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从产业投资视角看航空公司碳中和路径

作者:碳中和战略合作网  来源:民航管理  发布时间:2022-02-24

碳中和战略合作网讯:

民航“十四五”规划对降低吨公里二氧化碳排放以及机场单位旅客能耗等指标数值提出了明确要求。在双碳目标(2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和)的影响下,如何更好地解决行业规模增速与绿色低碳发展之间的矛盾,是一个十分重要的话题。

在减排目标的驱动下,各行业边际减排的成本不断上升,总配额不断降低,供需关系会推动碳价格未来持续上升,意味着碳资产方的收益和碳负债方的成本都会持续上升,形成落后就要付出成本的局面,进而对各行各业都形成深远的影响。

随着双碳目标的实施和推进,航空业的碳减排迫切性日渐提升。航空公司受限于喷气式飞机作为运载工具减排难度大、成本高、低碳技术成熟晚的问题,碳配额的压力和未来碳价上升将给航空公司带来极高的减排成本,航空公司需要高度关注各行业的碳中和布局机会,尽早规划可以产生碳汇、能早期实现减排的碳资产进行布局,抵消运营产生的碳负债。

碳中和的背景

我国实现双碳目标面临时间短、碳排放降幅大等一系列难题。根据CEADs(中国碳核算数据库)的统计, 2018年我国碳排放为96.21亿吨,从2013年左右开始,我国碳排放上升速度已显著趋缓进入平台期,反映了我国工业化水平已经具备实现双碳目标的基础。

我国每年大约排放二氧化碳中,发电端占比约40~45%,工业与制造业碳排放占比约25~35%,建筑部门占比10~15%,交通运输部门占比约7~9%。各部门实现减排的规划有所不同,如电力部门主要通过清洁能源替换,剩余通过CCUS(碳捕集、封存和利用的方式实现碳中和;地面交通运输预期主要通过新能源驱动的替代实现,航空业则预期通过生物燃油和飞行器的清洁能源替代等技术进步实现减排。

在实现双碳目标的过程中,各行业因不同的减排路径,成本和技术突破进度时间将有所不同,在2021~2060年的四十年中,各行业基于其不同的减碳进度,会通过碳交易形成碳资产和碳负债,通过供需匹配形成市场化的碳定价,这会极大改变碳配额行业的盈利与成本结构,碳负债方需要额外付出成本给碳资产方。

世界银行2020年5月发布的《碳定价机制发展现状与未来趋势2020》报告指出,每吨二氧化碳定价在2020年前至少需达到40~80美元,在2030年前达到50~100美元。国际能源署的可持续发展情景预测2030年碳价需设立在每吨75美元到每吨100美元之间。

参考欧盟碳交易体系和价格,初期由于配额过于宽松,导致了供过于求的问题,后期随着配额逐步收紧和减排压力的提升,欧盟碳价于2018年进入了稳定上涨通道。

综合来看,在减排目标的驱动下,各行业边际减排的成本不断上升,总配额不断降低 供需关系会推动碳价格未来持续上升,意味着碳资产方的收益和碳负债方的成本都会持续上升,形成落后就要付出成本的局面,进而对各行各业都形成深远的影响。

碳中和的进程推演

(一)早期碳资产:自然固碳和CCUS

早期较低的碳价决定了成本最低、技术最为成熟自然固碳和CCUS是最具有经济性的碳资产。

1.自然固碳成本低

中国科学院关于我国碳收支项目的研究显示,我国目前地表碳储量相当于363亿吨二氧化碳,基于不同的测算方式,每年固碳速率可以实现10亿到40亿吨二氧化碳。自然固碳成本低且固碳效果好,陆地通过林业种植固碳不仅使作物具有一定经济性,生产方式成熟,还可以通过核证减排获得林业碳汇在碳交易市场上获取收益,当前成本远低于国内碳市场40元/吨左右的价格,因而林业碳汇等自然固碳产业是在双碳早期最先形成规模化碳资产的行业,但自然固碳存在上限,可作为核证碳减排的碳汇资产会成为较为稀缺的资源。

2.工业固碳正加快规模化应用

应用CCUS,加快工业固碳进程。根据中国生态环境部环境规划院发布的《中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)年度报告( 2021)》的测算,按照每吨碳捕集、运输和封存总成本400元计算, CCUS当前成本较高。中国现在每年约100亿吨的二氧化碳排放,若全部采用CCUS的情况下,总成本高达4万亿元,而承担主要碳排放的中国能源企业和工业将面临沉重的成本负担,CCUS大规模应用的成本需要进一步下降。

当前中国已投运或建设中的CCUS示范项目总捕集能力约300万吨/年,据光大证券研究测算,至2060年国内CCUS的规模约10亿到18.2亿吨/年,未来CCUS规模化还有数百倍的增长空间。

CCUS 虽然成本高于自然固碳,但CCUS在部分领域的工业化应用已经趋于成熟,随着未来大规模的应用,成本有望进一步下降。现阶段碳配额较为充裕,碳市场价格低于CCUS的成本,未来随着碳价格的上升和成本的下降,CCUS项目也有望通过形成核证减排量成为双碳相对早期的碳资产之一

(二)中期碳资产:清洁能源

清洁能源全面转换的难度相较于自然固碳和CCUS工业固碳更大,成本高且所需时间长,早期的碳价较低,无法满足清洁能源全面转换的成本,因而清洁能源将随着碳价的上升和技术成熟才能成为碳资产。

1.一次能源清洁化仍需较长时间

当前我国能源消费的主力是化石能源2020年煤炭、原油的消费比重仍然高达75.7%,水电、核电、风电占比持续上升,但可再生能源的使用比率依然较低,2020年水电核电、风电占比只有15.9%。

我国可再生能源虽然效率不断提升,但未来风能、太阳能等清洁能源全面替代火电仍然存在一些障碍。清洁能源的主要难点是非连续性供电,太阳能每年发电小时数在1100小时到2000小时之间,风能发电时间约2000小时左右,2019年全国的风能和太阳能发电总量相当于约1.92亿吨标准煤的发电量,上网的风能和太阳能发电总量大约只取代了煤炭发电的12.5%左右。

虽然储能可以解决非持续性供电的问题但储能所需要的电池和总发电量仍然存在较大的差距。对应储能目前的电池产量,从我国产能最大的动力电池数据来看,2020年动力电池装机量相当于0.636亿千瓦时,只占到每天发电量(213亿千瓦时)的0.298%,现阶段锂电池的产能难以满足储能的需要。如果太阳能、风电等有4/5的时间或者5/6的时间要靠电池储电,则所需的电池产能和用电需求之间差了几个数量级,且全世界目前探明的钻和锂的产量也无法满足庞大的储能电池的需求。

核电技术是目前相较于太阳能、风能更具有优势的清洁能源,可以实现持续的供电且不受天气等各类因素的影响,但核电站最大的难点是安全性需要得到充分保证,核裂变的污染性会导致任何事故都极为严重。

在能源领域的可再生能源完全替代化石能源仍需要储能成本下降,在非持续供电的电网容纳技术上有所突破,届时清洁能源才能实现较大规模替代,并通过获取核证减排量成为中期重要的碳资产。

2.氢能源需克服诸多难点

汽柴油、液化气、天然气等化石能源是当前主要的二次能源,在交通、工业、建筑等行业中广泛使用。氢能源被认为是最佳化学能源,且氢产业已经具备了相对成熟的技术和完整的产业链。有观点认为通过大规模生产,降低氢能源在各个环节中的使用成本,就可以实现对化石能源的完全替代,氢能源汽车、氢能源飞机等在交通领域也是各大制造企业投入研发的重要领域。

氢能源作为清洁环保的二次能源,由于其物理特性,在应用中仍有诸多难点尚未解决主要表现在:一是在移动端使用复气的体积能量密度不足。二是超高压气体导致极高的成本。三是氢长期存储的难度很高。四是安全性问题。

因此,对氢能源完全取代汽柴油、天然气,甚至作为储能的手段,还需要在应用成本等方面有所突破,由于目前运输、存储极高的成本,核证减排量的收益无法抵消,因而在短期到中期,氢能源尚难成为较好的碳资产。

3.生物能源有待规模化

相较于直接的清洁能源转换和复能源的直接使用,生物能源可以实现全生命周期的减排,通过植物光合作用固化大气中的二氧化碳,再通过提取植物的油脂等成分制成甲醇、合成燃油等液体能源,可以有效克服复气的物理弊端。但生物燃油目前产能规模较小,原料相对供应不稳定,使用比例偏低,有待形成大规模生产和应用的普及。

生物质能源可以在不改变现有应用条件的情况下,直接替代汽柴油和煤油等化石能源具有其他清洁能源不具备的优势,但其上游原材料还未形成稳定的供应链,在能实现规模化生产的条件下,有望成为较好的碳资产。

(三)航空运输:碳负债方

航空运输对国内以及国际经贸发展都有着不可替代的赋能作用,我国航空业正处于成长期,飞机的数量不断增加,但随着双碳目标的实施和推进,航空业的碳减排迫切性日渐提升:2019年民航业总碳排放量已经占到全球交通运输行业碳排放量的10%,占全球碳排放总量约2%。如果不加控制,到2050年全世界将有25%的碳排放量来自于航空业,而同时民航业的减排路径难度较大,在碳达峰和碳中和进程中,航空运输业本身将不可避免成为碳负债方,需要持续付出碳减排的成本。

1.航煤替代的路径和难点

航空运输业的碳排放主要来自三个方面:一是航空飞行的燃料排放约占总排放量的79%;二是与飞机相关的地面排放约占总排放量的20%,包括飞机燃油的运输、飞机维修与回收,以及飞机服务配套地面交通等;三是航空相关的用电量间接产生约1%的碳排放。

当前民航客货机主要依赖航空煤油,且在碳中和阶段难以实现较大转变。ATAG(航空运输行动组织)于2020年9月发布的Waypoint 2050报告分析了航空业的减排情形,报告认为到2050年SAF(可持续生物燃油)是最为主要的减排手段,需要贡献50~75%的碳减排量。即便在氢能源和电动飞机技术突破最激进的假设情形中,通过SAF也需要抵消50%的碳排放,氢能源和电动驱动技术发展则需贡献42%的减排量,而当前氢能源和电动飞机的技术成熟度还远落后于SAF的应用。

从规划时间来看,各情形下SAF和清洁能源动力飞机发力的时间普遍在2035年之后才开始逐步加快,主要是当前SAF还需要克服许多关键挑战才能取代传统的航空煤油,难点在降低成本、扩大并稳定供应链以及在航发上实现100%的单独使用。

目前ASTM(美国材料实验协会)批准了七种可持续航空燃料生产途径,具体如表1。

表1:ASTM批准的SAF生产途径(资料来源:ASTM)

其中,脂肪酸加氢(HEFA)是目前最具商业可行性的选择。通常采用废弃食用油作为原材料,例如来自油菜籽或大豆的油等植物油,短期原材料供应还不够稳定,但在中期有望更容易获得,缺点是采用植物油作为来源会直接与粮食作物竞争耕地和水,因此可生产的总量较为有限。HEFA也可以通过非竞争性植物作为原材料,现处于开发的早期阶段(例如在沙漠中种植植物的油脂、用于HC—HEFA的藻类原料等)。成本方面,HEFA初期可以实现约1200~1600美元/吨的成本,未来通过规模化生产之后成本有望降至1000美元/吨以内。

电力到液体能源(PtL)的潜力很大,PtL用可再生电力作为主要能源,将水和二氧化碳作为生产主要原料,将碳原料与绿色氢通过费托工艺(FT)合成液态烃,再转化成一种煤油的合成物。目前PtL尚未实现大规模生产且成本远高于其他SAF生产方式,未来随着可再生能源的成本不断降低,PtL的成本也有望大幅度降低,成本有望达到1000美元/吨以内,接近化石能源的平均成本,并且PtL不存在原材料的限制。

根据Waypoint 2050报告测算,各类SAF 生产成本均较高(见图1),如当前阶段的HEFA的成本约1400~1500美元/吨,相当于人民币超过9000元/吨,按照1吨燃油产生3.15吨二氧化碳的比例计算,相较于化石能源的减排成本高达1500元/吨,远高于CCUS、林业碳汇等现阶段的碳减排成本,也远超过国内市场CCER约40~50元/吨的价格。

图1:Waypoint2050测算的各类SAF成本(资料来源:ATAG)

参考skyNRG对欧盟市场的SAF结构预测,2027年前HEFA是SAF早期主要的生产方式,因其可以较早实现较低的生产成本,2027年后FT和AtJ方式的规模将逐步扩大,到2040年前后,三种生产方式均趋于稳定不再上升,PtL则保持持续的增长,2040年后成为SAF最主要的生产方式。

国际能源署测算的2019年全球总燃料需求约29亿吨,其中航空煤油为3.68亿吨,根据罗兰贝格发布的报告,2019年SAF产量仅约5000万升(约4万吨),仅占全球航空燃料消耗量的0.01%。罗兰贝格预计到2025年SAF约使用70亿升,占全球喷气燃料需求的约2%。EIA(美国能源信息署)的2019年展望数据显示,预计全球航空煤油需求到2050年为6.49亿吨,而IEA(国际能源署)预测2060年SAF的需求为1.5亿吨,相较于全球航煤的比例仍然较低。

虽然SAF被认为是民航减排最成熟、占比最重的减排手段,但是从经济性和时间规划角度来看,SAF前期每吨减排成本远高于全球各市场的碳价,且实现规模化低成本生产的时间上相较于其他行业的减排不具有优势。

2.电动和氢能源仍待技术突破

(1)电动技术仅用于小飞机

Waypoint 2050报告中将电动能源和氢能源作为民航业未来实现技术突破的主要途径,但目前主流的三元电池能量密度仅有燃油的约1/60,现有电池技术无法在商用飞机上直接作为动力使用。即便采用燃料电池,也只能作为小型飞机的动力。2020年9月23日全球首架试飞的纯氢燃料电池驱动的飞机仅为一架六座飞机,而制造方 ZeroAvia 称该飞机是目前世界上最大的氢动力飞机。

(2)氢燃气轮机仍需较长研发时间

1988年,世界上第一架使用液化氢气运行的试验性民用飞机图155试飞成功,但并非是纯氢动力,图155配备三台发动机,其中,两台使用传统航油,一台采用液氢。图155虽然实现了氢燃料作为航发的动力,但未实现纯氢燃料的驱动,一方面成本过于昂贵,导致了1990年图155被改为图156采用液化天然气作为原料,另一方面体积巨大的燃料储备占用了客舱而大幅降低了飞机的载客量。

2020年空中客车公布了全球首款零排放民用飞机的三种概念机型,并计划于2035年投入使用,新机型命名为ZEROe,采用涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨和“翼身融合”的设计方案。而当前GE、罗罗、赛峰等航空发动机企业未明确氢燃料的使用和规划路径,仅有GE在燃气轮机上测试了燃烧室测试证明100% 的燃氢能力的可行性,尚未有航空发动机企业发布清晰的氢能源航空发动机路线图和相关规划,可见氢燃料作为航空发动机的主要燃料驱动商用飞机仍然有较长的路。

3.航空运输将成为碳负债方

由上述分析可知,由于民航业面临减排技术发展周期长于其他行业(见图2),且碳减排上经济性相对较弱,参考中国民航大学、中国民航环境与可持续发展研究中心的研究,航空运输域的碳达峰和碳中和时间预计会晚于全行业平均水平,若航空公司不主动作为、布局早期碳资产,将背负较高的碳负债成本,随着碳价格的持续上升,碳资产价格也不断上涨,碳负债将给航空公司形成较重的负担。

图2:航空公司与其他行业的双碳进度(注:此图仅为示意,不代表真实的时间节点和数据)

因此,航空公司应高度关注各行业的碳中和布局机会,尽早规划可以产生碳汇、能早期实现减排的碳资产进行布局,抵消自身减排实现较晚、减排成本过高的问题。

航空公司的双碳产业布局路径

从航空业相关的减排路径来看(见图3),上游是清洁能源动力的飞机,包括氢能源和电动飞机,其中氢能源产业链和电动飞机的部分产业已经商业化,但在氢燃料燃气轮机、大功率燃料电池、液体燃料在线制氢、高密度电池等环节仍处于早期的理论阶段,而氢气存储等有进入试验性的生产和验证阶段,并未形成产业。

中游环节SAF生产中,利用动植物油脂通过HEFA方式生产已经到了具备初步产业应用的阶段,而FT、ATJ等SAF的生产仍处于试验阶段。下游碳市场正随着双碳目标的推进加速发展。

图3:航空产业链减排全景

产业投资的布局需要根据技术的成熟度和产业发展、市场预期等因素综合考虑风险、收益等各项因素进行布局,投资过早可能带来失败的风险和较高的资金成本,投资过晚则面临较高的估值压力。

在碳达峰的早期,在航空基础减排环节和涉及碳市场、碳资产的各个领域寻找碳交易市场快速成长带来的产业投资机会,如碳交易、核查、服务等中介机构细分市场的发展。在碳资产方面,重点关注林业、海洋蓝碳等早期能以较低成本产生碳汇的碳资产主体。

从达峰到中和的阶段,碳排放的配额将在达峰后逐年减少,碳排放配额的供给将不断下降,碳价跟随边际减排成本的上升而上升,低成本、规模化的CCUS等负碳项目的经济性会逐步体现,并且进入产业发展的快车道,SAF的规模化生产也将在这个阶段推进,各大航空公司都需要布局具有成本优势和应用潜力的SAF项目。

同时随着碳配额的收紧,碳普惠项目的经济价值也不断上升,航空公司可以发挥旅客规模优势积极利用碳普惠的减排。氢能源和燃料电池在航空飞行器上的应用可能有部分项目开始启动商业化运作,航空公司需要关注产业链相关的技术研发和商业化应用的研究。

碳交易方面,聚焦从碳达峰到碳中和的过渡阶段市场的变化,重点关注电力、工业等重点碳排放行业的减排及其配额的供需平衡情况,在条件允许的情况下跟踪并参与国内外碳市场的跨市场套利机会。

在实现碳中和的阶段,碳交易、碳服务市场趋于成熟,相应的项目估值可能逐步降低,若在前期有相关项目的布局,此阶段是较为合适的退出机会。

SAF市场从成长转向成熟,航空公司端的成本压力驱动各条SAF路线不断研发追求低成本,此阶段聚焦成本领先的技术路线,重点跟进PtL路径,需要不断优化SAF投资布局靠向具有最优成本的规模化生产SAF头部企业,清退生产成本高、竞争力弱的项目在资本端加强资本与业务联动,特别是已投项目的资本化运作和价值管理,更好地服务航空公司SAF的应用和成本的下降。

氢能源、燃料电池动力飞机的项目在此阶段或有望开始实施和落地,进而实现航空飞行器的清洁能源化,在此阶段将会是航空公司参与航空复能源产业链上下游的关键企业的发展和规模化应用的最佳时机。

总之,随着双碳目标的实施和推进,航空业的碳减排迫切性日渐提升。航空公司受限于喷气式飞机作为运载工具减排难度大、成本高、低碳技术成熟晚的问题,碳配额的压力和未来碳价上升将给航空公司带来极高的减排成本,航空公司需要高度关注各行业的碳中和布局机会,尽早规划可以产生碳汇、能早期实现减排的碳资产进行布局,抵消运营产生的碳负债。

关键字:   航空 碳中和路径

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