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    机场航空器碳排放及碳达峰预测

    时间：2023-03-24 18:30:05来源：百花范文网本文已影响人

    张培文，丁 锐，赵联政

    （1.中国民用航空飞行学院经济与管理学院，四川 广汉 618307；
    2.中国民用航空飞行学院机场学院，四川 广汉 618307）

    2018 年国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization,ICAO）提出航空碳减排和碳抵消计划。中国于2020 年在第75 届联合国大会上承诺2030 年实现碳达峰，2060 年实现碳中和。航空运输业的碳排放占比较小，但随着科学技术的进步和民航运输需求量的增加，其逐渐增长的碳排放比例势必会增大中国航空运输业的减排压力[1]。自2013 年以来，全球航空业的每日燃料消耗量已超过500 万桶，导致大量二氧化碳排放[2]。对于在800km 航程上运行的双引擎航空器，大约25%的碳排放产生于着陆和起飞（Landing and Takeoff,LTO）循环期间[3]。因此，考虑到中国航空业的快速发展，有必要开展机场航空器碳排放和碳达峰预测研究，为加快实现民航碳达峰提供理论依据。

    近年来，民航碳减排问题越来越受到学者们的关注，其中部分学者围绕碳排放核算和预测展开研究。在碳排放量核算方法方面，Yilmaz 采用“自上而下”的方法计算了机场航空器LTO 阶段的碳排放量，分析了LTO 各阶段时间变化对于碳排放量的影响[4]。然而“自上而下”的方法基于燃料消耗量来核算碳排放量，存在燃油数据难以获取的问题，不利于核算各机场航空器的碳排放量[5]，相比而言，基于运行数据“自下而上”的方法具有一定优势[6-7]。在碳排放预测方面，Zhou等[8]采用情景分析法从燃油强度和燃油种类等角度，预测并分析我国民航碳排放量；
    Liu 等[9]考虑运输强度和碳排放系数等多个因素，采用情景分析法对未来我国民航碳排放进行了预测；
    胡荣等[10]运用改进的ICAO方法，预测了厦门高崎机场碳达峰的可能性及影响因素。此外，现有文献中的情景分析限于设定每个影响因素的固定变化率。实际上，不同变量在未来的变化率是不确定的，每个变量的变化速率的潜在变化应该是连续值，而不是某个特定值。因此，邵帅等[11]引入蒙特卡罗模拟来预测碳排放趋势。

    纵观国内外现有研究，可以发现：大多采用“自上而下”的方法核算碳排放量；
    尚未揭示碳排放与不同情景之间的内部动态联系。两种主要研究方法相比，情景分析在假定某些趋势持续发展的前提下，可对可能出现的后果作出有效预测，但存在一定的主观性；
    蒙特卡罗作为一种走势预测方法，广泛用于不确定性情景分析研究，但无法揭示不同碳减排趋势导致的不同情景之间的差异。如果情景分析和蒙特卡罗模拟能够有机地结合起来，定量与定性方法的互补优势将有助于科学预测不同情景下碳排放及碳达峰的演变趋势。为了科学预测机场航空器碳排放量和碳达峰的可能性，本研究将基于运行数据的“自下而上”的ICAO 方法，首先将机场航空器未来碳排放划分为初始情景、优化情景、绿色发展情景、技术革新情景，并测算成都双流机场2019年的机场航空器碳排放量，以获得各情景下初始点的碳排放量和横向分析不同机型的碳排放特征；
    然后，将蒙特卡罗模拟与情景分析相结合，对成都双流机场不同情景下未来年的航空器碳排放量进行预测；
    最后，对碳排放影响参数进行灵敏度分析，明确关键因素对机场航空器碳排放的影响程度，并进一步探讨碳减排的可能途径和实现碳达峰的可能性。

    1.1 机场航空器碳排放测算方法

    本文采用ICAO 建立的基于运行数据的“自下而上”的方法，测算机场航空器碳排放量。ICAO 对各阶段运行时长进行了标定：起飞0.7min，爬升2.2min，进近4min，滑行26min，具体公式如下：

    式（1）～式（2）中：i为航空器种类；
    j为LTO中的4个不同阶段，即起飞、爬升、进近、滑行；
    Fi为i类航空器在1 次LTO 的耗油量（kg）；
    Ri,j为1 个发动机在j阶段的耗油率（kg/s）；
    Ni为i类航空器的发动机个数（个）；
    Ti,j为i类航空器在j阶段的运行时间（s）；
    E为航空器在LTO 阶段的碳排放量（kg）；
    I为燃油碳排放系数（kg/kg）；
    ni为i类航空器的LTO总数（次）。

    1.2 碳排放情景设置

    基于过去碳排放的演化趋势和不同影响因素、现有政策执行的有效性和潜在的减排空间，本研究构建了以下4种碳排放情景。

    情景1：初始情景。这是根据过去民航发展特征及趋势得出的一种可能情景。该情景假设一种民航发展的惯性状态：目前经济环境和技术水平没有发生变化，没有采取新的减排措施，民航发展特征将与过去模式相同。具体来说，航空器更新保持现有速度，生物燃油使用较少，传统燃油使用较多。

    情景2：优化情景。民航节能减排“十三五”发展规划中指出，民航行业要高效利用能源资源，优化航空节能运行环境，着力提高运输生产力[12]。优化情景是指在初始情景基础上，假设民航业实施了一些减排措施：航空器地面滑行时间在优化策略的初步实施下开始减少，地面运行效率得到一定提升；
    航空公司得到政府补贴，逐步淘汰耗油率较高的老旧航空器，并开始增大生物燃油的使用比例。

    情景3：绿色发展情景。“十四五”民航绿色发展规划提出民航可持续发展的理念，强调生态文明建设[10]，节约资源和保护环境是一项基本国策。因此，中国已逐步走向绿色发展道路。绿色发展情景在优化情景的基础上，继续从地面滑行时间、航空器耗油率及生物燃油使用比例等角度绿色减排。

    情景4：技术革新情景。节能减排需要技术创新，在提高能源效率和使用低碳能源方面，生产和储能技术的重大突破尤为关键，具体包括：生物燃油研发成本降低，燃油效率大幅度提升，新型航空器使用生物燃油，耗油率明显降低等。

    1.3 蒙特卡罗方法

    本研究采用蒙特卡罗方法（Monte Carlo）[13]，根据一定概率随机组合参考变量计算目标变量。蒙特卡罗方法在模拟预测中尽管存在不确定性，但可对未来趋势的变化作出相对科学合理的判断[11]。利用该方法可以计算碳排放不同演化路径的概率分布，得到最可能的演化路径。根据Ti,j,Ri,j,I,ni等参数在上述4 种情景下的潜在变化率和发生概率，采用蒙特卡罗模拟可得到不同因素的随机值。

    本研究中机场航空器碳排放蒙特卡罗模拟流程如图1 所示。首先根据相关参数设定，回归得到不同情景下概率分布函数，考虑到机场运行的不确定性，对其进行20 000 次随机抽样，然后输入概率模型进行模拟，最后使用Matlab 和Origin对预测结果进行绘图和分析。

    图1 机场航空器碳排放蒙特卡罗模拟流程

    2.1 数据来源

    本研究选取成都双流机场（IATA: CTU;ICAO:ZUUU）作为碳排放及碳达峰预测算例。双流机场是4F级国际航空枢纽，为我国八大区域性枢纽机场之一。该机场2019 年保障航空器起降366 887 架次，位居我国当年第4（2019 年度机场生产公报）。本文所用数据及其来源如表1所示。

    表1 航空器碳排放数据来源

    2.2 研究假设

    不同假设场景下各参数在初始点（2019 年）和目标年的取值、蒙特卡罗模拟概率分布区间如表2所示。

    表2 不同预测情景下的参数取值设置

    表2 （续）

    （1）滑行时间。在不同假设情景下，机场对航空器的调度有所差异。根据ICAO 给出的标准滑行时间26min 和2017 年机场平均滑行时间16min，假设4 种情景下滑行时间分别减少7.2%,10.5%,11.75%,20%。

    （2）航油流量。新一代航空器发动机较上一代可提升航油效率20%左右。假设4 种情景下分别有21%,22.7%,25%,25.9%的航空器会进行发动机升级或替换，且4 种情景下发动机升级分别会提高20%,22%,24%,27%的效率，另外假设航油流量的提高比例为发动机的升级或替换参数与发动机提高的效率之积。因此，4 种情景下整个机队航油效率分别提高4.2%,5%,6%,7%。

    （3）碳排放系数。不同情景对燃油的改进水平与投入工艺存在一定差异，且燃油同类替代品——生物燃油、新能源燃料的使用比例也存在一定差异。因此，假设不同情景下碳排放系数分别减少0%,0.5%,0.6%,1.1%。

    （4）起降架次。基于2010—2021 年成都双流机场航空器的起降架次，采用回归方法，同时考虑疫情影响，假设2025 年、2030 年、2035 年成都双流机场航空器的起降架次分别为482 972,577 420,671 295架次。

    3.1 2019年碳排放测算

    成都双流机场2019 年共起降航空器366 887架次，根据历年民航局、航空公司的夏秋与冬春航季全国航班计划总表，通过数据清洗、整理，最终得到不同机型起降总架次为356 457，基本符合实际情况。

    为获得各情景下初始点的碳排放量以及横向分析不同机型的碳排放特征，根据式（1）、式（2）计算得出2019年成都双流机场LTO阶段航空器共产生约99.6 万t 的碳排放，其中各机型碳排放结果如表3 所示。LTO 的碳排放量排前三的机型分别为：A320,A321 和A319。其中A320 的碳排放量最高，原因是该机型较大且在双流机场起降架次最多，根据座位布局的不同通常配备150～180 座不等，使用的V2527-A5 发动机功率较大，航油流量较高。另外，B788/789/787/781,B7M8/7M9,B773 这3 类机型均属于宽体机，对应的单次起降循环碳排放量较高，平均滑行时间远高于其他机型。可见，滑行时间和发动机航油流量是影响LTO碳排放量的重要因素。

    表3 2019年成都双流机场不同机型碳排放情况

    3.2 碳达峰可能性分析

    将相关参数值代入蒙特卡罗模型，基于式（1）和式（2），进行20 000 次随机抽样，得到不同情景下碳排放量及碳达峰模拟结果，如图2～图5所示。

    图2 为初始情景下的碳排放预测结果。在该情景下，2025 年碳排放量在107.21 万～129.88 万t之间，最有可能达到的水平是118.88 万t；
    2030年碳排放量在117.98 万～145.93 万t 之间，最有可能为131.08 万t；
    2035 年碳排放量在125.73 万～155.55 万t 之间，最有可能为140.64 万t。根据计算结果，在初始情景下没有碳达峰的可能性。这一结果表明，在初始情景下，机场航空器碳排放将持续增加。从长远来看，这种高速增长是不可取的。因此，为了控制碳排放的增长趋势，机场和航空公司需采取更加严格的减排措施。

    图2 初始情景碳排放预测

    图3 为优化情景下的碳排放预测结果。在该情景下，2025 年碳排放量在97.94 万～120.20 万t之间，最有可能达到的水平是108.66 万t；
    2030年碳排放量在99.24 万～123.05 万t 之间，最有可能为111.34 万t；
    2035 年碳排放量在96.01 万～123.73 万t 之间，最有可能为140.64 万t。在优化情景下，2032 年将出现碳排放的峰值，为111.49万t。

    图3 优化情景碳排放预测

    图4 为绿色发展情景下的碳排放预测结果。在该情景下，2025 年碳排放量在93.65 万～116.28万t 之间，最有可能达到的水平是105.48 万t；
    2030 年 碳 排放量在92.60 万～116.79 万t 之 间，最有可能为105.50 万t；
    2035 年碳排放量在91.31 万～116.09万t之间，最有可能为102.90万t。在此情景下，峰值碳排放量105.88 万t 在2028 年出现，相较于优化情境下碳达峰时间提前了4年。

    图4 绿色发展情景碳排放预测

    图5为技术革新情景下的碳排放，预测结果。在该情景下，2025 年碳排放量在90.76 万～110.28万t 之间，最有可能达到的水平是100.35 万t；
    2030 年碳排放量在81.33 万t～100.04 万t 之间，最有可能为91.39 万t；
    2035 年碳排放量在72.97 万～89.66 万t 之间，最有可能为81.64 万t。2023 年存在碳排放的峰值，为101.48万t。在此情景下，将最早实现碳达峰。

    图5 技术革新情景碳排放预测

    3.3 碳达峰影响因素及灵敏度分析

    机场航空器碳达峰及减排潜力由多重因素共同作用。为顺利实现机场航空器碳达峰，从航空器滑行时间、发动机航油流量及燃油碳排放系数3个方面探究参数变化对碳排放的影响。

    根据3.1 节和3.2 节中的参数设置，2019—2035 年，初始情景、优化情景、绿色发展情景及技术革新情景下成都双流机场航空器分别产生碳排 放2 086.246 万t,1 844.06 万t,1 772.475 万t,1 608.32 万t。这4 种情景下产生的碳排放总量相较于在未来碳排放管理上不采取任何政策或措施的情况下，分别减少13.16%,23.24%,26.22%,33.05%的碳排放量。

    为分析单一因素变化对不同碳减排情景的影响，通过控制变量计算各因素对碳减排的贡献比例，结果如图6所示。

    图6 不同情景下各影响因素对碳减排的贡献比例

    由图6 可知，首先，碳排放系数对碳减排的贡献最大，除初始情景下碳排放系数没有发生变化外，优化情景、绿色发展情景与技术革新情景下碳排放系数对碳减排的贡献比例分别为44%,41%,40%，这表明降低燃油燃烧的碳排放系数是航空器碳减排的有效方法之一。其次，航油流量对于碳减排发挥着重要作用，4 种情景下的贡献比例分别为56%,29%,33%,37%。再次，滑行时间的减少对于航空器碳减排同样重要。

    为进一步探究各因素对于航空器碳排放的影响，图7 给出减少6%滑行时间（约1.9min）、减少6%航油流量以及减小6%碳排放系数相对于2019年即不采取任何措施下的碳减排比例。

    图7 单因素变化的灵敏度分析

    从图7 可以看出，碳排放系数具有较大的碳减排效益，航油流量与滑行时间对碳减排的贡献略低于碳排放系数，但同样起到重要作用。以B737（发动机型号：CFM56-7B22）为例，单次起降循环的碳排放量为47 915.98kg，减少6%碳排放系数的碳减排效益为3 254.395kg，减少6%的燃油流量的碳减排效益为2 857.889 kg，缩短6%滑行时间的碳减排效益为2 233.114 kg。

    《2022 中国民航绿色发展政策与行动》中指出，民航碳减排主要可从优化机场场面运行、升级发动机和混合使用可持续燃料等方面着手[17]，因此可以这从3 个方面有针对性地制定政策和实施相关管理措施，加快机场航空器实现碳达峰。

    本文采用ICAO 建立的“自下而上”计算方法，将机场航空器未来碳排放划分为4 种不同情景，测算了成都双流机场2019年机场航空器的碳排放量，结合情景分析法与蒙特卡罗方法，对未来年机场航空器碳排放进行了预测，探讨了碳达峰实现的可能性，最后分析了碳减排的关键影响因素对碳排放的影响。经测算，2019 年成都双流机场航空器共产生约99.6万t的碳排放量；
    在4种不同情景下，成都双流机场航空器碳排放在初始情景下达到最高值，约为140.64 万t；
    在技术革新情景下达到最低值，约为81.64 万t；
    在优化情景、绿色发展情景和技术革新情景下可分别于2032 年、2028 年和2023 年实现碳达峰，碳排放最可能的峰值分别为111.49 万t,105.88 万t,101.48万t。研究表明，降低航空燃油碳排放系数是实现碳达峰最重要的手段。

    需要指出的是，鉴于本研究以机场内航空器为研究对象，因此仅考虑了航空器起降循环阶段的碳排放，而未考虑航空器在机场间巡航阶段的碳排放。未来将进一步以某一型号航空器或航空公司整个机队的角度，开展航空器碳排放及碳达峰预测研究，以更好地指导民航业的碳减排工作，顺利实现碳达峰。

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