◎特約撰稿 李東海（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心副研究員）

未來坐飛機(jī)不全靠石油 各國生物航油藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)進(jìn)行時

◎特約撰稿 李東海（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心副研究員）

英國BP石油公司2011年預(yù)測，目前世界已探明石油儲量按日均消耗量計算，僅可以再維持43.6年。這對嚴(yán)重依賴傳統(tǒng)航油的航空業(yè)界，將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。加上全球溫室氣體減排的迫切要求，改變航空的傳統(tǒng)能源模式，研發(fā)生物航空燃油替代傳統(tǒng)燃油以減少排放，就成為未來航空發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。世界多國以及中國，都在生物航空燃油領(lǐng)域進(jìn)行了成功的探索。

今年3月，美國航空航天局（NASA）在《自然》雜志上發(fā)表報告，公布了其與德國宇航研究院聯(lián)合進(jìn)行的“替代燃料對凝結(jié)尾流和巡航排放的影響”（ACCESS）項目研究成果。2013至 2014年間，研究團(tuán)隊實驗證明，生物燃料可將飛機(jī)尾氣中的顆粒物排放量減少50%至70%，從而極大減少對大氣環(huán)境的影響。這一成果再次印證了航空生物燃料對地球和人類的友好程度更高。

第一代航空生物燃料與人奪食

為了應(yīng)對地球溫室氣體，各國航空界對用生物燃料替代化石燃料的研究由來已久。

航空生物燃料，是指用植物油與甲醇進(jìn)行酯交換制造的乙醇與生物柴油等可供航空使用的新型燃料。簡單地說，即是從生物質(zhì)原料中直接提煉航空燃油。

第一代生物燃料以糧食作物為生產(chǎn)原料，主要來源是玉米、小麥和大豆等，這種方式存在“與人奪食”的問題，實用價值不高。

近年來，航空用生物燃料的原料更加多元化，涵蓋了非農(nóng)作物、農(nóng)業(yè)廢料甚至食品垃圾，并逐漸形成以麻風(fēng)樹、亞麻薺、藻類和鹽生植物等作為主要原料的第二代生物燃料。第二代不再以糧食作物為原料，最大限度地降低了對食品供應(yīng)的威脅，且這些作物含油量高，對水和土壤等環(huán)境要求少，可大量生產(chǎn)，因此成為當(dāng)前航空生物燃料原料的主要來源。

目前，國外也形成了較為成熟的航空生物燃料加工方法，工藝主要有加氫精制、費(fèi)托合成（煤間接液化技術(shù)之一）和采用新原料、新工藝等。加氫精制的工藝以動植物油脂為原料，采用常規(guī)油料洗滌工藝，去除雜質(zhì)，通過深度加氫處理，將長鏈的脂肪酸轉(zhuǎn)化為較短鏈的、柴油碳數(shù)范圍內(nèi)的烷烴，然后對獲得的生物烷烴進(jìn)行異構(gòu)化和裂解，生成碳原子數(shù)符合航空燃料要求的烷烴，得到最終的產(chǎn)品——生物烷烴煤油。

第二代可完美替代傳統(tǒng)燃油

經(jīng)過大量的試驗表明，第二代的生物燃料可完美地替代傳統(tǒng)化石燃油，不需要發(fā)動機(jī)或飛機(jī)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計，燃料系統(tǒng)也無需大改。與傳統(tǒng)燃料相比，生物燃料的主要優(yōu)勢在于可極大減少溫室氣體排放，并使航空業(yè)界擺脫對化石燃料的嚴(yán)重依賴。國際運(yùn)輸組織通過對比研究，證實生物燃料可極大降低二氧化碳排放。國際運(yùn)輸組織提出“從2009至2020年，平均每年燃油效率提高1.5%；2020年實現(xiàn)碳排放零增長；2050年碳排放量比2005年減少50%”的承諾目標(biāo)。

航空公司大量試飛結(jié)果也證明了這點(diǎn)。荷蘭皇家航空公司2011年6月在阿姆斯特丹至巴黎的航班上試用生物燃料，結(jié)果顯示該航班的二氧化碳排放量平均降低50%。

航空化石燃料只夠再用43年？

航空業(yè)界對生物燃料孜孜不倦的追求有其深刻背景。

當(dāng)前，化石燃料在世界基礎(chǔ)能源消耗中所占比例超過80%，航空運(yùn)輸幾乎完全依賴化石燃料。然而，化石燃料的不可再生性與日益增長的能源需求構(gòu)成了矛盾，據(jù)英國BP石油公司2011年預(yù)測，目前世界已探明石油儲量按日均消耗量計算，僅可以再維持43.6年。這對航空業(yè)界將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果，尋找用于替代化石燃料的新型航空燃料已是普遍共識。

航空生物燃料的原料來源、制備過程和燃油成品

此外，為了對抗全球氣候變暖，各國對于航空節(jié)能減排的要求日趨嚴(yán)苛。2008年，歐盟通過法案將國際航空領(lǐng)域納入歐盟碳排放交易體系，并于2012年1月起實施。改變航空傳統(tǒng)能源模式，研發(fā)生物航空燃油替代傳統(tǒng)燃油以減少排放，就成為航空的必由之路。

生物燃料在民用領(lǐng)域的進(jìn)展也引起了軍方的高度關(guān)注。一些國家的軍用航空裝備已進(jìn)入更新?lián)Q代的階段，新一代航空發(fā)動機(jī)的使用也面臨石油資源日益稀缺的巨大壓力。以美國為代表的航空大國，對軍機(jī)耗油率的要求成為設(shè)計的重要指標(biāo)。美國海軍在航空生物燃料方面更是一騎絕塵。2011年，美國海軍宣布，爭取到2025年實現(xiàn)海軍一半的燃油使用生物燃料。2012年，美海軍首次在環(huán)太平洋軍演中驗證了水面艦和艦載機(jī)使用生物燃料的可行性，2016年海軍生物燃料使用量占燃料年消耗量的6.2%。

生物航油2008年開始試飛

近年來，美國、歐洲和巴西等地區(qū)的飛機(jī)制造商、航空公司和發(fā)動機(jī)生產(chǎn)商紛紛與能源和學(xué)術(shù)界通力合作，讓生物燃料技術(shù)加速成熟。航空用生物燃料原料的種植、制造等關(guān)鍵技術(shù)已得到突破，某些生物燃料進(jìn)入實際運(yùn)用的檢驗階段。

航空業(yè)界開展了大量試飛工作。早在2008年2月，一架A380就使用混合燃料（40%生物燃料和60%傳統(tǒng)燃料）進(jìn)行了飛行試驗。此后，多家航空公司都采用不同混合比例的生物燃料進(jìn)行飛行試驗。

航空生物燃料在2011年達(dá)到一個重要的時間節(jié)點(diǎn)。2011年美國材料與試驗協(xié)會（American Society for Testing and Materials，縮寫ASTM，是一家國際材料認(rèn)證機(jī)構(gòu)），對生物燃料中的氫化可再生航空燃料在民用航空的使用進(jìn)行認(rèn)證，使得采用生物燃料的商業(yè)飛行成為可能。ASTM限定了實際使用的生物燃料最高只能與普通燃油按1比1的比例混合，而這也成為目前生物燃料使用的主流混合比例。德國漢莎航空成為第一個嘗試者，2011年漢莎航空試飛了世界上首條采用生物燃料的日常商用航線。從該年7月到12月，漢莎航空在漢堡至法蘭克福的航線上布置了一架最新交付的A321型客機(jī)。該架飛機(jī)每天執(zhí)飛1至8個小時，共消耗1556噸生物燃油。

波音787客機(jī)采用生物燃料進(jìn)行跨洋飛行

美國波音公司和日本全日空航空公司甚至開始在最新的民機(jī)型號上試驗生物燃料，而不再只限于成熟機(jī)型。2012年，波音交付給全日空的第7架787型客機(jī)時，該機(jī)從華盛頓飛往東京，當(dāng)時就采用了生物燃料。這也是歷史上航空首次使用生物燃料跨太平洋飛行。此次所用的生物燃料主要由廚余廢油提煉而成，與同等尺寸的飛機(jī)相比，二氧化碳等溫室氣體的排放量減少約30%。其中20%歸功于787的新技術(shù)，10%歸功于生物燃料的使用。

2012年10月，加拿大國家研究理事會完成了生物燃料的又一突破，該理事會的一架“獵鷹”20飛機(jī)從渥太華到蒙特利爾的往返飛行90分鐘，兩個發(fā)動機(jī)都采用100%的生物燃油。一些航空公司估計，到2025年將有高達(dá)25%的航空燃料為生物燃料，2030年則會增至30%，2040年將達(dá)到40%。

生物航油目前還是太貴

當(dāng)前，由于還沒有形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈，生物航油還存在一些產(chǎn)業(yè)初期的困難，主要集中在產(chǎn)能和價格等方面。

原料來源始終是制約航空生物燃料商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。2012年1月，德國漢莎航空就是由于庫存的生物燃料即將耗盡且沒有其他來源，決定終止其使用生物燃料的定期商業(yè)航班。除了原料供應(yīng)跟不上外，生物燃料對航空而言還是太貴了。由于從生物油中最初產(chǎn)出的是柴油，需要第二次分裂去碳才能產(chǎn)出航空燃料，因此生產(chǎn)成本要高于傳統(tǒng)燃料。芬蘭航空的一位副總裁就曾說過：“限制生物燃料應(yīng)用的3個因素是‘價格、價格，還是價格’?！币话銇碚f，生物燃料的成本價是傳統(tǒng)航空燃油的2至3倍。

“滴入式”加入航油大軍最可行

當(dāng)前，航空生物燃料技術(shù)已成為熱點(diǎn)，但要想大規(guī)模運(yùn)用還有很長的路要走，要通過實驗室分析、尋找適當(dāng)?shù)脑戏N植地、生產(chǎn)原料、建立提煉廠、在機(jī)場設(shè)立提純及輸油系統(tǒng)等多道程序。為保證安全性的最高標(biāo)準(zhǔn)，還必須經(jīng)過無數(shù)次空中試飛，甚至是各種極端條件下的實驗和試飛。還要在包括地面靜止、開車、起飛、加速、減速等各種條件下進(jìn)行油耗測試，此外還要對生物燃油的排放程度和煙霧濃度進(jìn)行測試。

目前，無論是軍方還是航空公司，都認(rèn)為生物燃料應(yīng)當(dāng)“滴入式”加入航空燃料的隊伍，即逐漸加大生物燃料的應(yīng)用力度，而不是大規(guī)模直接替代傳統(tǒng)燃料。

一方面，生物燃料與傳統(tǒng)燃油混合可以緩解原料不足的問題；另一方面，采用逐漸擴(kuò)大規(guī)模的方式，可避免出現(xiàn)始料未及的情況時，機(jī)隊無油可用的局面。滴入式加入還有一個好處——不需要為生物燃料專門進(jìn)行發(fā)動機(jī)和飛機(jī)的大改。

德國漢莎航空使用生物燃料進(jìn)行商業(yè)飛行的A321客機(jī)

德國航天局與漢莎科技公司合作進(jìn)行生物燃料混合煤油在飛機(jī)發(fā)動機(jī)的應(yīng)用測試。