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麦肯锡-零碳飞行:航空企业的绿色发展之路| 观点与方案

编辑:Daniel Riefer、谢乔、沈思文、廖绪昌、陈子 来自: 麦肯锡 2021-09-06

麦肯锡-零碳飞行:航空企业的绿色发展之路

新冠疫情深刻改变了航空业,也为航空企业应对气候变化,实现零碳飞行提供了最佳机会。可持续航空燃料(SAF)将是零碳飞行战略的关键所在。

新冠疫情毫无疑问重创了航空业,使其在2020陷入历史性低谷。

截至2021年5月,虽然国内航空运输已基本恢复至疫情前水平,但国际航线客运量始终处于超9成的断崖式下跌困境。至于何时恢复,则取决于疫情形势以及防控要求等不受行业控制的因素。

从长远来看,航空业在需求和行业整合方面很可能会经历结构性变化。这些变化可以为航空业构建低碳未来创造绝佳机会,航司则有望从脱碳困局中突围。

全球航空业在提高燃油效率上的成绩斐然:国际航空运输协会(International Air Transport Association)的数据显示,1990年以来,每客公里的燃油消耗量已减少一半。当前的需求危机给那些长期以来希翼做出改变的航司提供了契机,在强调燃油效率的同时退役油耗较高的老旧飞机(延伸阅读:《航司高管面临的5个问题》)。机队的年轻化和燃油效率的提高对于脱碳固然重要,但在高速增长的市场,增量总是很轻易地超过存量的减少。碳抵消则是更有前景的领域,在全行业采取必要行动逐步降低自身排放量的过程中,它可以充当过渡手段。

既能实现航空业转型,又能将行业的增长宏图与《巴黎协定》温控目标协调一致,唯一的选择是使用可持续航空燃料(SAF为sustainable aviation fuel的首字缩写)。与化石燃料相比,它可将碳排放减少70%甚至接近100%。

虽然可持续航空燃料目前存在价格过高和供应不足等问题,但航司管理层应将其视为脱碳候选方案中颇具前景的一项。为加快推进这一方案,航司可在降低成本的同时,通过有针对性的投资和采购来增加其使用(SAF目前占全球航空燃料总消耗量不足1%)。

由于减碳挑战涉及业务面非常广泛,任何解决方案都需要政府、技术企业和供应商等多方发力,关键在于创建一套合适的监管框架和激励机制,避免任何一方孤军奋战。

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航空业减碳目标

全球航空业已经采取许多措施来应对不断增长的排放量。2009年,行业便制定了远大目标,包括从2020年开始实现碳中和增长,以及到2050年将净排放量减少至2005年的一半。

中国政府提出了2030年碳达峰、2060年碳中和的宏伟目标。航空业的主要企业均为中央国企,实现零碳飞行既是企业自身变革的需要,也是承担国家使命,创造社会价值的时代机遇。

为实现联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)提出的,所有行业、企业和国家/地区应将全球升温幅度控制在与前工业化时期相比上升1.5°C以内,包括航空业在内的交通运输行业正面临着更大压力。麦肯锡设想的一组达成1.5°C目标的情景显示,预计到2030年航空业碳排放将需要减少18%至35%【1】。

技术进步和效率提升

航司正努力协调减排目标和经济利益,包括积极提高运营效率,投资数十亿美金对飞机进行现代化升级,如提升空气动力学效率和采用轻型材料发动机等。但这些措施对行业的影响比较有限,最多只能将排放量减少20%至30%。

提高燃油使用效率

燃料通常占到运营成本的20%至30%,是航司最大的运营成本项目之一。每千克航空煤油会产生3.15千克CO2【3】,因此航司积极采用燃油效率更高的飞行、滑行和机场运营方案。同时也通过减少额外的燃油载量,并采用轻量化的材料来减轻飞机自重,以提高燃油效率。

大家对航司最近的调查发现,尽管航司往往能够采取上述措施来提高效率,但却只发挥了其中50%的潜力。只有少数航司从学问角度成功影响了员工的行为和主观决策。事实上,这一点至关重要,因为飞行员、飞行签派员和其他相关员工在准备和实施安全飞行方面有相当大的自主权,对燃油消耗会产生直接影响。

为了提高燃油效率,航司应借助高阶分析技术来确定需要改进的细节,并系统化推动一线员工行为的改变。例如,在一个行为学项目中,维珍大西洋航空企业(Virgin Atlantic Airways)成功展示了如何通过微妙的干预来改变飞行员的行为,使之减少燃油使用量。

该航司将全部335名飞行员随机分成四组,其中一组设置为对照组,另外三个实验组则被告知参与一项燃油使用研究项目,他们会获得各自燃油使用情况的反馈,包括针对燃油装载、飞行优化和滑行效率的月度评估。最终,三个实验组都比对照组节省了更多的燃料,其中一组作为“社会责任组”被告知如果能够达标,企业将进行慈善捐赠,该组不但节约了燃油,工作满意度评分也比其他实验组高出很多。

发展新型航空器技术

根据Teal企业的数据,仅2018年,各航司在新飞机上的投资就接近1200亿美金。现代化的远程双发飞机正在取代四发飞机,它配有更加高效的发动机,可将每位乘客的燃油效率提高20%。

中国航司积极推进机队升级,其中东航引入A350、B787等新一代机型,并在机队中持续推进飞机小翼加装和发动机改装以提升燃油效率;南航机队平均机龄保持在6.5年左右,同时完成了130台发动机的节油升级改造,90架飞机加装了翼尖小翼项目。

航司在制定机队战略时,不仅要考虑燃油的预测价格,还应考虑未来的碳成本。如果将碳排放作为一项燃油成本溢价,航司便可加快机队优化,更快地采用电气化等未来航空技术。

新一代推进系统(如电力和氢动力)有朝一日或将取代传统的涡轮动力飞机,特别是实行短途飞行任务的小型飞机。近期,小鹏汇天发布第五代飞行器X2,八组独立电池可实现35分钟续航时间,最大飞行速度可达130km/小时。

然而,在未来30年或更长时期,用纯电动飞机搭载100名以上乘客似乎不太现实。由于电池的能量密度低于燃油,在目前的技术水平下,飞机需要装载超过50千克的电池才能等同于1千克燃油所提供的动力。此外,由于电池的重量不会像燃料那样随着燃烧而减少,所以在飞行过程中,全程负载如此大的重量也需要消耗能量,对于长途飞行尤其不利。

电力推进可以首先从混合动力或涡轮电力飞行开始,随着喷气式发动机变得更小、更轻、耗油量更少,燃油效率将进一步得到提高。

飞机也可以使用氢动力,要么来自直接燃烧(氢涡轮),要么通过燃料电池实现。氢气在燃烧过程中不会排放CO2,还能显著抵消其他导致全球变暖的物质,如煤烟、氮氧化物和高空水蒸气(氢还可以作为SAF的原料,后文将详细先容)。

不过,液态氢的体积是煤油的4倍,因此使用液态氢会挤占乘客或货物的空间。此外,机场还需要新的平行加油设施,包括能够储存液态氢的燃料卡车。远程飞机的加油时间将延长,这会影响登机口和飞机的利用率。未来10年,小型氢动力飞机是可以成为现实的。对于100座级以上的飞机而言,则需大力发展飞机设计和制造技术,同时克服基础设施方面的限制。

提供碳抵消服务

碳抵消,或称碳补偿,是指通过减少其他地方的碳排放来抵消自身的排放,规模不限,且适用于各行各业。航司正积极参与其中。事实上,航空业有望成为全球植树造林活动的重要赞助方。

例如,南航推出“绿色飞行,按需用餐”服务,通过提供免餐食兑换积分的选项,帮助旅客实现个人碳抵消。2021上半年,南航实现餐食减重达1,060吨,节约机上燃油约80吨,同时减少因粮食造成二氧化碳排放约2,180吨。后续南航还将推出取消免费行李额等低碳出行服务。另外,南航也将推出线上买树、线下植树活动,以抵消航空出行产生的碳排放,实现“碳抵消”,同时将植树信息同步给旅客,颁发植树勋章,增强与旅客的互动,提升旅客参与度和成就感。

全球许多航司在国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization)发起的国际航空碳抵消和减排计划(CORSIA)的要求之外,还慎重作出了碳抵消承诺,并让客户自行支付碳抵消成本。但总体而言,只有大约50%的航司为客户提供抵消飞行排放的机会,而且过程可能很繁琐,需要跳转到一个单独的网站才能进行操作。大家的调查显示,只有不到1%的乘客会使用自愿碳抵消的服务。

推进可持续航空燃料

可持续航空燃料(SAF)是一种可以实现全面脱碳的解决方案,但其在供应和需求方面都面临挑战。SAF燃烧时产生的碳排放量与传统航空燃料相同,其优势在于生产过程中可以吸取CO2,因而能将整个生命周期的碳排放量减少70%至100%。

大家的分析发现,在1.5°C控温目标的路径下,到2030年SAF必须占到航空燃料的20%。即使允许运输业在脱碳方面落后于其他行业,也至少应占到10%。

相比之下,先进生物燃料是一个更具可行性的短期方案。用植物油或废油制造航空燃料的技术可行性已经得到证实,产品也获得了认证,一些航司甚至已经在日常运营中使用这种燃料。但要获得合适的原料并构建起供应链是很难的,建造生产设施和炼油厂的成本也很高。“地沟油”是一种主流的生物燃料原料,但其来源分散,且收集成本高昂。其他植物油的生产、收集、运输和燃料转化成本也都很高。

原料来源不当还可能导致森林砍伐和作物单一等其他环境风险。有关方需谨慎挑选生物燃料的原料来源,以免出现燃料和粮食抢夺资源的情况。

国泰航空(Cathay Pacific Airways)和美国联合航空(United Airlines)等航司还对垃圾处理设施进行了投资,以展示如何将生活垃圾进行气化处理,并转化为航空燃料。在一些地区,用木渣发酵制成可持续航空煤油,也有望成为一种可行的方案。

另外,用氢和捕获的碳制成的合成燃料,这一方案有望得到大规模使用。这种合成燃料需要水和可再生电力来生产氢,还需使用CO2。目前,这些电力转液体燃料的成本是传统煤油的好几倍,大家预计未来几年绿氢的成本将显著降低(通过降低可再生电力和“电解剂”的成本来实现)。作为降本第一步,便可以从钢铁、化工、水泥等碳密集行业捕获CO2废气作为原料。

长期而言,想要实现净零碳排放,则需要从碳循环中提取所需的CO2(即从空气中直接捕获)。虽然这一技术目前成本高昂,但未来可通过成本更低廉的可再生电力来加以平衡。

虽然从长远来看,合成燃料是解决排放问题一个备选答案,但目前还不清楚哪种SAF将成为最终选择。麦肯锡分析发现,虽然目前SAF的成本相对于煤油来说仍然很高,但在乐观情景下,其成本会随着时间的推移逐渐下降,并可能在2030年至2035年间与化石燃料成本趋同(见图1)。

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其实,SAF面临的是经典的“先有鸡还是先有蛋”的困境。目前还没有可行的商业案例促使航司购买SAF,因此这类燃料的产量很小,规模效应不足,资金投入也不充足(见图2)。

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多方合力发展SAF

要推动SAF突破当前发展困局,需要许多相关方共同采取行动。

首先,航司可以牵头组建一个由技术提供商和石化企业等相关方组成的联盟,以推动需求,拉低成本。例如,航司可以承诺以预定价格或者跟传统航空燃油不同的价格购买SAF,以打消燃油供应商对市场风险的顾虑。

第二,金融机构可以提供风险资本来建设SAF生产设施和新的基础设施,以实现预期的成本控制。建立航司联盟可以增加需求量,实现规模效应。

第三,航司可与愿意支付溢价的B2B客户合作,为他们提供减少员工碳足迹的机会。如MicroSoft通过推广SAF并支付成本溢价来减少自身碳足迹。对个人客户,航司还可以通过忠诚度计划为使用SAF抵消CO2的客户提供奖励。

第四,国家和地区的监管机构将扮演关键角色,为SAF的生产制定激励政策,并设定适当的目标。加拿大和挪威等国家已在朝这个方向推进。监管方还可以通过税收减免为航空业提供脱碳资金,以缩小传统煤油和SAF之间的成本差距。

新冠疫情对航空业造成重创。随着行业逐步走出阵痛,航司将有机会朝着低碳目标更进一步。

航空业在燃油效率和运营方面已经取得很大进步。为达到减排目标,则需要全线提高脱碳水平,而使用SAF是实现这一目标的选择之一。这就需要各利益相关方采取更大胆的举措,展开更深入的合作,建立有助于为SAF生产引入资金的金融结构和项目。

航空业的长期资产比重很大,为找到解决方案,积极响应国家碳达峰和碳中和目标,同时符合国际协定设定的减碳要求,现在就应做出决策。

航司高管面临的5个问题

新冠疫情给各行各业带来了不确定性。以下5个问题可帮助航司高管了解这场危机对脱碳意味着什么,以及可以采取哪些应对措施:

1.     为了响应国家碳达峰和碳中和目标,以及符合相关国际协定的减碳要求,航司的运力规划是否需要进行调整?

2.     新冠疫情带来的需求危机能否为机队加速更新换代提供机会?

3.     通过燃料效率提升来降低成本和减少碳排放的空间还有多大?

4.     随着人们气候变化意识的增强,消费者是否会更加注重低碳出行?

5.   航空业加速创新,是否存在进入SAF生产相关产业链的投资机会?

【1】 这些情景包括能源效率的提高(由运营优化和机队改造推动)、零排放绿色航空燃料在燃料组合中的比例加大、旅行需求的减少和交通模式的转变。所有情景都以2016年为基准,基础情景则基于麦肯锡的《2019全球能源透视》(2019 Global Energy Perspective)。

【2】《航空碳抵消项目:常见问题》(Aviation Carbon Offset Programme: Frequently asked questions),国际航空运输协会,2020年4月30日,iata.org。


编辑

Daniel Riefer

麦肯锡全球副董事合伙人,常驻慕尼黑分企业

谢乔

麦肯锡全球董事合伙人,常驻北京分企业

沈思文 (Steve Saxon)

麦肯锡全球董事合伙人,常驻深圳分企业

廖绪昌

麦肯锡全球副董事合伙人,常驻香港分企业

陈子

麦肯锡航空业务研究员,常驻上海分企业

编辑在此感谢Alex Dichter、Kimberly Henderson、Robin Riedel、Guenter Fuchs、Nathan Lash、Tapio Melgin、Ole Rolser、Jan Vespermann和Jop Weterings对本文的贡献。


 

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