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未来坐飞机不全靠石油 各国生物航油蓝天保卫战进行时

发布时间:2017-06-30 11:12:00   来源:    浏览次数:306

李东海(中国航空工业发展研究中心副研究员)

英国BP石油公司2011年预测,目前世界已探明石油储量按日均消耗量计算,仅可以再维持43.6年。这对严重依赖传统航油的航空业界,将产生灾难性的后果。加上全球温室气体减排的迫切要求,改变航空的传统能源模式,研发生物航空燃油替代传统燃油以减少排放,就成为未来航空发展的当务之急。世界多国以及中国,都在生物航空燃油领域进行了成功的探索。

未来坐飞机不全靠石油 各国生物航油蓝天保卫战进行时

今年3月,美国航空航天局(NASA)在《自然》杂志上发表报告,公布了其与德国宇航研究院联合进行的“替代燃料对凝结尾流和巡航排放的影响”(ACCESS)项目研究成果。2013至2014年间,研究团队实验证明,生物燃料可将飞机尾气中的颗粒物排放量减少50%至70%,从而极大减少对大气环境的影响。这一成果再次印证了航空生物燃料对地球和人类的友好程度更高。

  • 第一代航空生物燃料与人夺食

为了应对地球温室气体,各国航空界对用生物燃料替代化石燃料的研究由来已久。

航空生物燃料,是指用植物油与甲醇进行酯交换制造的乙醇与生物柴油等可供航空使用的新型燃料。简单地说,即是从生物质原料中直接提炼航空燃油。

第一代生物燃料以粮食作物为生产原料,主要来源是玉米、小麦和大豆等,这种方式存在“与人夺食”的问题,实用价值不高。

近年来,航空用生物燃料的原料更加多元化,涵盖了非农作物、农业废料甚至食品垃圾,并逐渐形成以麻风树、亚麻荠、藻类和盐生植物等作为主要原料的第二代生物燃料。第二代不再以粮食作物为原料,最大限度地降低了对食品供应的威胁,且这些作物含油量高,对水和土壤等环境要求少,可大量生产,因此成为当前航空生物燃料原料的主要来源。

目前,国外也形成了较为成熟的航空生物燃料加工方法,工艺主要有加氢精制、费托合成(煤间接液化技术之一)和采用新原料、新工艺等。加氢精制的工艺以动植物油脂为原料,采用常规油料洗涤工艺,去除杂质,通过深度加氢处理,将长链的脂肪酸转化为较短链的、柴油碳数范围内的烷烃,然后对获得的生物烷烃进行异构化和裂解,生成碳原子数符合航空燃料要求的烷烃,得到最终的产品——生物烷烃煤油。

  • 第二代可完美替代传统燃油

经过大量的试验表明,第二代的生物燃料可完美地替代传统化石燃油,不需要发动机或飞机结构重新设计,燃料系统也无需大改。与传统燃料相比,生物燃料的主要优势在于可极大减少温室气体排放,并使航空业界摆脱对化石燃料的严重依赖。国际运输组织通过对比研究,证实生物燃料可极大降低二氧化碳排放。国际运输组织提出“从2009至2020年,平均每年燃油效率提高1.5%;2020年实现碳排放零增长;2050年碳排放量比2005年减少50%”的承诺目标。

航空公司大量试飞结果也证明了这点。荷兰皇家航空公司2011年6月在阿姆斯特丹至巴黎的航班上试用生物燃料,结果显示该航班的二氧化碳排放量平均降低50%。

未来坐飞机不全靠石油 各国生物航油蓝天保卫战进行时

  • 航空化石燃料只够再用43年?

航空业界对生物燃料孜孜不倦的追求有其深刻背景。

当前,化石燃料在世界基础能源消耗中所占比例超过80%,航空运输几乎完全依赖化石燃料。然而,化石燃料的不可再生性与日益增长的能源需求构成了矛盾,据英国BP石油公司2011年预测,目前世界已探明石油储量按日均消耗量计算,仅可以再维持43.6年。这对航空业界将产生灾难性的后果,寻找用于替代化石燃料的新型航空燃料已是普遍共识。

此外,为了对抗全球气候变暖,各国对于航空节能减排的要求日趋严苛。2008年,欧盟通过法案将国际航空领域纳入欧盟碳排放交易体系,并于2012年1月起实施。改变航空传统能源模式,研发生物航空燃油替代传统燃油以减少排放,就成为航空的必由之路。

生物燃料在民用领域的进展也引起了军方的高度关注。一些国家的军用航空装备已进入更新换代的阶段,新一代航空发动机的使用也面临石油资源日益稀缺的巨大压力。以美国为代表的航空大国,对军机耗油率的要求成为设计的重要指标。美国海军在航空生物燃料方面更是一骑绝尘。2011年,美国海军宣布,争取到2025年实现海军一半的燃油使用生物燃料。2012年,美海军首次在环太平洋军演中验证了水面舰和舰载机使用生物燃料的可行性,2016年海军生物燃料使用量占燃料年消耗量的6.2%。

  • 生物航油2008年开始试飞

近年来,美国、欧洲和巴西等地区的飞机制造商、航空公司和发动机生产商纷纷与能源和学术界通力合作,让生物燃料技术加速成熟。航空用生物燃料原料的种植、制造等关键技术已得到突破,某些生物燃料进入实际运用的检验阶段。

航空业界开展了大量试飞工作。早在2008年2月,一架A380就使用混合燃料(40%生物燃料和60%传统燃料)进行了飞行试验。此后,多家航空公司都采用不同混合比例的生物燃料进行飞行试验。

航空生物燃料在2011年达到一个重要的时间节点。2011年美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,缩写ASTM,是一家国际材料认证机构),对生物燃料中的氢化可再生航空燃料在民用航空的使用进行认证,使得采用生物燃料的商业飞行成为可能。ASTM限定了实际使用的生物燃料最高只能与普通燃油按1比1的比例混合,而这也成为目前生物燃料使用的主流混合比例。德国汉莎航空成为第一个尝试者,2011年汉莎航空试飞了世界上首条采用生物燃料的日常商用航线。从该年7月到12月,汉莎航空在汉堡至法兰克福的航线上布置了一架最新交付的A321型客机。该架飞机每天执飞1至8个小时,共消耗1556吨生物燃油。

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德国汉莎航空使用生物燃料进行商业飞行的A321客机

美国波音公司和日本全日空航空公司甚至开始在最新的民机型号上试验生物燃料,而不再只限于成熟机型。2012年,波音交付给全日空的第7架787型客机时,该机从华盛顿飞往东京,当时就采用了生物燃料。这也是历史上航空首次使用生物燃料跨太平洋飞行。此次所用的生物燃料主要由厨余废油提炼而成,与同等尺寸的飞机相比,二氧化碳等温室气体的排放量减少约30%。其中20%归功于787的新技术,10%归功于生物燃料的使用。

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波音787客机采用生物燃料进行跨洋飞行

2012年10月,加拿大国家研究理事会完成了生物燃料的又一突破,该理事会的一架“猎鹰”20飞机从渥太华到蒙特利尔的往返飞行90分钟,两个发动机都采用100%的生物燃油。一些航空公司估计,到2025年将有高达25%的航空燃料为生物燃料,2030年则会增至30%,2040年将达到40%。

航空生物燃料的原料来源、制备过程和燃油成品

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  • 生物航油目前还是太贵

当前,由于还没有形成大规模的产业链,生物航油还存在一些产业初期的困难,主要集中在产能和价格等方面。

原料来源始终是制约航空生物燃料商业化应用的瓶颈。2012年1月,德国汉莎航空就是由于库存的生物燃料即将耗尽且没有其他来源,决定终止其使用生物燃料的定期商业航班。除了原料供应跟不上外,生物燃料对航空而言还是太贵了。由于从生物油中最初产出的是柴油,需要第二次分裂去碳才能产出航空燃料,因此生产成本要高于传统燃料。芬兰航空的一位副总裁就曾说过:“限制生物燃料应用的3个因素是‘价格、价格,还是价格’。”一般来说,生物燃料的成本价是传统航空燃油的2至3倍。

  • “滴入式”加入航油大军最可行

当前,航空生物燃料技术已成为热点,但要想大规模运用还有很长的路要走,要通过实验室分析、寻找适当的原料种植地、生产原料、建立提炼厂、在机场设立提纯及输油系统等多道程序。为保证安全性的最高标准,还必须经过无数次空中试飞,甚至是各种极端条件下的实验和试飞。还要在包括地面静止、开车、起飞、加速、减速等各种条件下进行油耗测试,此外还要对生物燃油的排放程度和烟雾浓度进行测试。

目前,无论是军方还是航空公司,都认为生物燃料应当“滴入式”加入航空燃料的队伍,即逐渐加大生物燃料的应用力度,而不是大规模直接替代传统燃料。

一方面,生物燃料与传统燃油混合可以缓解原料不足的问题;另一方面,采用逐渐扩大规模的方式,可避免出现始料未及的情况时,机队无油可用的局面。滴入式加入还有一个好处——不需要为生物燃料专门进行发动机和飞机的大改。

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德国航天局与汉莎科技公司合作进行生物燃料混合煤油在飞机发动机的应用测试。

责编:郑挺颖

网编:吴燕芳