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飛向藍天,浩瀚無垠!航空業如何往淨零碳排邁進?

111/12/30 瀏覽次數 407
圖一

圖一:航空產業目前面臨著燃料成本、能源供應與安全,以及碳排放的挑戰。隨著人們開始與疫情共存,航空產業也逐漸復甦,大量的飛行時數伴隨著大量的燃料及碳排放,為了恢復行業競爭力以及解決溫室氣體問題,航空產業需要前所未有的革命。(影像來源:Unsplash)

現今航空產業為世界各國的社會經濟發展皆有重大貢獻。在過去的二十年中,航空運輸能力增加了近 4.8 %,這也直接影響飛機的數量。根據美國波音公司目前的市場展望,預計到 2036 年將有會大約 47000 架噴射式飛機(Jet Airplane),數量是 2016 年的兩倍。
大多數商業航班的平均總重量約為 640 噸,取決於飛機的總容量,為了讓飛機承載如此大的重量,其渦輪引擎需要消耗大量燃料。為支撐這一巨大負載,對航空燃料的高需求帶來了不少挑戰,其中也包含了安全、成本和效率等等問題。

航空燃料的使用及對環境的衝擊

自航空業誕生以來,化石燃料就被用作為提供飛機動力的唯一燃料來源。儘管它對航空業整體來說相對廉價,但是其對環境有重大影響,因為它在燃燒產生動力的過程中,會釋放不同的溫室氣體,進而導致全球性的危害。
根據航空運輸行動組織(ATAG, Air Transport Action Group)的調查, 2019 年全球飛行產生了 9.15 億噸的二氧化碳,大約佔人為總碳排放量之 2 %;而其中航空產業又占了所有運輸來源碳排放量的 12 %,已成為僅次於公路運輸的第二大交通溫室氣體排放源。因此,世界上許多國家現今都迫切地推動低碳甚至零碳排放之航空產業。
COVID-19 所引發的全球大流行疫情,更再次提醒人們航空產業的脆弱性。產業目前面臨著燃料成本、能源供應與安全,以及碳排放的挑戰。隨著人們開始與疫情共存,航空產業也逐漸復甦,大量的飛行時數伴隨著大量的燃料及碳排放,為了恢復行業競爭力以及解決溫室氣體問題,航空產業需要前所未有的革命。
除了航空產業以外,航空用燃料的自主性對於國防方面也有一定的考量。據報導指出,2021 年 10 月 1 日至 4 日中國共出動 149 架次軍機擾台,空軍升空監控每架 IDF 戰機,每小時油耗約 3400 美元,F-16 戰機和幻象 2000 則分別超過 4000 和 4700 美元。因此在燃料的開支上,國防單位也必須進一步部署。 

航空燃料的永續及淨零碳排的發展

航空產業正處於轉型的十字路口,許多國際機構也為未來提出了淨零碳排之目標。比如,國際航空組織( IATA, International Air Transport Association)提出了降低碳排放的承諾:2050 年之碳排放要減少至 2005 年碳排放之 50 %。
歐洲航空研究諮詢委員會(ACARE, Advisory Council for Aeronautics Research in Europe)也提出 Flightpath 2050 航跡計畫,其三項目標分別為:飛機飛行時噪音減少 65 %、每乘客每公里的氮氧化物(NOx)排放量減少 90 %,以及每乘客每公里的二氧化碳排放量減少 75 %。為了達到上述之目標,世界各國政府和航空業者積極地找尋解決替代方案。
過去十年裡,許多替代航空燃料被提出,包含合成燃料、生物航空燃料、酒精燃料、液態甲烷等。
其中較為常見的是生物質(biomass)衍生的航空燃料,因具備「即用性」而成為傳統航空燃料之替代品,可以完全互換並與傳統航空燃料兼容。因此,不需要對目前的飛機引擎或燃油噴射系統,以及燃料基礎設施進行任何修改,已成為未來航空燃油來源的潛在目標。
將生物質以體積比例 50 % 混合傳統航空燃油 Jet A,目前已證實應用在飛機上,可以減少 50-70 % 之碳顆粒數量與質量排放量,但是對於凈零碳排之目標仍然有一段距離。因此,產業也積極發展新的推進技術應用於飛機上,例如電池電動飛機、混合動力飛機(Hybrid Electric Aircraft,HEA)等等。
不過,對於電池電動飛機來說,電池技術仍有很大的改進空間。由於電池受到每公斤 0.2 -0.5 kW 時的低單位質量之能量密度和有限的壽命週期的影響,這也限制了電池電動飛機只能作為小型與短程飛行的飛機之適用性。

混合動力飛機如何解決電池電動飛機的限制?

除此之外,純電池電動飛機需要快速充電或電池更換系統,這都需要對機場基礎設施進行重大改變。而混合動力飛機結合了兩種動力來源,通常是燃料和電池或燃料電池所組成,得以突破電池電動飛機之限制。而在許多航空替代燃料中,氫氣(H2, Hydrogen)已經成為研究人員與專家關注的焦點。
首先,氫單位質量的能量密度是傳統航空燃油的 2.8 倍;而另一優勢是氫氣具備作為零碳排之航空燃料的潛力,因為氫氣燃燒過程中不存在快速促使 NOx 生成的 CH 基團,僅會產生 H2O 與熱反應,造成的少量 NOx 生成。以氫氣作為推進的主要能源,無論是燃氣渦輪引擎的直接燃燒、混合液態燃料,還是作為燃料電池,皆可以為飛機提供動力。
氫動力飛機作為一項顛覆性創新方法,還需要大量的研發、投資和配套措施,並考量安全性、經濟性、氫氣專用基礎設施以及氫氣來源等因素。因此對於短期目標而言,氫動力飛機僅侷限應用於中小型、短中程飛機,要應用於大型與遠程飛機仍有許多問題需要克服。
另外,如何將可再生能源轉換成氫氣,並且應用在航空引擎上,以達到航空產業的淨零碳排,也是臺灣目前需要努力的目標。

資料來源

●    Boeing. (2018). "Current market outlook 2017-2036.”  [Online]. Available: http://www.boeing.com/resources/boeingdotcom/commercial/market/current-market-outlook-2017/assets/downloads/2017-cmo-6-19.pdf
●    M. G. Sürer and H. T. Arat, "State of art of hydrogen usage as a fuel on aviation," European Mechanical Science, vol. 2, no. 1, pp. 20-30, 2018.
●    尹智剛 and 潘建任. (2020). 共機擾台 空軍升空每小時成本1百萬 [Online]. Available: https://news.cts.com.tw/cts/politics/202010/202010062016153.html
●    The International Air Transport Association, "Resolution on the implementation of the aviation “CNG2020” strategy.," 2010, [Online]. Available: https://www.iata.org/contentassets/e8a7f8d96c554acd8e5fbbc09eb56559/agm69-resolution-cng2020.pdf, Accessed on: 11/29/2021

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