可持續(xù)航空燃料發(fā)展展望

■ 王翔宇/中國航發(fā)研究院

可持續(xù)航空燃料對于未來航空產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展具有重要意義。在各國政府機(jī)構(gòu)、航空公司、燃料供應(yīng)商和航空原始設(shè)備制造商紛紛努力促進(jìn)可持續(xù)航空燃料普及應(yīng)用的同時(shí)，相關(guān)產(chǎn)業(yè)也面臨著降低制備成本、提升供應(yīng)能力、明確組分特性以及簡化認(rèn)證流程等諸多方面的困難和挑戰(zhàn)。

可持續(xù)航空燃料（SAF）一般指由各種可持續(xù)重復(fù)獲得的原料（生物原料或合成原料）經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)生成的航空煤油替代品。雖然SAF并不像電能或氫能那樣有望成為未來航空業(yè)低碳發(fā)展的最終解決方案，不過其燃燒時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳可借助原料生產(chǎn)得以中和，在其他技術(shù)路線成熟應(yīng)用之前對于航空業(yè)實(shí)現(xiàn)凈零碳排放這一短期目標(biāo)具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，也是可持續(xù)遠(yuǎn)程飛行最可行的選擇。除了原料來源多樣、全生命周期碳排放顯著減少以外，SAF與航空煤油相比所產(chǎn)生的煙塵、氮氧化物和硫化物都會大大降低，也無須對當(dāng)前的飛機(jī)/發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行根本性的重新設(shè)計(jì)。

從航空燃料到可持續(xù)航空燃料

航空燃料是由幾百種不同碳?xì)浠衔锝M成的混合物，其組分從含8個(gè)碳原子的分子到含16個(gè)碳原子的分子不等。作為汽油和柴油的中間餾分產(chǎn)物，航空燃料的沸點(diǎn)與汽油有顯著重合、與柴油幾乎完全重合，相應(yīng)的煉油廠商可根據(jù)市場條件和政策驅(qū)動有傾向性地選擇生產(chǎn)哪種產(chǎn)品，這也意味著目前SAF和可再生柴油存在較為激烈的產(chǎn)能競爭關(guān)系。為使SAF能夠被等同于航空煤油使用，可從性能、可操作性和兼容性對其進(jìn)行描述。其中，性能主要包括質(zhì)量能量密度、體積能量密度、顆粒物排放量和熱穩(wěn)定性等，決定了SAF為航空發(fā)動機(jī)布萊頓循環(huán)提供服務(wù)的能力；可操作性的出發(fā)點(diǎn)在于確保燃料在惡劣環(huán)境條件下（如低溫冷起動和高空再點(diǎn)火）的安全可用性，在美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）D4054標(biāo)準(zhǔn)框架下往往借助原始設(shè)備制造商（OEM）試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行認(rèn)證；兼容性是指SAF應(yīng)在不改變運(yùn)輸條件和機(jī)場基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)上能夠直接應(yīng)用到現(xiàn)有飛機(jī)和發(fā)動機(jī)產(chǎn)品上，不會對現(xiàn)有操作規(guī)范進(jìn)行大的調(diào)整變更。

早期的SAF只包括正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴兩種組分，隨著化工技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)擴(kuò)展為正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴、芳香烴和環(huán)烷烴4個(gè)烴族，而傳統(tǒng)航空煤油中的其他組分（含氧分子、含雜原子分子、不飽和烯烴和金屬原子等）由于熱穩(wěn)定性差、冰點(diǎn)低、易形成污染物等問題已被SAF規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)所剔除。正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴分子族通常占傳統(tǒng)噴氣燃料的55%～60%，前者雖可為SAF接受，但不符合ASTM D1655標(biāo)準(zhǔn)的冰點(diǎn)和閃點(diǎn)要求，也不提供獨(dú)特的性能屬性，而異構(gòu)烷烴則具有質(zhì)量能量密度高、熱穩(wěn)定性好、凝固點(diǎn)低等優(yōu)點(diǎn)。芳香烴能量密度較低，燃燒不像烷烴那樣清潔，是航空煤油90%顆粒物排放的來源，也極易造成燃燒室內(nèi)部結(jié)構(gòu)的磨損。環(huán)烷烴則與異構(gòu)烷烴相互補(bǔ)充，在滿足燃料能量密度要求的同時(shí)提供與芳香烴類似的密封膨脹功能?？梢哉f，目前通過在SAF中添加高質(zhì)量異構(gòu)烷烴來降低芳香烴的含量，并用環(huán)烷烴最終取代芳香烴的技術(shù)發(fā)展趨勢已較為清晰，既可最大限度減少污染排放又能進(jìn)一步提升燃料的能量特性。

截至2021年年初，共有8種SAF生產(chǎn)工藝獲得了ASTM的認(rèn)證，與航空煤油最大混合體積比例均不超過50%。作為當(dāng)下商業(yè)上最為可行的制備SAF途徑，加氫酯和脂肪酸（HEFA）法通過將工業(yè)廢油和植物油等進(jìn)行脫氧反應(yīng)后加入氫可形成碳?xì)浠衔铮?017年其技術(shù)成熟度就已達(dá)到8～9級，未來含油的藻類也有望成為其原料。費(fèi)托合成法是利用城市固體廢物的木質(zhì)纖維氣化為一氧化碳和氫的混合物后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為SAF，2019年其技術(shù)成熟度也在7級以上，是目前唯一獲批的可在燃料中加入芳香烴的制備工藝，能夠提供航空煤油中的全部組分，與當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)具有更好的兼容性。此外，還有醇噴合成法（糖、淀粉或水解纖維素發(fā)酵轉(zhuǎn)化為酒精后加工并升級為燃料）、催化水熱分解法（利用催化劑將生物質(zhì)衍生的含氧化合物轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锏幕旌衔铮┖吞穷愔苯雍铣煞ǎɡ棉D(zhuǎn)基因微生物將糖轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锘蛑悾┑?，其生產(chǎn)工藝處于不斷的改進(jìn)發(fā)展中。

3種不同組分的航空煤油性能比較（來源：美國能源部）

已獲得ASTM批準(zhǔn)的典型SAF

促進(jìn)可持續(xù)航空燃料普及應(yīng)用

政府機(jī)構(gòu)

SAF產(chǎn)業(yè)的培育離不開公共政策導(dǎo)向，這其中包括關(guān)于環(huán)境保護(hù)和燃料規(guī)格/質(zhì)量的立法以及對于不同燃料的征稅和補(bǔ)貼等諸多方面，之前很多國家為滿足可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)而強(qiáng)制在汽車上推廣使用乙醇和生物柴油就是一個(gè)很好的例子。2016年歐盟出臺的第二期可再生能源法案（RED Ⅱ）已經(jīng)要求各成員國在2030年的SAF使用占比達(dá)到6.8%，歐洲航空業(yè)《目標(biāo)2050》可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略則預(yù)期到2050年將其份額進(jìn)一步提升到83%。同時(shí)，在歐盟排放交易體系（EU-ETS）下，若設(shè)置的碳排放配額價(jià)格高于SAF的成本，則必將對航空公司選用SAF起到積極的作用。早在2006年，由美國聯(lián)邦航空局（FAA）牽頭，代表美國航空公司、機(jī)場和OEM的3個(gè)協(xié)會共同發(fā)起的民航替代燃料倡議（CAAFI）就開始對SAF的應(yīng)用可行性進(jìn)行評估，2021年8月路透社報(bào)道稱美國政府正計(jì)劃到2050年讓航空公司使用100%SAF，以此作為白宮應(yīng)對氣候變化的更廣泛努力的一部分。

航空公司

在認(rèn)識到額外增加的運(yùn)營成本可通過國家財(cái)政補(bǔ)貼以及票價(jià)附加費(fèi)用得以平衡后，越來越多的航空公司開始對使用SAF表現(xiàn)出明顯的興趣，而除了運(yùn)營成本以外，安全性和環(huán)保收益也是航空公司關(guān)注的重點(diǎn)。從2008年至2018年年底，全球約有30家航空公司使用SAF執(zhí)飛了15萬架次航班，到了2021年則有超過40家航空公司的30萬架次航班使用了SAF，待執(zhí)行的SAF采購協(xié)議則達(dá)到了500萬t以上。此外，航空公司也積極地與SAF制造商合作，例如，早在2015年美聯(lián)航就與Fulcrum生物能源公司合作，共同在洛杉磯建立了將城市固體垃圾轉(zhuǎn)化為SAF的工廠，計(jì)劃年產(chǎn)量為28萬t。2021年Alder 油料公司宣布獲得了美聯(lián)航和霍尼韋爾公司數(shù)百萬美元的投資，并與美聯(lián)航簽署了150億L 的SAF購買協(xié)議，是美聯(lián)航每年消耗燃料的40%，這也是目前航空史上最大的一宗SAF采購計(jì)劃。

耐斯特能源公司生產(chǎn)的SAF為飛機(jī)供能（來源：耐斯特能源公司）

燃料供應(yīng)商

面對日益旺盛的市場需求，傳統(tǒng)能源巨頭紛紛向著高質(zhì)量、大規(guī)模和低成本生產(chǎn)SAF的方向不斷努力，很多新興能源公司也順勢而為致力于推動SAF的商業(yè)化發(fā)展。據(jù)IASC航空產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)報(bào)道，世界最大石油交易商之一的荷蘭皇家殼牌（Shell）公司表示，到2025年其SAF產(chǎn)能將達(dá)到200萬t，比2019年全球總產(chǎn)量還多10倍，占到該公司航空燃料銷售額的10%以上。芬蘭耐斯特（Neste）能源公司的轉(zhuǎn)型更為徹底，目前已經(jīng)在為舊金山國際機(jī)場提供SAF，隨著其在荷蘭鹿特丹的工廠即將投產(chǎn)，SAF的年產(chǎn)量將從目前的10萬t提升到2023年的150萬t。但也必須認(rèn)識到，雖然目前獲得認(rèn)證的SAF種類不少，但大多制備工藝并不成熟、距離市場應(yīng)用仍有不小的差距，考慮到未來新工藝技術(shù)可用來制備更高質(zhì)量的SAF并取代現(xiàn)有工藝，快速部署生產(chǎn)線投產(chǎn)可能存在較大的不確定性風(fēng)險(xiǎn)。

航空原始設(shè)備制造商

為使SAF能夠符合操作和安全標(biāo)準(zhǔn)、滿足適航審定要求，在ASTM D4054框架下由航空OEM主導(dǎo)的測試認(rèn)證不可或缺?；裟犴f爾公司于2011年完成了HEFA燃料的測試，該燃料于同年7月被添加到ASTM國際燃料規(guī)范中；2013年，波音公司測試了加入HEFA燃料后燃油系統(tǒng)密封件的性能變化，對其特性有了初步認(rèn)識；2015年，普惠公司開展了一系列支持ASTM認(rèn)證的測試工作，測試對象涵蓋醇噴合成法、催化水熱分解法和糖類直接合成法等多種制備工藝；同年羅羅公司進(jìn)行了發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，以進(jìn)一步了解燃油系統(tǒng)密封件在不同SAF下的性能。從2016年開始，GE公司也陸續(xù)對多種SAF的燃燒特性進(jìn)行試驗(yàn)，相關(guān)結(jié)果支持醇噴合成燃料以更高的比例與航空煤油混合。隨著空客公司、德國航空航天中心（DLR）、羅羅公司以及耐斯特能源公司聯(lián)手啟動了具有開創(chuàng)性的“替代燃料排放和氣候影響”（ECLIF3）項(xiàng)目，將SAF混合比例上限提升到100%后對發(fā)動機(jī)、燃油系統(tǒng)和飛機(jī)機(jī)體的影響成為未來測試的重點(diǎn)。

2020年年底，羅羅公司在其下一代“超扇”（UltraFan）發(fā)動機(jī)計(jì)劃的技術(shù)演示驗(yàn)證機(jī)（配裝ALECSys稀薄燃燒低排放系統(tǒng)的遄達(dá)發(fā)動機(jī)）的地面測試中首次使用了100%的SAF。該燃料由美國世界能源（World Energy）公司生產(chǎn)，這家公司也是當(dāng)時(shí)美國唯一一家實(shí)現(xiàn)SAF商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的供應(yīng)商。波音公司在2021年2月承諾到2030年其民用飛機(jī)能夠獲得認(rèn)證使用100%SAF進(jìn)行飛行，并在下半年與羅羅公司合作開展了飛行測試，波音747平臺上的1臺遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)使用100% SAF，另外3臺RB211發(fā)動機(jī)依舊使用航空煤油，近4h的飛行未出現(xiàn)任何工程問題，隨后羅羅公司確認(rèn)到2023年所有遄達(dá)發(fā)動機(jī)都將與100% SAF兼容。幾乎同時(shí)，賽峰集團(tuán)宣布全球首臺完全采用SAF的渦軸發(fā)動機(jī)馬基拉2（Makila 2）成功運(yùn)轉(zhuǎn)，并于1個(gè)月后在空客公司的H225直升機(jī)上首飛成功，標(biāo)志著旨在評估非混合SAF對直升機(jī)系統(tǒng)影響的飛行測試活動的正式啟動，其與GE公司合作研發(fā)的RISE計(jì)劃中的開式轉(zhuǎn)子架構(gòu)發(fā)動機(jī)也將支持使用100% SAF。

道達(dá)爾能源公司生產(chǎn)的SAF為飛機(jī)供能（來源：道達(dá)爾能源公司）

使用100%SAF的遄達(dá)1000發(fā)動機(jī)在波音747平臺進(jìn)行飛行測試（來源：羅羅公司）

可持續(xù)航空燃料發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

在政府和業(yè)界的大力支持下，SAF雖然已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景和市場潛力，但其發(fā)展也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

降低制備成本

據(jù)國際清潔交通委員會（ICCT）相關(guān)統(tǒng)計(jì)，SAF的生產(chǎn)成本約為航空煤油的2～8倍。其中，即便是當(dāng)前相對成熟的HEFA工藝，產(chǎn)品的最低市場價(jià)格也相當(dāng)于航空煤油的1.9～2.8倍，特別是注意到其他行業(yè)對豆油、棕櫚油、用過的食用油以及棕櫚脂肪酸餾出物這些HEFA生產(chǎn)原料的迫切需求與競爭，短期內(nèi)想要進(jìn)一步降低HEFA的成本還有很大的困難。由于燃料成本占整個(gè)民航業(yè)運(yùn)營成本的25%～40%，即便航空公司愿意以更高的價(jià)格購買一些SAF來支持其可持續(xù)發(fā)展，但這終究不是長久之計(jì)，盡快將SAF降到與航空煤油基本相同的成本是當(dāng)下非常急迫的任務(wù)。一些燃料供應(yīng)商已經(jīng)注意到了富含一氧化碳的工業(yè)廢氣和易于氣化的城市固體廢物的潛在利用價(jià)值，其相較于農(nóng)業(yè)生物質(zhì)原料更易獲取也廉價(jià)得多。

賽峰集團(tuán)對使用SAF的直升機(jī)發(fā)動機(jī)進(jìn)行測試評估（來源：賽峰集團(tuán)）

提升供應(yīng)能力

2019年全球航空業(yè)共消耗了約3600億L燃料，預(yù)計(jì)未來還將以3%左右的年化速率不斷增長，而目前的SAF的年產(chǎn)量僅為5000萬L，不到總量的0.02%，即便不考慮價(jià)格的問題，在今后的幾年必須大幅增加SAF的產(chǎn)能才能滿足市場的需求。然而，各種獲得認(rèn)證的SAF工藝都或多或少地面臨原料的長期可用性以及大規(guī)模生產(chǎn)的問題，工業(yè)廢物廢氣的來源極為有限，而生產(chǎn)其他生物質(zhì)原料又需要占用大量的耕地和水資源。長期最可行的技術(shù)方案就是利用費(fèi)托方法將工業(yè)途徑得到的氫（如電解）和大氣中二氧化碳合成用來制備燃料的碳?xì)浠衔?，但這也會帶來巨大的可再生電力需求缺口。此外，在全球范圍內(nèi)支持SAF的基礎(chǔ)設(shè)施體系也遠(yuǎn)未成形，為使傳統(tǒng)煉油廠具備原料一體化處理能力，額外的投資必不可少，而若在現(xiàn)有供應(yīng)鏈之外拓展SAF專業(yè)工廠，相應(yīng)地也要配套建設(shè)管道運(yùn)輸和分裝儲存系統(tǒng)。

明確組分特性

為確保減排潛力最大化，理想狀態(tài)下的SAF應(yīng)無須與任何傳統(tǒng)燃料混合使用，但由于現(xiàn)在生產(chǎn)技術(shù)大多只是復(fù)刻了航空煤油中以正構(gòu)烷烴和異構(gòu)烷烴為代表的石蠟類組分，業(yè)界對SAF的性能特性到底能在多大程度上還原航空煤油還缺乏全面的認(rèn)識，導(dǎo)致了SAF在商業(yè)使用中的混合體積被限制在了50%以下。波音公司的最新測試顯示在波音777飛機(jī)上使用100%HEFA燃料時(shí)，以前沒有接觸過燃料的密封件即便不需要芳香烴組分也能獲得可接受的性能，不過在充分的化工機(jī)理研究和令人信服的試驗(yàn)證據(jù)出現(xiàn)前，業(yè)界對于老舊飛機(jī)/發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中能否用環(huán)烷烴代替芳香烴仍持審慎的態(tài)度，而為了允許與航空煤油組分不同的SAF能單獨(dú)使用，未來發(fā)動機(jī)燃燒系統(tǒng)也可能會重新設(shè)計(jì)以保持最佳的運(yùn)行性能。

簡化認(rèn)證流程

ASTM D4054是評估新型航空燃料和燃料添加劑的核心標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，旨在確保使用替代航空燃料的飛機(jī)安全可靠地運(yùn)行。整個(gè)測試由航空OEM主導(dǎo)，一般分為4個(gè)主要步驟，是一個(gè)反復(fù)迭代和異常嚴(yán)格的評估過程。這也導(dǎo)致了目前SAF的認(rèn)證需要3～5年的時(shí)間、500萬美元以上的成本，全流程費(fèi)用支出則高達(dá)1000萬～1500萬美元，耗費(fèi)的大量燃料樣品對于很多新興燃料供應(yīng)商也是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)。減少認(rèn)證時(shí)間并降低認(rèn)證成本已經(jīng)勢在必行，2020年1月ASTM D4054快速認(rèn)證附件得到批準(zhǔn)，但通過該附件認(rèn)證的SAF最大混合比例被限制在10%以下，后續(xù)仍有很多工作要做。當(dāng)然也要注意到，雖有簡化ASTM認(rèn)證流程的空間，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對SAF性能規(guī)范的要求只會收緊而不是放寬。

ASTM D4054測試主要步驟（來源：美國能源部）

結(jié)束語

2021年10月，《中共中央、國務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》發(fā)布，為碳達(dá)峰、碳中和這項(xiàng)重大工作進(jìn)行系統(tǒng)謀劃、總體部署，明確了在提高非化石能源消費(fèi)比重、降低二氧化碳排放水平等方面的發(fā)展目標(biāo)。在這一大背景下，伴隨著我國民航運(yùn)輸市場需求的快速增長，政府機(jī)構(gòu)、航空公司、燃料供應(yīng)商和航空OEM等方方面面應(yīng)通力協(xié)作，充分認(rèn)識SAF對于我國航空產(chǎn)業(yè)未來實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展的重要意義，及時(shí)將SAF的研究與推廣應(yīng)用納入頂層發(fā)展規(guī)劃，積極參與SAF國際認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的制定，加快SAF生產(chǎn)新技術(shù)研發(fā)以及工業(yè)生產(chǎn)裝置建設(shè)，解決原料、技術(shù)與產(chǎn)能難題，形成完備的SAF產(chǎn)業(yè)體系，為應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)、搶抓發(fā)展機(jī)遇做好充分準(zhǔn)備。