可持续航空燃料与氢能路径的综合气候、健康和经济影响

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Integrated climate, health, and economic impacts of sustainable aviation fuel and hydrogen pathways

　　

摘要

近年来，全球航空业的快速增长加剧了排放问题，促使人们寻找更清洁的能源来源。本研究在全球1,134个机场范围内，从成本-效益表现、气候影响和健康效应三个方面对可持续航空燃料（SAF）和氢气进行了比较。研究设计了七种情景：一种常规基线（BAU）和六种路径，分别代表SAF、氢气及其混合使用的乐观与悲观预测。到2070年，乐观混合使用情景（MIX-OPT）实现了最高的总经济回报（12,331.23十亿美元）和健康效益（12,973.84十亿美元），相比BAU，模型中的航空相关CO2浓度增量减少了62.3%，并将PM2.5相关的过早死亡人数控制在约40万人，而纯氢路径表现最差。男性和老年人群体仍受较大影响，查特拉帕蒂· Shivaji· 玛哈拉杰国际机场（BOM）在研究假设下评估的机场中模型过早死亡人数最高，但这并不表示其人均死亡率风险最高。SAF-OPT情景下早期的净效益为正，MIX-OPT情景下长期健康效益更高，这支持了先部署SAF、随后逐步增加氢气贡献的策略，该策略是在规定假设下的条件性选项，而非普适最优方案。

引言

近年来，全球民航业见证了显著增长。2018年，全球航空旅客运输量增长了6.9%，达到44亿人次[1]，到2019年，这一数字攀升至约45亿人次[2]。尽管2019年底COVID-19疫情的突然暴发导致2020年航班频次和旅客量急剧下降[3]——国际民航组织（ICAO）报告称，2020年4月可用座公里数（ASK）下降了94%[4]——该行业已显示出强劲的复苏迹象。国际航空运输协会（IATA）2024年12月的市场分析[5]记录了旅客需求的复苏：2024年收益客公里数（RPK）同比增长10.4%[6]，2025年6月同比增长2.6%[7]。展望未来，该行业预计将保持上升势头，到2040年旅客运输量预计将达到78亿人次[8]。

随着航空业的快速扩张，全球碳排放持续上升，且航空排放尤为难以削减[9]。目前，航空业占全球碳排放总量的约2.5%，约占所有交通运输相关排放的12%。如果没有加强的脱碳努力，仅国际航空的CO2排放预计在2020年至2050年间将占全球排放的7.0%[10]。对此，ICAO于2016年启动了国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA），旨在通过全球碳抵消机制减少国际航空运输的温室气体排放。与此同时，IATA为航空业设定了雄心勃勃的目标，即2050年实现净零碳排放[11]、[12]、[13]。航空排放主要由CO2和一系列非CO2物种组成，包括H2O、NOx、SO2、CO、未燃烧碳氢化合物（UHC）、烟尘、颗粒物（PM）以及凝结尾迹引起的卷层云[14]。其中，CO2在大气中存留时间较长[15]。1990年至2010年间，CO2排放增加了约80%[16]，到2018年，所有商业航空运营产生的CO2排放达到9.18亿吨[17]。根据ICAO的数据，国际航空的年均CO2排放预计到2050年将达到约18亿吨[18]。值得注意的是，航空总辐射强迫（RF）的约三分之二源于非CO2效应[19]。其中，飞机诱导的凝结尾迹卷层云和NOx排放是辐射强迫和全球变暖的主要贡献者[20]。总体来看，NOx、凝结尾迹和CO2合计约占航空总气候影响的97%[21]。飞机排放通过多种机制影响气候，包括NOx驱动的大气化学和凝结尾迹诱导的卷层云形成[22]。此外，NOx和SO2排放促进了二次气溶胶（PM）的形成，从而通过辐射强迫机制影响气候和空气质量[23]。NOx排放还促进了对流层臭氧的形成，同时加速甲烷氧化，导致净正辐射强迫效应[24]。相比之下，凝结尾迹的气候强迫效应大致相当于飞机运营产生的总CO2排放量[22]、[25]。2018年，仅凝结尾迹就占航空业净有效辐射强迫（ERF）的57%，而NOx排放贡献了约17%[26]。

CO2和非CO2排放的综合效应估计约占已观测全球变暖的4%[20]、[27]。尽管航空业总CO2排放占全球排放的比例相对较小，但它们已约占已观测全球变暖效应的4%[20]。将航空总气候辐射强迫的36%–51%归因于CO2的估计进一步证明了同时考虑CO2和非CO2效应的重要性[28]、[29]。自1900年以来，全球气温上升了约1°C，主要由大规模温室气体排放驱动[30]，航空CO2排放在此过程中发挥了不可忽视的作用[31]。NOx介导的化学变化和凝结尾迹形成也将航空的气候效应与大气成分和空气质量联系起来[32]、[33]、[34]。2017年，航空约占人为总辐射强迫的5%，仅凝结尾迹和卷层云就产生了估计50 mW/m2的辐射强迫——代表重大的气候效应[35]。预测表明，该值在2006年至2050年间可能增至160–180 mW/m2[36]。然而，与CO2不同，这些气溶胶在大气中的寿命较短，往往消散较快[37]。硫氧化物也对气候和空气质量影响有显著贡献：气态SO2衍生的硫酸盐气溶胶产生的强迫为?7.8 mW/m2，而源自氮氧化物的硝酸盐气溶胶和硫酸盐气溶胶合计约占净气溶胶辐射强迫的41%[23]。

此外，航空排放的超细颗粒物（UFP）和其他空气污染物显著影响居住在机场附近社区居民的暴露水平[38]。在这些污染物中，细颗粒物（PM2.5）带来的健康风险尤为严重，因为长期暴露可导致重大生理损害。航空运营显著增加了PM2.5和其他颗粒物排放，这些颗粒物可穿透人体呼吸系统并对健康产生不利影响[39]。研究表明，2015年，航空相关排放导致与颗粒物暴露相关的约21,200例过早死亡[25]。基于PM2.5浓度估计和全球暴露死亡率模型（GEMM）的预测表明，在SSP3-7.0情景下，PM2.5暴露水平最高，到2100年全球平均浓度将达到34.5 μg/m3[40]。此外，大量研究确定了PM2.5暴露与多种疾病之间的强关联，包括卒中[41]、[42]、肺癌[43]、[44]、下呼吸道感染[45]、[46]、慢性阻塞性肺病[47]、缺血性心脏病[43]、[48]和2型糖尿病[49]、[50]。值得注意的是，航空相关PM2.5排放的不良健康效应并不局限于机场附近——这些污染物可长距离传输，持续影响远离机场地区的公众健康[51]。

因此，控制航空活动产生的污染物至关重要，因为减少排放可以显著改善环境质量和公共健康。目前，在民航中采用替代能源——如可持续航空燃料（SAF）、电子燃料（E-fuels）、氢气和电力——是缓解温室气体排放的最有效策略之一[52]、[53]、[54]。SAF涵盖通过不同转化路径从可持续原料生产的航空燃料[55]。Yilmaz和Atmanli综述了航空生物燃料，强调了原料可获得性和成本有效的生产工艺对其广泛应用的重要性[56]。Yilmaz最近的综合研究将SAF原料和转化技术与生命周期性能、安全性、认证、市场整合和监管框架联系起来[57]。然而，SAF的部署面临多重挑战，主要是生产成本高和可扩展性有限。在替代燃料的成本效益评估中，不同能源的经济可行性存在差异。例如，在南美洲，只有当碳交易价格超过SAF与传统喷气燃料之间价差0.273倍时，SAF采用才具有可行性[58]。此外，SAF市场价格预计仍将高于化石基航空燃料。在生产方法中，通过HEFA工艺合成的SAF预计将达到最低生产成本——2020年约为每吨1,068美元[59]。对于利用集中式CO2源的甲醇基电力制液（PtL）路径，预计到2050年生产成本将达到每吨1,393美元[60]。为保持竞争力，SAF的使用需要最低500欧元/吨CO2的碳税，这可能导致到2050年机票价格上涨40–80%[61]。因此，尽管SAF可在航空脱碳中发挥关键作用，但供应成本和减排潜力的考量仍然至关重要[62]。氢气也有相当大的潜力减少航空相关气候影响[63]，但其部署需要大量投资用于飞机改装和支持基础设施[64]。Yilmaz、Looby和Atmanli识别出氢气生产、基础设施、机上储存、燃烧、NOx排放和氢脆是氢能喷气式发动机的关键挑战[65]。这些挑战突显了在比较氢气与SAF时部署时机和技术成熟度的重要性。目前液氢产量仍然有限，成本估计在每公斤2.5至3.0美元之间[66]。氢气的广泛应用取决于实现与最低成本替代品的价格平价。到2050年，通过HEFA路径生产的生物燃料预计成本最低（71欧元/MWh），而液氢为104–120欧元/MWh[57]。在非洲，航空业采用氢气可在2100年前减少4.156至7.354亿吨CO2当量排放；然而，只有当碳价超过氢气与喷气燃料价差0.24倍时，氢燃料涡轮机才具有经济可行性[67]。至于电力，维持2015年航空燃油价格水平需要终端用户电价低于每千瓦时4–6美分，以确保全电动飞机的经济竞争力[68]。对混合动力和电动飞机的分析比较表明，混合电动方案目前的直接运营成本（DOC）显著更高——比传统飞机高出多达69.8%——突显了持续的成本壁垒[69]。尽管如此，研究表明，尽管第一代电动飞机（FGEA）初始每座成本可能更高，但燃料和维护费用的节省可以随时间大幅抵消这些成本[70]。

综合来看，这些研究确立了航空排放的气候和健康后果以及替代燃料的技术和经济潜力。尚不明确的是，当经济、气候和健康结果在相同部署假设下评估时，SAF、氢气及其混合使用如何相互比较。燃料生产和技术经济评估提供了关于成本和可行性的重要证据，但这些发现本身并未确立部署时机如何影响大气响应、机场相关死亡率和货币化健康效益。另一个差距涉及这些健康结果在机场、性别、年龄组和疾病之间的分布。因此，需要进行综合比较，以检验不同影响维度之间的权衡以及SAF在向更广泛氢气部署过渡中的作用。

为填补这些空白，本研究从成本-效益表现、气候影响和PM2.5相关健康结果方面比较了SAF、氢气及其混合使用。研究考察了不同部署时间表如何影响这些结果，以及SAF能否在氢气实现更广泛采用之前提供过渡效益。具体而言，本研究利用OAG航班时刻数据估计2000年至2023年全球航空排放，包括主要机场着陆和起飞（LTO）阶段的排放。使用该期间观察到的平均增长率建立了常规基线（BAU）。基于该基线，为三种替代路径——SAF、氢气和SAF-氢气混合——制定了乐观和悲观预测，产生七种情景：BAU、SAF-OPT、SAF-PES、HYD-OPT、HYD-PES、MIX-OPT和MIX-PES（详见方法部分）。

本研究考察了健康效益的纳入和分配如何塑造航空燃料转型路径的评估。研究量化了死亡率减少效益，同时考虑燃料支出、飞机改装成本和基于碳价的避免排放量价值，从而评估它们对净货币化效益的各自贡献。在乐观和悲观采用时间表下对SAF、氢气和混合路径的比较表明，部署时机如何影响2025–2070年间健康和经济结果的演变。气候结果与这些结果并列评估，以检验受单个指标青睐的路径是否一致。机场、年龄、性别和疾病特定估计确定了促成总体健康收益的人群。

综合而言，这些分析提供了证据，说明了在哪些条件下，健康改善、经济效益和气候减缓可以支持相同的转型选择。

片段摘录

2000年至2023年排放计算方法

理论上，一次完整的飞行可以分为九个飞行阶段：推出、起飞、初始爬升、爬升、巡航、下降、进近、着陆和滑回[71]。在实际操作中，不同机场或国家之间的飞行阶段序列可能因天气和空中交通管制等外部因素而不完整。因此，这种阶段划分只是示意性和简化的，实际飞行可能更为复杂。为确保一致性和便于计算，本文采用……

不同年份航空排放的影响

在所有情景下，死亡人数随时间呈上升趋势，反映了航空排放的累积健康危害。BAU情景——即按2000–2023年航空排放增长趋势、不采取减排干预措施的情景——死亡人数上升趋势最为严重，到2070年将超过60万人，远高于其他情景。相比之下，涉及SAF（可持续航空燃料）、HYD（氢动力）和MIX（混合方案）的情景显示死亡人数增长较为缓慢。2050年之前，SAF-OPT和MIX-OPT情景下的死亡人数……

讨论

研究结果表明，健康估值和转型支出如何共同影响对替代航空燃料的评估。在基线假设下，到2070年，MIX-OPT方案产生的货币化健康效益最高，但其净效益范围既低于也高于SAF-OPT方案。因此，其健康优势与其相对经济表现的不确定性并存。在报告健康效益的同时，列出燃料和改造支出，使这种权衡的来源更加明确。

数据和代码可用性

原始飞行数据来自OAG（Official Airline Guide）航班计划分析数据平台。OAG是全球航班计划和运营数据的权威提供商，航班计划分析覆盖了99%的全球航班（OAG声称覆盖率为99%：https://www.oag.com/pressroom/oag-partners-sabre-gds-services; https://www.facebook.com/OAGAviation/videos/covering-over-99-of-global-commercial-flights-oags-schedules-analyser-unlocks-in/1461543501312608/）。

世界人口数据集：Bondarenko

CRediT作者贡献声明

Cui Qiang（崔强）：论文——审阅与编辑、论文——初稿撰写、经费筹措、形式化分析、概念构思。

Sun Xu-jie（孙绪杰）：论文——审阅与编辑、论文——初稿撰写、数据整理。

Zhou Ying（周颖）：论文——审阅与编辑、论文——初稿撰写、数据整理。

Tang Xing-yu（唐星宇）：论文——审阅与编辑、论文——初稿撰写、数据整理。

Zhang Yu-xin（张玉昕）：论文——审阅与编辑、论文——初稿撰写、数据整理。

Luo Wen-xin（罗文馨）：论文——审阅与编辑、论文——初稿撰写、数据整理。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本研究由国家自然科学基金资助（72374042；72371012；72021001）。

作者：崔强|孙绪杰|周颖|唐星宇|张玉昕|罗文馨|顾威|廖伟军|王春男|李烨