刚刚结束的巴黎航展突出了“创新与环保”的主题,航空生物燃料供应商纷纷亮相。波音747-8货机首次亮相国际航展就利用可再生航空燃油飞越大西洋抵达巴黎,完成了民用飞机首次利用生物衍生类燃油进行跨大西洋飞行。
2011年6月,制定石油产品相关标准的美国材料与实验协会(ASTM)暂时批准了加氢处理的生物燃料在飞机中应用,正式批准将在7月生效。该规则为使用混合生物燃料给民用飞机提供动力扫清了制度上的障碍。
高企的燃油价格和环保要求使得航空公司不堪重负
由于中东局势的动荡,原油的价格再次突破100美元/桶大关,国际航空运输协会(International Air Transport Association,IATA,简称“国际航协”)在6月下调了其之前对航空业盈利的预测,从之前的86亿美元下调至40亿美元,燃油成本占航空公司总成本的比例已经接近40%,上涨的燃油价格成为了航空公司挥之不去的梦魇。
然而,更让航空公司难受的,是日益苛刻的环保门槛。欧盟已经将航空业纳入了碳排放交易体系,从2012年起,所有进出欧盟的航班都必须购买一定的碳配额。根据IATA的测算,欧盟碳排放交易将使航空公司成本每年增加35亿美元,并且这一数字将会逐年递增。
2010年10月国际民航组织(ICAO)第37次会议上,所有成员国承诺了一个框架性减排目标:到2020年全球燃油效率平均每年提高2%,从2021年到2050年争取实现每年能效提高2%,到2050年航空业实现碳中和。碳中和的实现方式包括生物燃油、空管技术改进、飞机和发动机技术的创新等。
生物能源问题成为航空界共同关注的问题
航空替代燃料问题成为行业共同关注的问题,虽然也可以用煤和天然气作为原料经过费托(FT)处理来获得替代燃油,但由于煤和天然气属于不可再生资源,因此目前主要的替代能源是生物燃料。生物燃料必须来自有充足供给的原料,且不能与民争食,目前已经发展到第二代生物能源,国际上比较成熟的航空生物燃料主要从麻风树、亚麻荠、海藻和盐生植物中提取,其中以亚麻为原料的种植、提炼、标准化工作最为成熟。根据生物质能咨询公司的研究,以亚麻为原料生产的航空生物燃料预计到2025年将接近10亿加仑,创造25000个就业岗位,收入超过55亿美元,为种植的农民增收35亿美元。根据波音公司的预测,预计到2040年,航空生物燃油的使用比例将占到50%。
航空生物燃料发展路径预测
过去几年,一些制造商使用各种混合生物燃料进行了若干次成功的试飞,取得了大量进展。各方对航空在短期到中期更多地使用有利环保的生物燃料寄予厚望,但要对生物燃料的环境影响进行完全评估,需要对所有燃料的全寿命周期碳足迹定量进行标准化。
2010年6月,美国联邦航空局(Federal Aviation Administration,简称“FAA”)宣布了可持续低能源、排放和噪声(CLEEN)计划,将开发和示范新技术,包括可持续航空代用燃料。根据该计划,目前对可持续航空代用燃料的投资为1800万美元,包括业界分担的成本。这些举措包括燃油系统的兼容性、实验室、装备、发动机和多种航空代用燃料的飞行测试。开发的数据将支持推动测试燃料的燃料合格审定及认证。
军事方面,美国军方为了提高能源安全、增加国内能源利用和减少环境污染问题,开始着手研制替代燃料。美国空军和海军是生物燃料的主要推动者,美国海军计划到2020年海军所有飞机和船只所用燃料中生物燃料混掺率达到50%。2009年3月,美国海军签订了购买4万加仑从亚麻中提取的生物燃料JP-5(HRJ-5)的合同,用于海军生物燃油的验证项目。海军的关键战斗机之一F/A-18已经在2010年4月使用蓖麻燃油试飞成功。美国空军对采用替代燃料极为感兴趣,因为它是美国国内最大的燃料消费者,每年消耗航空煤油24亿加仑(90.7亿升)。空军从2009年开始试用新型燃料,当时拨款250万美元用于为航空航天部门建设燃料研究中心(AFRF),以便对来自煤炭、生物和烃的燃料进行研究。美国空军对新型燃料的主要要求是价格。新型航空燃料的效能不应低于现用的航空煤油,且价格应低于后者。
2009年年底,美国15家航空公司与两家代用燃料供应商签署了预购协议,为FT和HRJ燃料做出长期采购安排。2010年3月,美国航空公司和军方航空燃油采购商形成战略联盟,以协调其进程,并创建一个代用航空燃料采购的“单一市场”。这代表美国为加快发展和部署可持续代用燃料提供另一个“需求拉动”重要的一步,它们几乎代表了美国市场所有的航空燃料采购商。
航空替代能源的标准
世界许多地区使用的两种航空涡轮燃料规范,分别是美国材料与试验协会的标准 D1655和英国国防部发布的国防标准91-91。为了研究替代燃油,ASTM制定了D7566航空合成燃油标准文件。2009年9月,ASTM国际组织批准了第一种替代航空喷气燃料的规范。新规范(ASTM D7566)允许使用通过费托工艺合成碳氢化合物燃料。2011年6月批准氢处理可再生航空燃料(HRJ)与石油航空燃料各占50%的生物燃料。
航空生物燃料必须经过充分测试和开发,以保证其与普通发动机和航空器材料兼容。燃料必须符合必要的规范特性,以满足飞机、旋翼机或发动机的性能和耐久性要求。数据应该满足其与经批准用于发动机和航空器的其他燃料、润滑油和添加剂之间的兼容性。燃料必须显示出,在所有预期温度条件下,它能与其他经批准的燃料或添加剂相混合;在限制运行温度条件下,它能够保持其特性,防止燃料管道和过滤器堵塞。试验阶段完毕后,美国材料与试验协会航空燃料分组委员会的发动机制造商代表要对研究报告进行审议。
生物燃油目前面临的挑战
挑战之一:航空生物燃料的成本和可提供性仍然是其被大规模采用的关键障碍。新的生物燃料的研发和生产设施的建设需要巨大的资金投入。
挑战之二:生物燃料的价格也阻碍其大范围地应用,目前航空生物燃料的价格大约是航油价格的两倍,但随着生物燃料技术的发展,预计价格将会出现大幅度的下降,而且由于航空燃油价格和碳配额价格的上升,生物燃料有望在20年内比普通航油更加经济。
挑战之三:与地面交通相比较,航空生物燃料的市场规模较小,而且生物燃料最初产出的是柴油,需要第二次分裂去碳才能产出HRJ,因此生产HRJ燃油的成本要高于生物柴油。
挑战之四:生产生物燃油的原料供给问题,需要持续可靠的供给来源才能满足需求。(本文作者为航空工业发展中心经济管理研究所工程师)