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电动航空是答案吗？未来趋势揭秘

航空让世界相连，但飞机仍靠化石航空燃油，产生二氧化碳、尾迹和其他加剧气候变暖的排放物。那人类能不能在不放弃长途旅行的前提下，让飞行更环保？电动飞机、可持续航空燃料、合成电子燃料、绿氢和更聪明的飞机设计，都在助力实现零碳飞行。

（插图指南即将推出）

影响速度成本成熟度自然影响

1.8总体

解决方案评分

  • 影响3 / 5航空业排放占比不大，却是最难减掉的领域之一。
  • 速度2 / 5提高效率现在就有帮助，但清洁燃料和新机队需要几十年。
  • 成本1 / 5可持续航空燃料比普通煤油贵得多。
  • 成熟度1 / 5高效飞机已经有了，但清洁燃料和电动飞机还很遥远。
  • 自然影响2 / 5SAF原料会争夺土地，飞机尾迹也会加剧变暖。

测验

第 1 题，共 10 题

全球变暖中大约有多大比例是航空业造成的？

得分 0 / 10

旁白稿

人类一直梦想着飞上天空，虽然尝试了很多次，但大自然通常会用重力告诉你别想太多[1-4]。不过终于，靠着一股死磕到底的劲头和对人身安全有点令人担心的无视，奥维尔·莱特和威尔伯·莱特兄弟在1903年破解了飞行密码[5]。

可惜，违背大自然是要付出代价的…

飞机排放的污染物造成了大约4%的全球变暖[6,7,8]。

显然，我们需要解决方案。

如今，大多数飞机燃烧一种叫煤油的化石燃料[9,10]。问题是，燃烧这么多煤油每年会排放大约10亿吨CO2[11-14]，还有氮氧化物和其他污染物，它们对气候的影响可能比CO2更糟，尤其是在高空[10,12,15,16]。

比如说，烟尘和水蒸气。它们会一起形成凝结尾迹（就是飞机后面那些细细的线）。在某些条件下，这些也会困住热量[17,18]。

所以，飞行产生的CO2虽然不到全球变暖的2%，但所有航空排放的总影响大约有4%[6,7,8]。而到2050年，航空出行预计会翻一番，这个问题正迅速变得更严重[19,20,21]。

那该怎么办？

好消息是，好几项进展正在推动天空变得更清洁。

追随莱特兄弟的脚步，工程师一直在让飞机更流线、更轻、更高效[22]。比如，大多数现代飞机已经使用弯曲的翼梢小翼来减少阻力，最多可节省5%的燃料[23,24,25]。

但为什么停在这里？盒式机翼设计最多可减少22%的燃料消耗，预计会在2030年代推出[26-30]，而翼身融合设计最多可减少30%的燃料消耗，并可能在十年内投入使用[31-35]。

而这还只是飞机外部…

把旧发动机升级为最新设计，航空公司最多可减排15-25%[11,22,36,37]。许多飞机公司现在从发动机到机身都在使用轻质碳复合材料[11,37-40]和3D打印部件，让飞机比以往更轻[41-48]。

而且不只是机身可以瘦身：通过更好的规划和物流，航线可以优化得更高效，在完全不改设计的情况下就能减排10%[49-53]。结果呢？空中燃烧的燃料更少，排放也更低。

但为什么非得坐飞机出行呢？

高速铁路的发展让长途旅行比以往更清洁、更便宜、更舒适[54,55,56]。事实上，距离在800公里以内时，高速铁路甚至比坐飞机更快！[57-60] 据估计，在欧洲，20%的短途航班可以由高速铁路替代[57,61,62,63]。

通过转向数字化来减少需求，是另一个简单的解决方案。COVID-19疫情证明，视频会议、远程办公和虚拟协作可以让人们和企业连起来，根本不用坐飞机[64,65,66]。

在必须飞行时，许多航空公司会使用碳抵消计划来抵消碳排放[67,68,69]：比如植树、使用直接空气碳捕集（DAC），或资助可再生能源。

问题是，和飞行造成的影响相比，这些抵消措施的环境效果微乎其微：

  • 树木需要几十年才能长大。
  • 直接从空气中捕集CO2很有前景，但目前依然昂贵，规模也太小，难以带来实际改变。
  • 资助可再生能源并不能直接解决航空排放问题[69-73]。

所以，要真正让天空变干净，飞机需要新的动力来源！

看起来很简单，把汽车那套搬过来，用电池替代燃料就行，但现代电池要达到和航空燃料一样的能量输出，重量最多会是它的50倍！所以，一架全尺寸电动客机恐怕连跑道都很难离开，更别说飞越大西洋了[74-79]。

相反，电力推进最适合小型飞机和较短的行程[80]。事实上，第一批实验性电动飞机已经在美国、英国和中国起飞了[81-85]。在实验性的混合动力方案中，电池也可以和传统发动机搭配使用[77,79]。这些飞机总有一天可能飞行超过1,000公里[86,87,88]。

随着电池越来越便宜、性能越来越强，完全电动的商用客机有望在十年内执飞500公里以内的短途航线[89-93]。

可惜，中长途航班占了航空排放的大部分。它们可能要到至少2090年才能实现电动化，所以人类还需要其他解决方案[14,74,75,94]。

可持续航空燃料，或称SAF，登场。这些碳中和燃料无需进行重大改装，就能在今天的发动机中使用[95-98]。

那问题在哪？

最常见的类型是生物燃料。它们可以由植物制成，但如果这些植物的种植方式不可持续，就可能占用农田[99,100,101]。

如今，这些燃料占航空燃料的比例不到1%[102-105]，所以扩大生产可能意味着要在食物和燃料之间做选择。如果处理不当，甚至可能导致森林砍伐，释放碳，完全违背使用它的初衷！[10,106,107,108]

人们正在采取保障措施来减少对食物的影响[109-114]，但更有前景的选择，是使用海藻、微藻，甚至废弃食用油等可持续的非食物来源[11,115,116]。

事实上，欧洲航空公司已经开始使用由回收油脂和食用油制成的SAF。这两类合计约占它们计划供应的可持续燃料的55%[117,118]。而由微藻制成的生物燃料已在美国获得大量投资，并在日本成功测试[119,120,121]。

另一个选择是绿氢。绿氢利用可再生电力从水中分离出氢，是一种燃烧清洁的神奇燃料，最终只留下水蒸气[122,123]。它不仅能彻底消除CO2，还能将有害氮氧化物减少约86%[124]。

那缺点是什么？

其实，连氢也会形成凝结尾迹，就是那些能困住热量、让人头疼的条状云[124]。它的储存和运输也相当麻烦，需要高压储罐或超低温液态储存[122,125,126]。

即便如此，飞机公司仍在争相研发未来的氢能飞机，而生产氢所需的可再生电力也在快速增长[127-130]。如果一切顺利，氢能飞机最快可能在2035年就会到来[131-134]。

但这还是要等很久。现在有没有办法在现有飞机上使用绿氢？

有！绿氢可以和从空气中捕集的碳结合（比例为3比1），制成一种合成可持续航空燃料，叫作电转液燃料或e-SAF [135-139]。它无需改装就能在今天的飞机上使用[94,140-143]。它已经用于测试飞行，并且未来十年内有望大幅扩大规模[140-147]。

据估计，到2050年，e-SAF将占所有可持续航空燃料的50%以上，在真正的氢能飞机腾飞前帮助控制排放！[148]

零碳飞行是绿色能源转型中必不可少、也无法避免的一部分。这可能需要时间，但人类只花了44年就从第一次动力飞行发展到突破音速，绝对有能力迎接这个挑战！[149,150,151]

International Air Transport Association 和联合国的 International Civil Aviation Organization 都以2050年实现净零排放为目标，这场竞赛已经开始！[152-155]

全球航空公司正在朝着更高燃油效率迈进：可持续燃料和绿氢生产正在扩大规模，新一代电池也在快速发展[156-160]。所以，随着技术加速、势头增强，再加上支持这一切的政策框架，零碳飞行将成为漫长创新史上的下一个里程碑。

问题不再是会不会…而只是何时！

专家顾问

我们要感谢

Haldane Dodd

航空运输行动小组

执行董事

Dr. Maximilian Held

H2Global基金会

首席运营官

Dr. Candelaria Bergero

威斯康星大学麦迪逊分校

可持续发展与全球环境中心

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延伸阅读

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历史

解决方案 - 提高效率

解决方案 - 数字化与铁路

解决方案 - 碳抵消

解决方案 - 电动与混合动力飞机

解决方案 - 可持续航空燃料

解决方案 - 氢能与电子燃料（电转液）

参考资料

这里的所有链接内容都是英文。

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  160. [160] 氢能 | IEA

参考注释

6,7,8

航空排放对全球变暖的总体影响

尽管航空业的二氧化碳排放占全球变暖总贡献不到2%，飞行带来的整体气候影响要大得多。2024年，航空业约占全球二氧化碳排放总量的2.14%A,B（略低于10亿公吨），但飞机还会在高空排放水蒸气、氮氧化物、烟尘及其他颗粒物和气溶胶，它们会与大气化学和云层形成发生作用，将入射的太阳辐射和地球再辐射的长波辐射困住，阻止其逸散，这两种作用都会加剧变暖。尤其是凝结尾迹和凝结尾迹诱发的卷云，会通过困住红外辐射增强温室效应（见下方关于[17,18]的参考注释），而氮氧化物则会促成另一种温室气体臭氧的形成。当把这些非二氧化碳影响与直接的二氧化碳排放合并计算时，航空业造成的总辐射强迫估计约占人为导致变暖的3.4-4%，这意味着航空业的气候足迹大约是仅看其二氧化碳排放所显示的两倍。

17,18

关于凝结尾迹的增温效应说明

凝结尾迹是飞机在巡航高度形成的冰晶云，由水汽的凝结尾迹构成（水汽来自燃料燃烧和周围大气）。水汽可以凝结在飞机排放的气溶胶上，比如烟炱（碳）颗粒。这些云寿命很短，但空气越冷、越湿，它们持续的时间就越长。

这些云会以两种相反的方式影响地球的能量平衡。白天，它们明亮的反射表面能散射并将部分入射太阳辐射反射回太空，减少到达地表的阳光，从而带来短暂的降温效果。但与此同时，凝结尾迹就像薄薄的卷云，能高效吸收并重新释放地表发出的长波红外辐射。这个过程会把热量困在低层大气中，产生净增温影响，夜间尤其明显，因为没有入射太阳辐射时，只剩下困热效应。总体来说，凝结尾迹的增温作用往往超过其反射带来的降温作用。不过，这种效应背后的机制仍不太清楚，研究人员也一直在进一步量化其总体影响及所需条件。

11,22,36,37

发动机升级

引用的15%-25%数据通常指新一代飞机和发动机组合相比其替代的飞机，燃油效率有所提升，而不是只给现有机身更换发动机。结果会因飞机类别、航线和运行条件而异 [11,22,36,37]。

74-79

电池与航空燃油

“50倍”这一比较，是将现有电池单位质量储存的能量，与每公斤航空煤油所含的化学能进行对比。它是一个有用的原始燃料质量比较，而不是完整的推进系统比较：电动机的效率远高于涡轮发动机，但电池组还需要外壳和热管理，而且放电后仍保留其质量。因此，相对质量会有所不同，不过电池按重量计算能储存的可用能量仍少得多，这依然是核心限制 [74-79]。

81-85

当前电动飞机的能力

原型电动飞机已在多地进行试飞，尤其是在英国、美国和中国。这些测试包括在相距很近的机场之间进行短途飞行，或在严格管控的空域内绕机场进行较长时间飞行。这些测试由私营公司或各国空军进行，展示了电动飞机的能力。不过，全电动商用飞机仍在研发中，计划在本十年内升空。这些将是航程不足500千米的区域航班，载客量很少，如[89-93]所示。预计到2090年代，电动中长途航班（从国际航线到洲际和跨大西洋距离）将在商业上可行[14,74,75,94]。不过，一些行业和学术专家认为这估计得非常乐观，也有人认为长途电动飞机永远不会在商业上可行。

95-98

可持续航空燃料的碳中和性

可持续航空燃料燃烧时仍会排放 CO₂。它对气候的潜在益处主要按燃料的全生命周期来评估，因为生物源碳或从空气中捕集的碳可以替代新开采化石碳的排放。不过，实际减排效果取决于用于生产燃料的原料类型、涉及的土地利用变化、生产和运输所用的能源、额外性（即所声称的间接减排是否本来也会发生）以及与常规化石燃料的掺混比例。因此，不同的 SAF 路径带来的减排幅度可能大不相同 [95-100,135,136]。

117

欧洲航空公司使用的可持续航空燃料

更正：欧洲航空公司公开宣布的SAF承诺和供应协议中，约55%预计将来自废油和油脂，包括动物脂肪、废食用油和其他废油。这里说的是协议和计划中的合同，而不是像影片中暗示的那样已经在使用的燃料。

122,123,124

氢燃料排放

氢不含碳，因此氢燃料电池在使用地点只会产生水。燃烧氢会产生水蒸气，也可能使空气中的氮和氧发生反应，形成氮氧化物。

[124]报告的约86% NOₓ减排适用于其指定的飞机配置，并非普遍适用的减排比例。

与氢燃料相关的全生命周期排放（以及相较于传统航空煤油的减排量）取决于是否以可再生能源供电的制氢方式替代高碳方法，也取决于生产、冷却、压缩、运输和储存氢所需的能源和基础设施带来的间接排放[122-126]。

131-134

商用氢动力飞机的时间表

人们已估算首架氢动力飞机何时能投入商业运营。早期行业和政府情景预测其约在2035-2040年投入运营 [131-133]：麦肯锡公司 [133] 估计，在乐观情景下，氢动力飞机可从2035年起投入使用，但“照常发展”和“审慎”情景则显示要到2040年才会进入市场。希思罗机场和英国政府 [131] 也持这种乐观看法，认为该飞机可从2035年起用于国内航线，并最迟于2040年用于区域航线。不过，这些是预测，并非已确认的交付计划。英国的来源本身现已归档，让人质疑较新的更新是否已使这些预测不太可能实现。

空中客车的ZEROe项目 [132] 原计划在2035年前让一架氢动力飞机投入运营，但在2025年2月宣布该项目已延期，理由是技术发展慢于预期，表明将延后5-10年 [134]。数月后，他们仍未给出首架氢动力飞机的明确时间表，同时削减了该项目的预算。

135-139

可持续航空燃料的电转液碳氢比

3:1这一数值描述的是分子之间的化学比例，而不是它们的相对重量或体积。简单说，生产e-SAF时，每个被捕集的二氧化碳分子大约需要三个氢分子。具体比例会因生产工艺和最终燃料而略有不同。例如，[136]给出的H₂-CO进料比约为2:1 - 被捕集的CO₂可能会先转化为CO，这会消耗额外的氢气。没有一种进料比例适用于所有生产路线，但3:1能很好地说明其背后的化学原理。

148

2050年电子可持续航空燃料预测

Project SkyPower 的数据是一项前瞻性的行业预测，前提是获得足够投资和政策支持后，e-SAF 能迅速扩大规模。它不是公认的市场预测，也不构成保证。结果将取决于生产扩张的速度，但这项预测说明，到2050年，e-SAF 预计将发挥重要作用。

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