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随着全球二氧化碳排放的不断增加,温室效应日益凸显,气候问题已经成为一个全球性问题。2010—2019年期间,全球温室气体年平均排放量达到人类历史上最高水平。大量的二氧化碳排放,导致全球气温不断上升,极端天气发生的概率大大增加。为了应对气候危机,欧盟和美国等都相继公布了各自的碳减排目标。我国作为世界第二大经济体,各行各业的快速发展导致了大量的二氧化碳排放。在这样的背景下,我国国务院印发意见,作出在2030年前达到碳排放峰值,2060年前实现碳中和的重大承诺。
民航运输业是全球经济活动的重要支撑,在中远程运输中具有较高效益。但民航飞机燃烧航空煤油不可避免地产生大量二氧化碳,且由于其排放空间位于大气层中,所造成的温室效应也是地面排放的数倍。据国际清洁交通委员会(The International Council on Clean Transportation,ICCT)统计,2018年全球商业航空运输总二氧化碳排放量总计为9.18亿吨,占到全球CO2排放量的2.4%,比过去5年增加了32%。2019年这一数据进一步增加,达到9.2亿吨CO2,约占当年全球总排放的2.8%。就我国而言,2019年交通运输业碳排放量达到11.4亿吨,占全行业碳排放量的11%[1]。其中,仅包括国内民航运输导致的碳排放占6.09%。随着航空运输需求的不断增加,这一占比将会进一步扩大。
在全球碳减排的趋势下,国内外陆续开展了许多关于民航领域碳达峰、碳中和的研究。李心怡等[2]首先对中国民航运输碳排放量的影响因素进行分解,其次建立Tapio解耦模型分析民航运输碳排放量与各影响因素的关联强度,运用改进可拓展的STIRPAT模型对所设置的六种情景下中国民航碳排放量进行测算。韩博等[3]建立了一套民航大气污染物与CO2排放综合预测模型,基于民航飞机未来增长情况和2019—2050年民航CO2和NOx排放量开展预测分析,并评价产生的减排协同效益。许绩辉[4]采用LEAP模型构建中国民航业能源系统模型,通过设置五组不同的发展情景,深入分析民航业的驱动因子和发展趋势,探讨中国民航业中长期低碳发展的技术路径,为民航业双碳目标的推进提供了一系列建议。胡荣等[5]对2019年厦门高崎机场的碳排放量进行计算,并且通过情景分析和蒙特卡洛模拟分析了碳达峰的可能性、峰值与影响因素。FAN et al[6]基于LTO和巡航阶段,建立了2010年中国各航空公司污染物排放清单,并对减少污染物排放的有效途径进行了分析。WANG et al[7]考虑混合层高度影响,基于ICAO方法和241个机场数据,对中国2010—2020年的综合排放进行估算,并计算四种情景下航空业的未来污染情况。
通过对国内外现有文献的分析,能够发现目前的碳达峰预测研究大多以机场为单位,很少以航空公司作为单位对碳排放进行预测。中型航空公司处于发展的关键期,对中型航空公司未来的碳排放进行预测分析,能够为航司提供数据支持,为航司机队发展与优化提供方向。本研究正是基于这种思路出发,选择国内某中型航空公司作为研究对象,设置不减碳情景、基础减碳情景、快速减碳情景和理想减碳情景4个情景,对其2022—2035年内的碳排放进行预测分析,并提出一系列发展建议。
多情景下中型航空公司碳排放预测研究
A study of carbon emission projections for medium-sized airlines under multiple scenarios
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摘要: 文章是在国际国内减碳的大背景下,选择国内某中型航空公司作为研究对象,首先利用ICAO碳排放计算法,依据航班进程的两个阶段(LTO和CCD阶段),对2015—2019年的碳排放量状况进行计算分析,再通过设置不减碳情景、基础减碳情景、快速减碳情景和理想减碳情景4个民航发展情景,使用基于Python语言的蒙特卡洛模拟方法,以2021年为基准,对该航空公司2022—2035年内的碳排放进行仿真预测。结果表明:由于中型航空公司的发展需求,4种情况下都无法完成碳排放总量达峰,但其每万架次碳排放量明显降低,表明碳减排措施的有效性。最后从国内外理论研究和现实应用的角度出发,为中型航空公司提出了多条低碳发展建议,以助力我国民航业早日实现碳达峰、碳中和的重要目标。Abstract: The article is based on the background of international and domestic carbon reduction, and a medium-sized domestic airline was selected as the research object. Firstly, using the ICAO carbon emission calculation method, the carbon emission status from 2015 to 2019 was calculated and analyzed based on the two phases of the flight process (LTO and CCD phase), and then by setting up a no carbon reduction scenario, a basic carbon reduction scenario, a rapid carbon reduction scenario and an ideal carbon reduction. The airline's carbon emissions from 2022 to 2035 were then projected using a Python based Monte Carlo simulation using four civil aviation development scenarios, with 2021 as the base year. The results showed that due to the development needs of the medium-sized airline, it will not be able to complete the carbon peaking in all four scenarios, but its carbon emissions per 10,000 flights are significantly lower, indicating the effectiveness of carbon reduction measures. Therefore, finally, from the perspectives of domestic and international theoretical research and real-life applications, several low-carbon development suggestions were made for medium-sized airlines to help China's civil aviation industry achieve the important goal of carbon peaking and carbon neutrality as soon as possible.
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表 1 CFM56-5B4各阶段推力设置、使用时长及燃油流量
Table 1. CFM56-5B4 Thrust setting, duration of use and fuel flow rate for each stage
飞行阶段 推力设置/% 使用时长/s 燃油流量/kg·s−1 起飞阶段 100 42 1.142 爬升阶段 85 132 0.939 进近阶段 30 240 0.316 滑行阶段 7 1560 0.102 表 2 4种情景下的变量参数设置
Table 2. Variable parameter setting under four scenarios
情景分类 t/a 起飞流量/kg·s−1 爬升流量/kg·s−1 进近流量/kg·s−1 滑行流量/kg·s−1 排放因子/kg·kg−1 空管优化 不减碳情景 2021—2035 1.142 0.939 0.316 0.102 3.115 不减少 基础减碳情景 2021 1.142 0.939 0.316 0.102 3.115 减少2% 2025 1.119 0.920 0.310 0.100 3.061 2030 1.091 0.897 0.302 0.097 2.994 2035 1.062 0.873 0.294 0.095 2.927 快速减碳情景 2021 1.142 0.939 0.316 0.102 3.115 减少4% 2025 1.096 0.901 0.303 0.098 3.008 2030 1.039 0.854 0.288 0.093 2.873 2035 0.982 0.808 0.272 0.088 2.739 理想减碳情景 2021 1.142 0.939 0.316 0.102 3.115 减少6% 2025 1.073 0.883 0.297 0.096 2.954 2030 0.988 0.812 0.273 0.088 2.752 2035 0.902 0.742 0.250 0.081 2.551 -
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