航空碳排放計算方法

隨著航空業(yè)參與者對精確掌握二氧化碳排放情況的需求不斷增長，構(gòu)建高可信度、標(biāo)準(zhǔn)化的計算方法變得十分必要。國際民航組織（ICAO）和國際航空運(yùn)輸協(xié)會（IATA）的碳排放計算方法以飛行距離為主要輸入，根據(jù)飛行過程的燃料消耗情況得到每位旅客的碳排放信息，有望在航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展中起到重要指引作用。根據(jù)國際航空運(yùn)輸協(xié)會公布的數(shù)據(jù)，新冠疫情前的2019年商用航空運(yùn)輸市場的二氧化碳排放量達(dá)到9.15億t，占全球排放總量的2.4%，其中85%的碳排放來自民航客運(yùn)。在全球航空業(yè)致力于到2050年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放的大背景下，為了更好地應(yīng)對碳補(bǔ)償壓力、承擔(dān)碳減排責(zé)任，所有市場參與者首當(dāng)其沖要做的就是了解各種飛行活動對應(yīng)的碳足跡信息?？茖W(xué)合理地計算航空碳排放量的現(xiàn)實(shí)意義愈發(fā)顯現(xiàn)，這無疑是未來建立健全碳交易市場機(jī)制的基礎(chǔ)。ICAO的碳排放計算器（carbonemissionscalculator）和IATA發(fā)布的航空旅客碳排放計算方法，是目前最為通用的航空碳排放計算方法。ICAO碳排放計算方法ICAO的碳排放計算器首先可通過飛行始發(fā)地和目的地機(jī)場的經(jīng)緯度坐標(biāo)計算理想飛行距離（GCD），考慮到交通管制與不利天氣等因素的影響，應(yīng)對結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)校正得到實(shí)際飛行距離。然后，基于飛行距離是燃油消耗單一自變量的假設(shè)，利用航空制造商使用手冊中給出的理論耗油率，以及航空公司在航班實(shí)際運(yùn)營中燃料使用的相關(guān)數(shù)據(jù)，給出航空燃料消耗和飛行距離之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，據(jù)此可得到執(zhí)飛該航線特定機(jī)型所消耗的航空燃料（各種機(jī)型對應(yīng)不同飛行距離所消耗的燃料信息可在ICAO碳排放計算器使用說明書中查閱）。為了能夠評估每位旅客產(chǎn)生的航空碳排放，有必要扣除航班上攜帶的貨物和郵件消耗的燃料。旅客、貨物和郵件的燃料分配比例與其質(zhì)量正相關(guān)，基于旅客個體的平均質(zhì)量為100kg（含行李）、與旅客使用相關(guān)的機(jī)上設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施（如座位、盥洗室、廚房和機(jī)組人員）附加質(zhì)量為每座位50kg的假設(shè)，可得到燃料消耗的客貨比系數(shù)。利用該機(jī)型能夠提供的最大座位數(shù)量（即假設(shè)飛機(jī)全部配置經(jīng)濟(jì)艙）和載客率，計算航班上實(shí)際的旅客人數(shù)以及每位旅客對應(yīng)燃料消耗。根據(jù)國際民航公約附件16第14卷國際航空碳抵消和減排計劃（CORSIA）中的約定，Jet-A/Jet-A1型航空燃料的二氧化碳轉(zhuǎn)換系數(shù)為3.16，即不論何種飛機(jī)、裝配何種燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)或執(zhí)行何種飛行任務(wù)，近似認(rèn)為每消耗1kg航空燃料將固定產(chǎn)生3.16kg碳排放，此時每位旅客的飛行碳排放即為對應(yīng)燃料消耗量與該轉(zhuǎn)化系數(shù)的乘積。根據(jù)ICAO發(fā)布的使用說明，幾種典型機(jī)型飛行距離與燃料消耗量的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。圖1

幾種典型機(jī)型飛行距離與燃料消耗量的對應(yīng)關(guān)系例如，一架從北京首都機(jī)場飛往上海虹橋機(jī)場的A321客機(jī)，飛行距離為1075km，單程燃料消耗總量約6132kg，以客貨比79.47%估算，旅客消耗的燃料為4873kg。若進(jìn)一步認(rèn)為該飛機(jī)的最大座位量為215個、平均載客率為75.3%，那么此次飛行每位旅客消耗航空燃料30kg，相應(yīng)產(chǎn)生了94.8kg碳排放。而對于非經(jīng)濟(jì)艙（含超級經(jīng)濟(jì)艙、商務(wù)艙和頭等艙）的旅客而言，可近似認(rèn)為產(chǎn)生了兩倍于經(jīng)濟(jì)艙乘客的排放水平。需要特別說明的是，ICAO的計算器無需用戶給出具體的機(jī)型信息，一旦飛行的始發(fā)機(jī)場和終到機(jī)場確定，就會自動比對數(shù)據(jù)庫中已有定期航班信息，獲得在這兩個機(jī)場執(zhí)飛的所有飛機(jī)機(jī)型（有一些機(jī)型可近似認(rèn)為是等效的），并通過不同的客貨比例和運(yùn)載能力關(guān)系計算燃料消耗情況，再根據(jù)其起飛頻率占比進(jìn)行加權(quán)平均，最終得到該航線上每位旅客的碳排放平均值。IATA碳排放計算方法2022年年初，IATA發(fā)布了最新航空旅客碳排放計算方法，并宣稱可為所有有興趣了解飛行活動碳足跡的旅客提供最準(zhǔn)確的計算結(jié)果。整體上看該方法基本延續(xù)了ICAO的計算思路，如同樣是基于飛行距離與燃料消耗的對應(yīng)關(guān)系、同樣將燃料燃燒生成二氧化碳的轉(zhuǎn)化系數(shù)定為3.16，只是在一些細(xì)節(jié)上重新審定，進(jìn)行了改進(jìn)和更新。在燃料燃燒監(jiān)測方面，IATA建議采用的監(jiān)測對象、流程和方法應(yīng)與CORSIA保持一致，且由外部獨(dú)立核查組織審計確認(rèn)相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)際計算中不再對航線上所有可能的機(jī)型取均值；在燃料客貨分配方面，雖然每位旅客及其托運(yùn)的行李的平均質(zhì)量仍計為100kg，但不再附加每個座位50kg的額外設(shè)備設(shè)施質(zhì)量（所在地法規(guī)要求除外），這相當(dāng)于普遍調(diào)減了旅客承擔(dān)的碳排放；在座位方面，考慮到窄體、寬體飛機(jī)不同客艙等級旅客座位空間與質(zhì)量的巨大差異，燃料消耗要對應(yīng)不同的權(quán)重系數(shù)，此時經(jīng)濟(jì)艙旅客產(chǎn)生的碳排放可能會顯著低于ICAO碳排放計算器給出的計算結(jié)果。除了二氧化碳，飛行活動在高空產(chǎn)生的氮氧化物、水蒸氣（尾跡云）和顆粒物同樣會帶來巨大的溫室效應(yīng)，因此似乎有必要在碳排放計算時引入所謂的輻射強(qiáng)迫系數(shù)（RFI）的影響。早期的一些研究工作將RFI標(biāo)定為1.9～2.7，即認(rèn)為最終產(chǎn)生的等價碳當(dāng)量是燃料燃燒產(chǎn)生二氧化碳的1.9～2.7倍。然而，隨著研究的深入，用RFI來簡單表達(dá)航空排放與輻射效應(yīng)之間的關(guān)系可能并不合適，在業(yè)界就航空非碳排放計算與影響評估達(dá)成共識之前，IATA不建議基于RFI人為放大飛行碳足跡。而針對目前廣受關(guān)注的可持續(xù)航空燃料（SAF），其使用過程中的碳排放計算與傳統(tǒng)航空燃料并無區(qū)別，想要確定SAF產(chǎn)生碳信用額度必須追蹤從生產(chǎn)到使用的全生命周期碳排放情況。表1和表2分別給出了窄體飛機(jī)和寬體飛機(jī)旅客碳排放計算示例。表1

窄體飛機(jī)旅客碳排放計算示例（來源：IATA）

表2

寬體飛機(jī)旅客碳排放計算示例（來源：IATA）碳排放計算方法的發(fā)展

對每個航班使用實(shí)時數(shù)據(jù)分析燃料消耗情況并不現(xiàn)實(shí)，單次飛行不但容易受到諸如天氣和交通等無法控制因素的干擾，也無法真實(shí)反映很多航線季節(jié)性和方向性的潛在特征。相應(yīng)地，航空碳排放計算在很大程度上成為了一個時間構(gòu)架（周期一般為1年）下的統(tǒng)計學(xué)問題。從飛行距離到燃料消耗、再到燃料產(chǎn)生的二氧化碳，ICAO和IATA的碳排放計算流程方法得到了越來越多的認(rèn)可，在旅客質(zhì)量估算、艙位權(quán)重分配等方面已基本形成了共識?？紤]到國際民航公約已正式標(biāo)定航空燃料與二氧化碳轉(zhuǎn)換系數(shù)，業(yè)界對該計算方法關(guān)注的焦點(diǎn)集中在如何更加準(zhǔn)確地評估燃料消耗上。一般可將飛行分為巡航和起飛/著陸（LTO）兩大部分。其中巡航包含了飛機(jī)在915m高度以上的所有活動，不僅覆蓋了絕大部分航程（如一些估算中粗略取99%），而且工況較為單一、試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為全面完備，很多飛機(jī)/發(fā)動機(jī)設(shè)計手冊中都對如何計算巡航的燃料消耗進(jìn)行了詳盡的分析，并給出了置信度較高的經(jīng)驗(yàn)公式。LTO則涉及滑出、起飛、爬升、進(jìn)場、著陸和滑入等多個狀態(tài)，粗略認(rèn)為燃料消耗占據(jù)了全程的10%左右，由于飛行距離較短，該階段產(chǎn)生的碳排放會更加集中，相應(yīng)地帶來了機(jī)場附近低空大氣環(huán)境破壞的問題，并衍生出了碳排放擴(kuò)散分析等研究方向。根據(jù)ICAO發(fā)布的相關(guān)文檔，不同飛行狀態(tài)飛機(jī)的燃料消耗為飛行時間與發(fā)動機(jī)數(shù)量、發(fā)動機(jī)燃料流量三者的乘積。如一架波音737飛機(jī)爬升用時132s，此時配裝CFM56-7B發(fā)動機(jī)的燃料流量為0.761kg/s，因此該飛行狀態(tài)下的燃料消耗計算公式為2×132×0.761=200.9kg，若計算整個LTO階段的燃料消耗則需將各個狀態(tài)下的結(jié)果疊加起來。為簡化工作，在一些研究中近似將飛機(jī)/發(fā)動機(jī)在執(zhí)行不同飛行任務(wù)時LTO階段的燃料消耗當(dāng)作定值，但目前這么做是否合適還沒有一個定論。當(dāng)然，即便針對巡航來說，不同研究機(jī)構(gòu)所采用的燃料消耗經(jīng)驗(yàn)公式可能也并不相同。未來航空碳排放計算方法將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：第一，航空碳排放計算方法不是“屠龍之術(shù)”，所針對的也不只是航空設(shè)備制造商和航空公司，過于紛亂繁雜的計算流程無助于其在廣大旅客中的普及應(yīng)用，適度的近似和簡化是非常有必要的；第二，各種不同的碳排放計算方法和思路逐漸從發(fā)散走向收斂，ICAO和IATA相關(guān)碳排放計算方法最有可能成為業(yè)界通用的基準(zhǔn)，像機(jī)場這樣特殊場景的碳排放計算都會在此基礎(chǔ)上改進(jìn)演化；第三，碳排放計算方法應(yīng)與經(jīng)核實(shí)的航空設(shè)備制造商的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和航空公司運(yùn)營數(shù)據(jù)結(jié)合使用，但很多企業(yè)內(nèi)部信息并不對外公開，即便同樣的計算方法很可能產(chǎn)生不同的計算結(jié)果，協(xié)調(diào)全行業(yè)排放數(shù)據(jù)的統(tǒng)合已經(jīng)勢在必行。結(jié)束語

正如IATA所宣稱的那樣，“創(chuàng)建一套公認(rèn)的航空碳