清风徐来，翱翔蓝天11.2021 上海 / 中国罗兰贝格洞见助力中国航空业迈向低碳、绿色、可持续发展之路 1我国力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。作为中国的重大战略决策，碳中和事关中国经济和社会未来的长远可持续发展。同时，碳治理也是世界人民应对全球气候变化的必要选择。而交通运输业作为全球和中国碳排放量占比第二的行业，制定减碳目标、推行减碳举措更是刻不容缓。航空业是交通运输业中碳排放量靠前(仅次于公路运输)、碳排放量增速第一的细分行业。并且，在可预见的未来，随着航空业的蓬勃发展，航空碳排放量将持续增长，碳治理的重要性将会进一步提升。然而由于行业特性，航空业碳治理成本高企，进一步加剧航空业各利益相关方的减碳压力。为此，本文将梳理中国航空业的碳治理背景，探索航空业的碳治理之道，并为中国的航空业碳治理提出应对建议，为航空业实施碳治理提供参考。前言封面图片： Getty Images 2目录 03 05 101201/ 碳治理背景 航空减碳，迫在眉睫 02/ 碳治理实践 减排交易，双管齐下03/ 碳治理建议 多方合力，共图蓝天04/ 罗兰贝格“碳罗盘”产品介绍 301/ 碳治理背景航空减碳，迫在眉睫1.1 交通运输业在碳排量和排放增速上均为仅次于能源电力的第二大行业，作为“排碳大户”，实行碳治理责无旁贷近年来，全球气候变化显著，气温显著升高，极端天气频繁出现，海平面持续上升，南北极冰面融化。其中，人为排放二氧化碳是导致气候变化的主要原因。对此，全球各政府和各组织积极开展应对气候变化的相关工作，并达成重要的《巴黎协定》共识，围绕1.5/2摄氏度温控目标1 开展节能减排工作。为了实现《巴黎协定》规定的温控和碳减排目标，所有产业需要制定实现减碳目标的具体路径，结合多种减排措施，以顺利实现二氧化碳减排目标，例如降低能源强度、加速脱碳进程和二氧化碳去除等。当前，一些减排解决方案已在技术上可行，但不足以支撑在2050年之前实现完全脱碳的目标。因此，必须继续进行技术的开发、并使目前技术可行的方案经济上可行，例如碳捕获和碳储存技术。其中，交通运输行业的碳治理对于《巴黎协定》目标实现至关重要。分行业来看，交通运输行业的二氧化碳排放量排名第二，占全球排放量的21%，仅次于能源电力行业的37%。同时，交通运输行业的二氧化碳排放量增速同样排名第二（2.1%），仅次于能源电力行业的2.4%。1.2 在交通运输行业中，航空业排放量大、增长迅速，碳治理迫在眉睫，然而面临诸多挑战纵观全球交通运输行业，公路承担着绝大部分的中短途运输，因此碳排放量最大，占比逾七成；航空碳排放量仅次于公路运输，占总碳排放量达~11.7%。 图表11 交通运输细分行业碳排放情况资料来源： IEA；IPCC；罗兰贝格图表1：交通运输细分行业碳排放情况资料来源：IEA；IPCC；罗兰贝格44.9%29.6%11.7%10.5%1.1%3.4%2.2%2.1%1.4%1.1%航空公路客运航运公路货运铁路平均~ 2.0%全球分交通运输方式的碳排放构成[%，2018]交通运输各子行业碳排放增速[%，2008-2018]航运公路客运公路货运铁路航空1. 1.5/2°C指2100年与工业化前年份（18世纪中叶）的温度差 4然而，从增量来看，航空运输碳排放量的增速最快，2008-2018年增速达~3.4%，高于交通运输行业平均的~2%，这反应了全球航空需求活动在过去几年间稳步增长的趋势。受疫情影响，短期航空排放量预计将有所萎缩，但长期看，随着全球航空活动的复苏，碳排放量仍将逐步增长。聚焦中国，经过几十年的经济腾飞，以及交通基础设施和物流体系的不断完善，中国面临严峻的碳治理挑战。其中，中国的交通运输业碳排放增量全球最高，高达7.5%，超过了美国（-1.1.%）、欧盟（-0.2%）等传统交通业的碳排放大户。而与全球交运业的格局类似，中国航空业的碳排放占比接近10%，仅次于公路。特别是随着中国人均收入水平的提升以及机场、航空等航空基础设施的不断完善，中国航空客货运的需求量仍将保持快速增长，为碳治理增加了难度。 目前，航空产业链上的各个玩家已推出各类低碳节能举措，包括飞机与发动机设计优化、飞机载运效率提升等。然而，航空业的碳治理任务依然异常艰巨，面临诸多挑战。其中核心挑战在于，相比公路、铁路等其他交运行业，航空业的“绿色溢价”2 最高。据测算，使用新能源替代化石燃料后，航空业能源使用成本将提升343%，远远高于公路客运的18%和公路货运的127%。 图表22 交通运输各细分行业“绿色溢价”比例资料来源： 公开资料；国家统计局；罗兰贝格图表2：交通运输各细分行业“绿色溢价”比例资料来源：公开资料；国家统计局；罗兰贝格航空具有能耗高、运距长的特点，零碳排成本和绿色溢价比例综合来看在交通运输各子行业中最高，说明实现碳减排的成本最高、难度最大绿色溢价比例公路客运公路货运航空航运铁路整体当前能源成本22,66615,19071527741339,260新能源化后成本26,84634,5423,1671,16129566,012零碳排成本4,18119,3532,452884-11826,75218%127%343%319%-29%68%[亿元，2021年]1)航空领域的“绿色溢价”是飞机用氢成本和用航空燃油成本之差，由于新建氢能飞机或改造的成本无法统计，因此以能源使用成本测算2. “绿色溢价”即新能源较用化石燃料的成本增加比例，零碳排成本指为了实现零碳排放所需要付出的额外成本 53 飞机机型和发动机型号油耗演变02/ 碳治理实践减排交易，双管齐下2.1 碳减排，清源头追本溯源，航空产业的碳排放主要源于飞行过程中的燃油耗能，以及机场运营。因而，航空业碳减排实践主要聚焦于燃油提效、能源替代和机场减排三大主题。2.1.1 燃油提效，立竿见影： 通过OEM的设计革新、航司的运营提升、空管/机场单位的航路拉直，在燃油技术框架下实现燃料利用效率提升，减少碳排量飞机和发动机OME—设计革新为提升燃油利用效率，一方面，OEM不断开发更为节油的新型飞机和发动机，特别是针对飞机的轻量化，复合材料逐渐替代传统合金，实现结构件重量变轻，降低能耗需求。同时，发动机技术也在不断迭代。60年代以来，涡轮风扇发动机取代涡轮喷气发动机成为主流，并在技术上不断演进，涵道比和总压比不断提升，发动机耗油率显著下降。 图表3另一方面，业界也正在推动局部设计革新，以提升燃油效率。从各航司的实践来看，飞机局部设计革新角度有所差异，典型思路包括：1）围绕发动机的革新，如采用3D打印生产复杂形状的钛或钢金属部件，减少零部件数量，提高发动机功率并降低油耗；2）围绕机体材料的革新，如汉莎技术研发的AeroSHARK薄膜技术, 如通过新材料技术优化飞机的空气动力流；3）围绕机翼的革新，如在波音737机队传统的融合式翼梢小翼下方加装下小翼，使上下翼片综合运作，减小阻力、增加升力；4）以及其他机内配套减重，如哈维兰“超轻型座椅”，采用碳纤维和钛等轻质材料。航空公司—运营提升航空公司也正在从机队管理、线路规划和运营、飞行活动管理等若干运营层面切入，来实现燃油效率提升。主要举措包括：1）机队提质：引进高效能的新机型，及时退出老旧机型。同时，实局部的技术升级，例如，优化机翼载荷，配备小翼，选装轻型座椅等；2）载运优化：通过飞机硬件优化、信息共享与调度优化、货物配载优化等举措提高飞机的客货载运效率；资料来源： 国际民航组织，公开资料；罗兰贝格资料来源：国际民航组织，中金公司，公开资料；罗兰贝格以1940年代的彗星-4为基准(100)耗油率[kg/( daN·h)]图表3：飞机机型和发动机型号油耗演变1940- 2040E飞机机型单位燃油消耗1970- 2020民航发动机耗油率10019401950196019701980199020002010202020302040806040200Cornet-4DC 10-30B747-300A340-300B787-9A320neoBWB&OpenRotor耗油率1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.119701980199020002010投入使用时间RB211-535RB211-524CFM56-7CFM56-5BGEnxCF6 -80E1单位燃油消耗对比投入使用时间 64 新能源技术对比分析资料来源： 案头研究；罗兰贝格图表4：新能源技术对比分析改造需求总体评价可行性吸引力不确定价格>目前价格是传统燃油的2倍，长期来看优势不明显>预计2045年后才能实现与航空燃油平价减排能力>减少30-60%对环境有影响的气体排放>减少50-90%对环境有影响的气体排放>减少100%对环境有影响的气体排放1)1) 假设全电动可行性弱强吸引力弱强技术成熟度适用性>限制较小>适用于窄体机和中型飞机>适用于小型飞机短行距飞行总体评价氢燃烧氢燃料电池飞机/发动机基础设施资料来源：案头研究；罗兰贝格ABC可持续航空燃料氢能电能新技术对比分析3）系统优化，包括总体系统优化、滑行优化等举措；4）数字化赋能：利用大数据监控飞行与运营数据，赋能航司运营，例如提升预配业载精准性、指导精确加油、改进放轮管理、优化飞行计划等。机场/空管单位—航路拉直在空管单位层面，主要通过优化航路结构，实现航线“截弯取直”，缩短航班航行距离。例如，民航空管部门通过启用沪哈大通道，使得来往长三角与东北的航线不需要再绕路山东，而是直接利用海上空域资源飞行，有效缩短航距。特别地，针对部分线路，需要空管单位通过开放他国空域的谈判实现线路优化。例如，通过与蒙古政府积极进行空域谈判，满洲里市与西北/西南等地的航线可直接通过蒙古空域，而非绕路内蒙古地区，极大缩短飞行时间；同时，通过在中蒙之间开通新出入境点，东航上海-伦敦航线的飞行距离比优化前缩短了270公里，每班航班平均油耗减少了1,615公斤。在机场单位层面，鼓励采用连续上升/下降的飞行方式取代目前的“阶梯式”起飞或进近。即飞机以连续爬升的方式尽快获得初始巡航高度，或飞机以闲置推力、连续下降的方式进场、进近与着陆，从而降低发动机损耗、缩短飞行时间、节省飞机耗油量。当前，广州白云、北京首都、昆明长水等机场均进行了相关试点，节能减排成效明显。2.1.2 能源替代，长期求变： 逐步探索用可持续航空燃料(SAF)、氢能和电能替代传统化石燃料，系统性降低碳排放短期来看，SAF由于改造复杂度低、技术成熟、适用性强，有望成为实现短期可持续性目标的关键；而长期而言，氢能和电能的减排能力强，随着技术的不断完善，有望率先在中小型飞机市场实现替代。 图表4可持续航空燃料(SAF)可持续航空燃料 (SAF)是通过清洁和可持续 (通常是生物)原料生产的飞机燃料。从全生命周期来看，SAF可比燃油减少80%的二氧化碳排放。目前，SAF在业内已有应用，中短期内是最具可行性的方案。SAF的核心优势在于改造复杂度低，SAF 可直接与其他燃料混合，不需要重新设计发动机，相比氢和电，对行业现状的 7影响最小。技术相对成熟，自2011年获准用于商用飞行，已有超过30万架次航班使用SAF，且适用性强，可覆盖更大范围的机型和航距，航空减碳潜力大。然而， SAF面临产量、价格和减排效果三方面问题。首先，SAF的规模化缺口过大，2025年产量预计实现70亿升，占全球喷气燃料需求~2%，主要受制于原料可用性、新燃料批准流程严格、管道和储存基础设施建设。其次，价格高昂，即使是目前最经济的HEFA燃料也比传统喷气燃料价格高~4倍，鉴于燃料成本占航司总成本25-40%，航空公司使用SAF的意愿有限。同时，SAF的减排效果有限，对非二氧化碳气体减排能力弱（如氮氧化物、硫酸盐、煤烟等）。氢能目前氢能主要有氢燃烧（即在轮机中直接燃烧氢燃料）和氢燃料电池两种应用形式。氢能凭借自身环保性、适用性的优势、以及供应端的保障潜力，将成为未来中短程航空领域能源替代的有力竞争者。然而目前，国家机构、飞机