航空產業如何減少碳排放？

Posted on 2015/09/29 in 反思, 挑戰與危機：水、糧食、能源、環境, 環境能源, 環境能源管理, 管理與應用：科技、工程、政策 with 沒有迴響 3,956 views

航空產業如何減少碳排放？(Reducing emissions from aviation)
國立臺灣大學土木工程學系宋爾軒

近幾年來因為經濟快速發展以及海外旅遊風潮湧現，航空業不論是客運或貨運，其運量上皆有顯著的成長，然而為了響應節能減碳的政策，飛機製造商與航空業者在享受這股錢潮的同時，也投入不少資本致力於降低飛機的碳排放。

降低飛機（航空器）的碳排放大致上有四種方式，分別是減輕機體重量、改善飛機構造、飛航操作最佳化以及採用生質燃料。

減輕機體重量
飛機的重量與油耗成正相關，越重的機型就需要更多的油料以產生足夠的推力，因此過程中所排放的二氧化碳也越多。為了減輕機身重量，自 70 年代開始，世界兩大飛機製造商波音及空中巴士集團就已經應用較輕的複合材料取代傳統的金屬材料來降低油耗，在最一開始，這些複合材料被用在一些受力比較小的結構上，隨著科技進步以及反覆的測試，機身採用複合材料的比例也越來越高，目前波音公司 (Boeing) 最新一代的民航客機波音 787 在機身設計上所使用的複合材料佔整體結構重量的 50%，諸如機身、機翼等主承力構件皆採用碳纖維增強環氧樹脂 (CFRP)（如圖一所示），因此相較於相同載客量級的波音 767 機型，波音 787 可減少 23% 的耗油量。

圖一飛機構件使用材料示意圖。(https://composite.wordpress.com)

除了機體本身，機上設備的減重也能降低整體重量，例如座椅採用較輕的材料、減少餐盤的體積以降低餐車的使用數量、以及採用材質較輕的貨櫃取代傳統鋁製貨櫃等。
改善飛機構造
首先在機翼的翼梢部份，舊型的客機原先就採用翼尖小翼 (Winglet) 來降低翼尖的渦流（如圖二所示），使空氣流動更順暢以降低耗油，而在新一代的客機改採用「斜削式翼梢 (Raked wingtip)」（如圖三所示），降低的阻力達 5.5%，總共能減少 2% 的油耗，因此每年每台飛機可減少 3.9 萬噸二氧化碳的排放。

圖二一般翼尖（上）與加上翼尖小翼的翼尖（下）。(http://zhouf601117.blog.163.com/blog/static/1265510662015581003953/)

圖三斜削式翼梢。(http://news.carnoc.com/list/291/291524.html)

另外，飛機引擎的設計也會影響燃油的效率，奇異公司 (GE) 所推出的新一代引擎 GE-90，具有高達 9:1 的旁通比 (Bypass Raito)^註1，亦即燃燒同樣份量的空氣能產生更大的推力，因此相較於舊款引擎，搭載 GE-90 引擎的飛機能以較少的燃料航行相同的距離。
以長榮航空的波音 777 為例，其採用斜削式翼梢以及 GE-90 引擎，若飛航台北至美國洛杉磯航線，相較於同載客量級的舊款機型波音 747 共可減少 34.10% 二氧化碳排放。
飛航操作最佳化
航機操作的效率也間接影響著耗油量。首先在飛行航路的部份，航空公司大多遵照各國飛航管制單位發佈的航路飛行，然而某些航線可能因為各國安全性考量或是政策上的限制，無法用最直接的航路到達目的地，以中華航空台北至帛琉航線為例，為了節省燃油，華航積極與他國航管單位交涉，最後獲得同意得採用縮短的航路飛航（如圖四所示）。

圖四華航縮短航線以降低油耗。（2013 中華航空環境永續報告書，第 27 頁）

另外，在飛機降落的進場程序中，依規定需使用 Step Down Approach 的方式進行，為節省燃油，華航與國內機場航管單位合作，在機場非繁忙時段改採 Continuous Descent Approach 的方式進場（如圖五所示），因為 Continuous Descent Approach 較 Step Down Approach 晚降低高度，航機平均每次可節省約 100 公斤的燃油，同時減少約 300 公斤的二氧化碳排放。以上兩項飛航操作的最佳化除了能節省公司營運成本，也對環境保護帶來正面效益。

圖五持續降落模式 (Continuous Descent Approach) 與一般降落模式 (Step Down Approach) 之差異。(http://www.cs.adfa.edu.au/research/details2.php?page_id=543)
採用生質燃料
飛航用油為航空業主要的溫室氣體排放源，因此發展替代能源必然是最有效的減碳方式，目前飛機使用生質燃料仍處於發展的階段，生質燃料生產成本大約是傳統燃料的十倍，使用上未能符合效益，然而因為先後經歷國際油價飆漲以及歐盟對民航業者實施溫室氣體排放管制，各航空公司願意投入更多資金以加速生質燃料的研發。目前發展的生質燃料中以藻類生質燃料最具前景，其生產過程如圖六所示，藻類僅需陽光、水及微量元素即可生長，且藻類本身能固化二氧化碳，可降低空氣中溫室氣體含量；另外，相較於以玉米、大豆等原料製成的生質燃料，採用藻類並不會對人類食物鏈產生影響；就環境保護及永續發展而言，使用藻類生質燃料可產生較少的硫化物及一氧化氮，且生產過程中留下的藻渣可製成生物碳，作為發電系統的燃料使用。

圖六藻類生質燃料生產過程（http://ccres-aquaponics.blogspot.tw/2012/10/ccres-algae-team.html，經本文作者重新繪製）

根據兩大飛機製造商波音及空中巴士集團的推測，未來十年民眾對空中交通的需求只會持續上升，因此航空業者必須盡可能在每個環節實施綠化行動，除了文中提到的四種方式，業者也開始改善機場的硬體設備，例如照明設備改採節能的 LED 照明系統、空調及供電設備的更新等，當整個航空產業鏈皆對節能減碳有所做為，相信二氧化碳的排放量可以逐年降低。

註1：旁通比為外進氣道與內進氣道的氣流量比例（如圖七所示），只有進入內進氣到的空氣會進入到燃燒室燃燒帶動前方渦輪導扇轉動，由此不斷將空氣快速地吸入外進氣道以產生推力。