) 2022年11期
      關(guān)鍵詞:機(jī)隊(duì)氫能機(jī)型

      袁志逸, 彭天鐸, 任 磊, 歐訓(xùn)民

      (1. 清華大學(xué) 能源環(huán)境經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100084;2.清華大學(xué) 現(xiàn)代管理研究中心,北京 100084;3. 清華-力拓資源能源與可持續(xù)發(fā)展研究中心,北京 100084;4. 清華大學(xué) 氣候變化與可持續(xù)發(fā)展研究院,北京 100084)

      作為全球最大碳排放國(guó),中國(guó)宣布力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。交通運(yùn)輸是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分,也是碳排放的重要來(lái)源,目前約占中國(guó)能源相關(guān)碳排放的10%,未來(lái)仍有較大增長(zhǎng)空間。民航作為時(shí)效性最強(qiáng)的中遠(yuǎn)途運(yùn)輸方式,近年來(lái)發(fā)展迅速,2013—2019年,中國(guó)交通部門客運(yùn)周轉(zhuǎn)量年均增速為5.6%,而同期民航客運(yùn)周轉(zhuǎn)量年均增速高達(dá)12.9%,機(jī)隊(duì)規(guī)模增長(zhǎng)了63%[2]。民航運(yùn)輸服務(wù)需求的快速增長(zhǎng)導(dǎo)致其成為中國(guó)交通部門中能源消費(fèi)和碳排放增長(zhǎng)最快的子部門,其碳排放在交通部門中的占比從2013年的7.7%增長(zhǎng)至2019年的11.6%[2]。在碳中和目標(biāo)下,中國(guó)民航運(yùn)輸亟需加快低碳轉(zhuǎn)型。目前已開始在相關(guān)政策規(guī)劃中對(duì)民航關(guān)鍵脫碳技術(shù)發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)布局,但由于飛行安全的高標(biāo)準(zhǔn)及飛機(jī)技術(shù)構(gòu)造和運(yùn)輸系統(tǒng)的復(fù)雜性,民航運(yùn)輸是交通部門中脫碳難度最大的交通方式之一。評(píng)估民航運(yùn)輸?shù)吞技夹g(shù)特征和發(fā)展趨勢(shì),并科學(xué)選擇實(shí)現(xiàn)近零排放的最優(yōu)低碳發(fā)展路徑,將對(duì)決策者制定政策和行業(yè)發(fā)展有重要借鑒意義。

      周轉(zhuǎn)量法[3-4]和基于距離的測(cè)算方法[5-6]為較為通用的2種研究民航運(yùn)輸減排路徑的方法。周轉(zhuǎn)量法主要基于客貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量、單位周轉(zhuǎn)量能耗強(qiáng)度、燃料含碳因子來(lái)測(cè)算能源消費(fèi)量和碳排放?;诰嚯x的測(cè)算方法依據(jù)燃料類型占比、運(yùn)輸距離和負(fù)載率等航線級(jí)數(shù)據(jù),計(jì)算當(dāng)年航班規(guī)劃下民航運(yùn)輸?shù)哪茉聪M(fèi)量和碳排放。民航運(yùn)輸存在多種減排措施,如能效提升、翻新技術(shù)、運(yùn)行管理技術(shù)、替代燃料和新一代機(jī)身技術(shù)等,而以上兩種方法相對(duì)簡(jiǎn)單,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)隊(duì)層面的關(guān)鍵減排措施和技術(shù)的詳細(xì)分析。

      國(guó)外學(xué)者從機(jī)隊(duì)的更迭和退役視角分析民航運(yùn)輸?shù)吞及l(fā)展的解決方案,機(jī)隊(duì)規(guī)劃模型按照機(jī)型座位數(shù)和設(shè)計(jì)航程對(duì)機(jī)隊(duì)類型進(jìn)行詳細(xì)劃分,且綜合考慮了機(jī)隊(duì)、機(jī)場(chǎng)、航司和政府政策之間的相互影響[7-10]。如Sch?fer等[8]開發(fā)了AIM2015模型,綜合考慮城市級(jí)別運(yùn)輸需求、代際機(jī)型的更迭、低碳技術(shù)的發(fā)展、飛行成本和收益以及飛機(jī)能效進(jìn)步等,分析全球范圍內(nèi)的民航運(yùn)輸機(jī)型和各類低碳技術(shù)應(yīng)用規(guī)模。

      已有許多研究對(duì)中國(guó)民航運(yùn)輸未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析,但以傳統(tǒng)的周轉(zhuǎn)量法的情景分析[11-12]為主,從機(jī)隊(duì)層面的文獻(xiàn)還較少,考慮的民航運(yùn)輸?shù)吞紲p排措施也不夠全面,主要涉及自身能效提升和生物質(zhì)燃料的應(yīng)用,忽略了如翻新技術(shù)、運(yùn)行管理技術(shù)和新一代機(jī)身技術(shù)等低碳減排技術(shù)。開展機(jī)隊(duì)視角的民航能源消費(fèi)和碳排放研究對(duì)中國(guó)民航部門轉(zhuǎn)型發(fā)展具有新的啟示和借鑒,需對(duì)低碳民航技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行更為細(xì)致地研究,包括以提升機(jī)隊(duì)滑行、降落等整體運(yùn)行能效的管理技術(shù),對(duì)現(xiàn)有機(jī)隊(duì)進(jìn)行翻新的節(jié)能技術(shù),替代燃料技術(shù),以及新一代航空技術(shù)等。

      基于此,筆者建立基于機(jī)隊(duì)優(yōu)化方法的中國(guó)民航運(yùn)輸碳排放分析模型(Airline Fleet Carbon Emissions Analysis Model,AFCEAM),在歷史機(jī)隊(duì)數(shù)據(jù)和低碳發(fā)展技術(shù)詳細(xì)刻畫基礎(chǔ)上,分析民航運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)近零排放目標(biāo)的最優(yōu)發(fā)展路徑;量化氫能飛機(jī)、生物質(zhì)燃料和翻新技術(shù)等關(guān)鍵低碳技術(shù)在關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的應(yīng)用規(guī)模;探究氫能價(jià)格等關(guān)鍵影響因素對(duì)民航運(yùn)輸發(fā)展路徑的影響,以期助力民航低碳發(fā)展。

      1 AFCEAM模型

      1.1 模型設(shè)計(jì)思路

      AFCEAM模型由2個(gè)相互連接的模塊組成,包括機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊和碳排放分析模塊。機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊以機(jī)隊(duì)轉(zhuǎn)型成本最小為目標(biāo),基于混合整數(shù)規(guī)劃方法設(shè)計(jì)優(yōu)化程序,求解一定碳排放約束下機(jī)隊(duì)在購(gòu)買、退役、翻新、管理和替代燃料應(yīng)用等方面的最優(yōu)決策,輸出低碳技術(shù)應(yīng)用時(shí)間、規(guī)模及機(jī)隊(duì)技術(shù)構(gòu)成。機(jī)隊(duì)成本包括機(jī)隊(duì)運(yùn)行的燃料成本、購(gòu)置成本和維護(hù)成本,涉及的技術(shù)決策包括機(jī)隊(duì)翻新技術(shù)、運(yùn)行管理技術(shù)、客機(jī)自身進(jìn)步和替代燃料技術(shù)等主要航空低碳技術(shù)。碳排放分析模塊在機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊基礎(chǔ)上,測(cè)算分析機(jī)隊(duì)碳排放及不同低碳技術(shù)的減排貢獻(xiàn)。

      1.2 機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊

      模塊的優(yōu)化決策和處理過(guò)程如圖1所示。機(jī)隊(duì)運(yùn)行決策過(guò)程主要包括新需求出現(xiàn)時(shí)購(gòu)買飛機(jī)的決策、對(duì)老齡機(jī)隊(duì)是否采用各類翻新技術(shù)來(lái)提升能效進(jìn)行決策、對(duì)現(xiàn)有機(jī)隊(duì)是否采用各類運(yùn)行管理技術(shù)進(jìn)行決策以及對(duì)是否購(gòu)買替代燃料技術(shù)飛機(jī)進(jìn)行決策。

      圖1 機(jī)隊(duì)優(yōu)化模塊決策思路和處理過(guò)程Fig.1 Framework of airline fleet optimization module

      模塊考慮的4類成本分別是購(gòu)置成本、燃料成本、翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)應(yīng)用成本以及維護(hù)成本。購(gòu)置成本包括購(gòu)買新型飛機(jī)的成本及主動(dòng)退役飛機(jī)后的殘值收益,模塊共考慮五類飛機(jī)技術(shù),分別是上一代際機(jī)型(2015年前生產(chǎn)的機(jī)型)、當(dāng)前代際機(jī)型(2020年前后投產(chǎn)并商用的機(jī)型)、下一代際機(jī)型(2035年后入役的機(jī)型)、氫能飛機(jī)和電動(dòng)飛機(jī)。燃料成本綜合考慮了各類燃料技術(shù)飛機(jī)所用燃料,并可進(jìn)一步劃分為出泊階段和巡航階段燃料成本。翻新技術(shù)是指對(duì)機(jī)齡大于1 a的飛機(jī)進(jìn)行翻新從而提升其能效水平的技術(shù)。運(yùn)行管理技術(shù)是指一系列以提升機(jī)隊(duì)整體運(yùn)行能效水平為目的的運(yùn)行優(yōu)化措施。

      模塊輸入包括中國(guó)民航機(jī)隊(duì)的各機(jī)齡機(jī)隊(duì)保有量、機(jī)隊(duì)能效數(shù)據(jù)、各類低碳減排技術(shù)的成本及收益、飛機(jī)燃料價(jià)格和民航運(yùn)輸近零排放約束。通過(guò)模型優(yōu)化計(jì)算后,能夠輸出成本最低時(shí)各期飛機(jī)購(gòu)買量及退役量、機(jī)隊(duì)保有量及構(gòu)成、各類低碳航空技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模等。

      模塊優(yōu)化目標(biāo)是使得2020—2060年模擬周期內(nèi)民航機(jī)隊(duì)運(yùn)行成本最小,計(jì)算方法如下:

      (1)

      式中:C為總體運(yùn)行成本;t為期數(shù),即年份;CPur,t為t年份機(jī)隊(duì)新購(gòu)置飛機(jī)的成本;CLqd,t為t年份飛機(jī)主動(dòng)退役的殘值回收;CRetrofit,t為t年份翻新技術(shù)的應(yīng)用成本;COP,t為t年份運(yùn)行管理技術(shù)的應(yīng)用成本;CMaintain,t為t年份機(jī)隊(duì)維護(hù)成本;CFuel,t為t年份機(jī)隊(duì)燃料成本;d為貼現(xiàn)率。詳細(xì)模型決策變量設(shè)定、約束公式可參見文獻(xiàn)[13]。

      1.3 碳排放分析模塊

      碳排放分析模塊計(jì)算原理如圖2所示。民航運(yùn)輸能耗由民航貨運(yùn)、寬體客機(jī)、窄體客機(jī)和支線客機(jī)能耗加總得來(lái)。貨運(yùn)能耗采用周轉(zhuǎn)量法,由貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量和單位運(yùn)輸量能耗因子計(jì)算得到,客運(yùn)能耗采用保有量法,由不同類型客機(jī)的機(jī)隊(duì)數(shù)量、單次航班航距、單機(jī)飛行頻次和能耗強(qiáng)度相乘計(jì)算,計(jì)算式見式(2)。CO2排放由能耗(主要是航空煤油消費(fèi)量)和燃料排放因子計(jì)算得到。

      (2)

      式中:E為行業(yè)能源消費(fèi)總量;i為客機(jī)類別(包括寬體、窄體和支線客機(jī));r為機(jī)隊(duì)中各燃料技術(shù)路線和飛機(jī)類型;R為不同燃料技術(shù)路線數(shù)量;P為機(jī)隊(duì)數(shù)量;F為單機(jī)執(zhí)飛頻次;I為單機(jī)單次飛行能源消費(fèi)量;A為民航貨運(yùn)完成周轉(zhuǎn)量;EFuel為民航貨運(yùn)能耗強(qiáng)度。

      式(2)中各自變量的選擇涉及大量技術(shù)細(xì)節(jié),每個(gè)參數(shù)的確定涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)調(diào)研和分析。如I涉及到起飛和巡航2個(gè)階段:起飛階段能耗包括飛機(jī)滑行、爬升、降落和入位等,由各機(jī)型采用發(fā)動(dòng)機(jī)的起飛功率和國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)的平均起飛時(shí)間計(jì)算;巡航階段能源消費(fèi)量與等效座位數(shù)、飛行距離和機(jī)型設(shè)計(jì)航程最具相關(guān)性。參數(shù)設(shè)置細(xì)節(jié)和來(lái)源可參考筆者以往研究和技術(shù)文檔[13]。

      圖2 碳排放模塊計(jì)算原理圖Fig.2 Framework of airline fleet carbon emission module

      2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置和情景設(shè)計(jì)

      2.1 減排技術(shù)成本和能效

      機(jī)隊(duì)翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)的應(yīng)用成本和能效隨著機(jī)身寬窄和航線類型差異而呈現(xiàn)一定波動(dòng),依據(jù)主要航司和機(jī)場(chǎng)的實(shí)施效果以及數(shù)據(jù)調(diào)研[13],機(jī)隊(duì)翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。兩者的能效含義有所差別,翻新技術(shù)為巡航能效,運(yùn)行管理技術(shù)為滑行能效。

      表1 翻新技術(shù)和機(jī)場(chǎng)運(yùn)行管理技術(shù)參數(shù)Tab.1 Airline fleet refurbishment technology and airport operation management technology parameters

      替代燃料技術(shù)主要考慮生物質(zhì)燃料、電力和氫能。不同替代燃料技術(shù)引入時(shí)間主要參考飛機(jī)制造商的研發(fā)計(jì)劃和以往研究[14-15]設(shè)定,具體如圖3所示。

      圖3 替代燃料技術(shù)引入時(shí)間Fig.3 Alternative fuel technology launch time

      生物質(zhì)燃料無(wú)需改變飛機(jī)結(jié)構(gòu)和地面儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施,是現(xiàn)階段民航運(yùn)輸最有可能大規(guī)模應(yīng)用的替代燃料,其成本將隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大逐步下降,從2020年的2 750美元/t逐步降至2060年的1 250美元/t[16]。電動(dòng)飛機(jī)主要應(yīng)用于短途支線客機(jī),參考主要飛機(jī)制造商的計(jì)劃和相關(guān)研究,考慮到目前的電池技術(shù)瓶頸,2035年電動(dòng)飛機(jī)能夠成為支線客機(jī)的購(gòu)買選擇,購(gòu)買成本較傳統(tǒng)飛機(jī)高出20%,其能耗數(shù)據(jù)參考文獻(xiàn)[17]。氫能飛機(jī)在2035—2040年后有望成為支線客機(jī)和窄體客機(jī)機(jī)隊(duì)的購(gòu)置選擇,2041—2045年進(jìn)入寬體客機(jī)機(jī)隊(duì),由于采用全新的飛機(jī)結(jié)構(gòu),其成本將比傳統(tǒng)飛機(jī)高31%,其能效參數(shù)根據(jù)能量等效性參考傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)定。本研究假設(shè)氫能飛機(jī)2035年可以成為支線客機(jī)和窄體客機(jī)機(jī)隊(duì)的購(gòu)置選擇,2040年可以成為寬體客機(jī)機(jī)隊(duì)的購(gòu)置選擇。制氫價(jià)格將隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大而大幅下降,2030年綠氫終端加注價(jià)格將較2020年下降25%,2060年降至10元/kg以內(nèi)[18-19]。

      未來(lái)每年入役的新售傳統(tǒng)飛機(jī)能效可提升1.5%,2035年后入役的下一代機(jī)型運(yùn)行能效平均每年提升0.7%[20]。

      僅依靠傳統(tǒng)飛機(jī)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)民航運(yùn)輸近零排放。翼身融合、斜拉翼式布局、盒式機(jī)翼等飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)顛覆性改變和槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等革新性推進(jìn)系統(tǒng)可能有助于實(shí)現(xiàn)民航低碳發(fā)展目標(biāo)。顛覆性飛機(jī)技術(shù)發(fā)展存在較大的不確定性,以搭載槳扇發(fā)動(dòng)機(jī)的翼身融合客機(jī)為例進(jìn)行參數(shù)設(shè)定,假設(shè)2035年投入使用,其購(gòu)置成本較傳統(tǒng)飛機(jī)增加20%,能效提高40%[17]。

      2.2 客貨運(yùn)需求和碳排放約束

      模型求解的邊界條件包括客貨運(yùn)需求和碳排放量[21],如表2所示。隨著居民消費(fèi)水平的提升,客運(yùn)航班數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng),貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量呈現(xiàn)先增后降的發(fā)展趨勢(shì),在2050年前后達(dá)到峰值。需要說(shuō)明的是,貨運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)綜合考慮了未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)航空貨運(yùn)需求和道路、水運(yùn)等交通方式的發(fā)展對(duì)航空貨運(yùn)的影響,因此航空貨運(yùn)的碳減排量以其他交通方式的減排潛力作為邊界,在這一邊界下僅考慮航空貨運(yùn)部門本身。假設(shè)各類機(jī)型在未來(lái)執(zhí)飛航班的比例與2018年基本一致。2030年碳達(dá)峰目標(biāo)下碳排放峰值需低于1.2億t,2060年實(shí)現(xiàn)近零排放,降至0.25億t以下。

      表2 民航運(yùn)輸需求和碳排放約束Tab.2 Civil aviation transportation requirements and carbon constraint parameters

      2.3 民航運(yùn)輸發(fā)展情景設(shè)計(jì)

      民航運(yùn)輸發(fā)展情景設(shè)計(jì)如表3所示,其中“√”表示該情景考慮應(yīng)用該技術(shù),“×”表示不予考慮,其中考慮的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用時(shí)間與第2.1節(jié)一致。以往研究中將生物質(zhì)燃料作為航空運(yùn)輸脫碳的主要方式,為便于對(duì)比,假設(shè)基準(zhǔn)情景下替代燃料技術(shù)中僅有生物質(zhì)燃料這1種技術(shù)選擇,其他情景不受這一約束??紤]到高鐵對(duì)航空客運(yùn)的替代效應(yīng),在綜合減排情景基礎(chǔ)上設(shè)置高鐵替代情景,分析50萬(wàn)人口城市高鐵通達(dá)后對(duì)各航程航班數(shù)量的替代影響情況,替代效應(yīng)參數(shù)[13]設(shè)置見表4,根據(jù)目前高鐵發(fā)展規(guī)劃,2035年后高鐵網(wǎng)絡(luò)基本完善,因此2035年之后其對(duì)航班的影響將不再考慮。

      表3 民航運(yùn)輸?shù)吞及l(fā)展情景設(shè)計(jì)Tab.3 Scenario design for low-carbon development of civil aviation transportation

      表4 高鐵對(duì)民航運(yùn)輸航班的替代效應(yīng)Tab.4 Substitution effect of high-speed rail on civil aviation flights

      3 結(jié)果與分析

      3.1 客機(jī)機(jī)隊(duì)構(gòu)成

      如圖4所示,隨著居民出行需求的提升,各類型客機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大?;鶞?zhǔn)情景下,2060年,窄體、寬體和支線客機(jī)機(jī)隊(duì)數(shù)量分別為8 041架、1 060架和541架,較2020年分別增長(zhǎng)1.7倍、1.6倍和2.0倍;窄體客機(jī)仍然是客運(yùn)主力,2060年其在機(jī)隊(duì)中的占比超過(guò)80%,支線客機(jī)占比從2020年的5.2%提升至2060年的37.3%。綜合減排情景和顛覆性技術(shù)情景下機(jī)隊(duì)規(guī)模、結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)情景接近,而高鐵替代情景由于考慮了高鐵開通對(duì)航空客運(yùn)的替代,因此機(jī)隊(duì)規(guī)模整體較低。

      受機(jī)隊(duì)類型差異及成本、技術(shù)成熟度的影響,不同減排技術(shù)的應(yīng)用時(shí)間和規(guī)模有所差異。綜合減排情景下,各機(jī)隊(duì)2020—2035年間仍以上一代際機(jī)型為主;2036—2045年間,上一代際機(jī)型逐漸退出機(jī)隊(duì)服役,當(dāng)前代際機(jī)型成為主力,且下一代際機(jī)型、電動(dòng)飛機(jī)和氫能飛機(jī)逐步投用;2045年以后,下一代際機(jī)型占據(jù)主導(dǎo),氫能和電動(dòng)飛機(jī)比例次之,當(dāng)代機(jī)型逐步退出。支線客機(jī)機(jī)隊(duì)中,只有在氫價(jià)足夠低的情況下氫能飛機(jī)才會(huì)成為支線客機(jī)機(jī)隊(duì)的購(gòu)買選擇,其減排選擇以更具經(jīng)濟(jì)性的電動(dòng)飛機(jī)為主,配以少量氫能飛機(jī)作為輔助。

      (a) 綜合減排情景

      顛覆性技術(shù)不存在額外固定投資且購(gòu)機(jī)成本較低,機(jī)隊(duì)傾向于選用顛覆性結(jié)構(gòu)的燃油飛機(jī)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo),可明顯降低機(jī)隊(duì)對(duì)電力、氫能等高成本新興替代燃料技術(shù)的依賴。顛覆性技術(shù)情景下,氫能飛機(jī)總購(gòu)買量大幅下降,窄體和寬體客機(jī)機(jī)隊(duì)累計(jì)購(gòu)買量分別小于100架和35架,遠(yuǎn)低于綜合減排情景,支線客機(jī)機(jī)隊(duì)將不再購(gòu)買電動(dòng)飛機(jī)和氫能飛機(jī);2060年,采用顛覆性技術(shù)的燃油飛機(jī)成為機(jī)隊(duì)的絕對(duì)主力,窄體、寬體和支線客機(jī)在機(jī)隊(duì)中占比分別為77.5%、86.2%和89.4%。

      高鐵對(duì)航空客運(yùn)的需求替代明顯,會(huì)降低機(jī)隊(duì)規(guī)模并影響主要減排技術(shù)的滲透速度和比例。高鐵替代情景下,2060年,窄體、寬體和支線客機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模較綜合減排情景分別降低16.6%、11.8%和25.5%。由于需求下降,采用機(jī)隊(duì)更替措施促進(jìn)減排的經(jīng)濟(jì)性較差,機(jī)隊(duì)將更傾向于使用傳統(tǒng)燃料飛機(jī)配合生物質(zhì)燃料應(yīng)用實(shí)現(xiàn)近零排放,電動(dòng)飛機(jī)、氫能飛機(jī)購(gòu)買量較綜合減排情景明顯下降,入役時(shí)間普遍延遲5 a左右。

      3.2 客運(yùn)和貨運(yùn)機(jī)隊(duì)碳排放

      基準(zhǔn)情景下,客機(jī)機(jī)隊(duì)低碳轉(zhuǎn)型僅依賴生物質(zhì)燃料,這將大大增加生物質(zhì)燃料需求,2035年、2050年和2060年的生物質(zhì)燃料需求分別增至1 216.5萬(wàn)t、4 268.2萬(wàn)t和5 492.6萬(wàn)t,對(duì)應(yīng)減碳0.37億t、1.3億t和1.7億t。其他3個(gè)情景下,客機(jī)機(jī)隊(duì)碳排放及不同技術(shù)的碳減排貢獻(xiàn)如圖5所示。圖中區(qū)域上限為不采取任何減排措施時(shí)民航客運(yùn)碳排放情況,區(qū)域下限為該情景下多重措施作用后的實(shí)際剩余碳排放,各顏色區(qū)域?yàn)楦黝惔胧┑臏p排貢獻(xiàn)。由圖5可知,如不采取碳減排措施,機(jī)隊(duì)碳排放將持續(xù)提升,2060年將超過(guò)1.8億t;多種低碳技術(shù)協(xié)同作用推動(dòng)民航客運(yùn)碳排放在2035年前達(dá)峰,2060年降至不足0.2億t。

      翻新技術(shù)、運(yùn)行管理技術(shù)為短期主要減排措施。不同情景下,2030年前兩者減排貢獻(xiàn)在總減排量中的占比保持在50%以上,每年可貢獻(xiàn)約1 000萬(wàn)t減排量。

      (a) 綜合減排情景

      生物質(zhì)燃料、下一代際機(jī)型和氫能飛機(jī)是中長(zhǎng)期主要的減排措施。綜合減排情景下,2060年以后,氫能飛機(jī)、下一代際機(jī)型和生物質(zhì)燃料的減排量分別增至5 767萬(wàn)t、4 043萬(wàn)t和5 067萬(wàn)t,合計(jì)占比超過(guò)90%,翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)占比不到10%。由于電動(dòng)飛機(jī)的數(shù)量較少且承擔(dān)的運(yùn)輸量較小,電動(dòng)飛機(jī)減排貢獻(xiàn)相對(duì)較小。

      顛覆性技術(shù)的出現(xiàn)壓縮了替代燃料飛機(jī)技術(shù)的需求,2060年,氫能飛機(jī)減排貢獻(xiàn)僅326.7萬(wàn)t,較綜合減排情景下降了93.6%。顛覆性技術(shù)的引入帶動(dòng)了生物質(zhì)燃料應(yīng)用規(guī)模,因此生物質(zhì)燃料減排貢獻(xiàn)有所提高,即傳統(tǒng)飛機(jī)技術(shù)革新需與生物質(zhì)燃料推廣應(yīng)用相配合才能達(dá)到最優(yōu)效果。2060年,翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)、生物質(zhì)燃料、氫能飛機(jī)和顛覆性飛機(jī)技術(shù)在總減排量中的貢獻(xiàn)比例分別為7.1%、42.1%、2.0%和46.3%。

      高鐵的引入使得替代燃料技術(shù)引入時(shí)間向后推遲,2060年前減排貢獻(xiàn)以下一代際機(jī)型和生物質(zhì)燃料為主,兩者在總減排量中的貢獻(xiàn)占比分別為34.6%和29.1%。

      對(duì)于民航貨運(yùn),由于缺乏飛機(jī)技術(shù)和飛行數(shù)據(jù),無(wú)法通過(guò)刻畫機(jī)隊(duì)特征進(jìn)行分析,故采用周轉(zhuǎn)量法進(jìn)行測(cè)算,替代燃料技術(shù)僅考慮生物質(zhì)燃料。結(jié)果顯示,民航貨運(yùn)碳排放量2040年左右達(dá)到峰值2 000萬(wàn)t,2060年降至不足900萬(wàn)t,2040—2060年年均下降4.0%。

      3.3 客機(jī)機(jī)隊(duì)減排成本

      圖6給出了不同情景下中國(guó)民航客機(jī)機(jī)隊(duì)總運(yùn)行成本。從圖6可以看出,與基準(zhǔn)情景相比,其他情景的總運(yùn)行成本有不同程度降低。

      圖6 不同情景下中國(guó)民航客機(jī)機(jī)隊(duì)總運(yùn)行成本Fig.6 Operating cost of China's aviation passenger aircraft fleet under different scenarios

      綜合減排情景下,通過(guò)應(yīng)用翻新技術(shù)和替代燃料技術(shù),燃料運(yùn)行成本明顯下降,機(jī)隊(duì)更新提速也提升了主動(dòng)退役的殘值回收,降低了機(jī)隊(duì)購(gòu)置和退役成本,總體運(yùn)行成本比基準(zhǔn)情景減少2.9%。顛覆性技術(shù)情景下,機(jī)隊(duì)運(yùn)行成本與綜合減排情景相比進(jìn)一步減少1.7%,顛覆性結(jié)構(gòu)飛機(jī)的投用使得購(gòu)置和退役成本稍有增加,燃料運(yùn)行成本則相對(duì)下降。高鐵替代情景下,由于需求相應(yīng)減少,機(jī)隊(duì)運(yùn)行總成本明顯下降,各類成本與綜合減排情景相比均下降10%~20%。機(jī)隊(duì)購(gòu)置和退役成本中窄體客機(jī)占比最高,各情景下都達(dá)到70%。

      2020—2060年間,基準(zhǔn)情景、綜合減排情景和顛覆性技術(shù)情景均累計(jì)減少碳排放30.3億t,高鐵替代情景實(shí)現(xiàn)減排21.3億t。考慮新機(jī)型能效提升的前提下,4種情景下的減排總成本分別為3 069.5億美元、2 735.0億美元、2 541.6億美元和779.1億美元,折合每噸101.3、90.3美元、83.9美元和94.2美元,綜合減排情景下每噸CO2減排成本較基準(zhǔn)情景降低10.9%,顛覆性情景較綜合減排情景可進(jìn)一步下降7.1%。盡管高鐵替代情景需求較小使得總減排成本更低,但由于沒有利用氫能飛機(jī)后期的經(jīng)濟(jì)性,其碳排放強(qiáng)度下降成本高于綜合減排情景。

      3.4 敏感性分析

      氫價(jià)的變化趨勢(shì)、替代燃料技術(shù)的發(fā)展速度和傳統(tǒng)燃料飛機(jī)的能效提升幅度對(duì)客機(jī)機(jī)隊(duì)決策影響較大。模型以高鐵替代情景為基準(zhǔn),進(jìn)一步對(duì)氫價(jià)、氫能飛機(jī)引入時(shí)間和下一代際機(jī)型能效提升比例等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行差異化設(shè)置,通過(guò)分析參數(shù)敏感性來(lái)探討不同因素對(duì)客機(jī)機(jī)隊(duì)減排成本和氫能機(jī)隊(duì)入役規(guī)模的影響。

      (1) 氫價(jià)。設(shè)定H1、H2 2種液氫價(jià)格,二者與原液氫價(jià)格相比降幅較大,2060年分別降至7元/kg和5元/kg。結(jié)果顯示,更低的氫價(jià)使得機(jī)隊(duì)更傾向于購(gòu)買氫能飛機(jī)作為減排選擇,氫能飛機(jī)引入時(shí)間會(huì)提前至2045年前;氫能飛機(jī)累計(jì)購(gòu)買量將大幅提高,2060年,H1和H2的氫能飛機(jī)規(guī)模較基準(zhǔn)高鐵替代情景分別增加1.6倍和1.8倍;機(jī)隊(duì)整體成本有所下降,2060年,H1和H2的總成本較基準(zhǔn)高鐵替代情景分別下降2.4%和3.5%。氫價(jià)下降能夠降低減排成本,但對(duì)制氫規(guī)模和氫能飛機(jī)技術(shù)發(fā)展的協(xié)調(diào)性要求更高。

      (2) 氫能飛機(jī)引入時(shí)間。在高鐵替代情景中,設(shè)定氫能飛機(jī)入役時(shí)間延后到2050年。結(jié)果顯示,機(jī)隊(duì)更迭時(shí)間更短、時(shí)段更集中、規(guī)模更大,在2050年后的累計(jì)客機(jī)主動(dòng)退役量增加11.2%,2060年氫能飛機(jī)入役規(guī)模增加5.4%;由于為實(shí)現(xiàn)2050—2060年十年間的短期減排目標(biāo)而大量購(gòu)置氫能飛機(jī),抬高了總購(gòu)置成本,液氫價(jià)格降低后的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)將無(wú)法兌現(xiàn),機(jī)隊(duì)整體減排成本提升2.3%。

      (3) 下一代機(jī)型能效水平。設(shè)定E0、E1、E2、E3 4種情形下,分別代表下一代機(jī)型能效與當(dāng)前代際機(jī)型相比能效分別提升15%、20%、25%和30%。結(jié)果顯示,機(jī)隊(duì)自身的能效革新將減小機(jī)隊(duì)低碳發(fā)展對(duì)氫能飛機(jī)的依賴,下一代客機(jī)機(jī)型能效較當(dāng)前代際機(jī)型提升超過(guò)30%時(shí),最優(yōu)轉(zhuǎn)型選擇是引入下一代際機(jī)型和采用生物質(zhì)燃料,與E1相比,E2、E3情形的氫能飛機(jī)累計(jì)購(gòu)買量分別減少了71.2%和99.0%;當(dāng)下一代際客機(jī)機(jī)型能效提升不及預(yù)期時(shí),氫能飛機(jī)將可能更早入役,到2060年累計(jì)購(gòu)買量提高18.0%,但由于2035—2050年間氫價(jià)下降幅度不足,氫能飛機(jī)還未具備足夠的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),整體減排成本會(huì)有所上升,E0情形下減排成本比E1情形增加5.9%,給氫能飛機(jī)成熟運(yùn)用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)更大壓力。

      4 結(jié) 論

      (1) 綜合運(yùn)用各類低碳技術(shù)情況下,民航運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)近零排放目標(biāo)的路徑成本最低,綜合減排情景下,每噸CO2的減排成本為90.3美元,較基準(zhǔn)情景低10.9%。若出現(xiàn)顛覆性技術(shù),機(jī)隊(duì)減排成本將進(jìn)一步降低7.1%,因此傳統(tǒng)飛機(jī)自身技術(shù)進(jìn)步成為最經(jīng)濟(jì)的減排措施。此外,高鐵的引入將減輕民航發(fā)展替代燃料的壓力,生物質(zhì)燃料和氫能飛機(jī)引入時(shí)間較綜合情景向后推遲5 a左右,替代燃料發(fā)展對(duì)碳減排的貢獻(xiàn)率降低。

      (2) 未來(lái)氫價(jià)走勢(shì)會(huì)顯著影響機(jī)隊(duì)減排成本,若氫價(jià)能在2060年降低至7元/kg或5元/kg,氫能飛機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模將在2060年分別增加1.6倍或1.8倍,機(jī)隊(duì)減排總成本將因此下降2.4%或3.5%。

      (3) 氫能飛機(jī)入役時(shí)間的推遲將延緩兌現(xiàn)氫能飛機(jī)在民航運(yùn)輸發(fā)展后期的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),同時(shí)可能造成發(fā)展后期每年新購(gòu)氫能飛機(jī)數(shù)量增加,氫能飛機(jī)入役更密集,增大了機(jī)隊(duì)替代壓力。

      (4) 民航運(yùn)輸深度脫碳需綜合施策。加快發(fā)展高鐵,促進(jìn)民航運(yùn)輸向更具優(yōu)勢(shì)的運(yùn)輸區(qū)間轉(zhuǎn)移。短期內(nèi),注重翻新技術(shù)和運(yùn)行管理技術(shù)應(yīng)用,逐步提高生物質(zhì)燃料應(yīng)用規(guī)模;長(zhǎng)期來(lái)看,需發(fā)揮氫價(jià)降低后氫能飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)科技創(chuàng)新,支持相關(guān)前沿性、顛覆性技術(shù)的研發(fā)。

      致謝:感謝清華大學(xué)-中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司氣候變化治理機(jī)制與綠色低碳轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略聯(lián)合研究中心對(duì)本研究的支持。

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