雙碳政策下生物噴氣燃料的發(fā)展展望

李曉彤，王樹雷，李輝，郭江飛

（北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

1 航空業(yè)碳排放情況分析

全球氣候變化是人類迄今面臨的最重大環(huán)境問題，也是21世紀(jì)人類面臨的最復(fù)雜挑戰(zhàn)之一。據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計年鑒》，2000―2019年，全球二氧化碳排放量增加了40%，2019年高達(dá)343.6億噸，嚴(yán)峻的減排形勢使得未來全球各國溫室氣體可排放空間越來越小。中國作為發(fā)展中國家承諾將在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。受到新冠疫情影響，2020年全球總體能源消耗（以石油當(dāng)量計）同比下降4.5%，但可再生能源的消費(fèi)量和占比穩(wěn)步上升，能源低碳化、去碳化的趨勢持續(xù)加強(qiáng)[1]。具體見圖1。

圖1 2020年全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)比例

航空業(yè)是經(jīng)濟(jì)社會中一個快速增長的行業(yè)。在全球氣候變化的大背景下，航空業(yè)因使用化石燃料成為高空溫室氣體排放的主要來源。過去50年航空業(yè)CO2排放量約占全球總排放量2%，其中國際航空產(chǎn)生的排放占1.2%。2010年國際航空消耗約1.42億噸燃油，產(chǎn)生約4.48億噸CO2排放量。2019年國際航空業(yè)的CO2排放量超過了6億噸。新冠肺炎疫情的爆發(fā)使2020年航空業(yè)的碳排放量減少到了2.8億噸，但是2015至2050年整個行業(yè)的碳排放量預(yù)計將增加177%[2，3]。

國際民航組織設(shè)定“國際航空碳中和增長”戰(zhàn)略（CNG2020），并制定一攬子氣候行動計劃，包括國際航空碳抵消和減排計劃（CORSIA）、空中航行效率提升、技術(shù)和運(yùn)營基礎(chǔ)設(shè)施改進(jìn)和長期使用環(huán)境友好的可持續(xù)航空燃料油等。CORSIA主要是通過投資其他碳減排項(xiàng)目以中和在特定的旅程中飛機(jī)的碳排放量，現(xiàn)階段以購買“排放單位”為主，只要求抵消排放量的增長，不是實(shí)際意義上的減排；空中航行效率提升、技術(shù)和運(yùn)營基礎(chǔ)設(shè)施改進(jìn)重點(diǎn)在于提高能源利用效率，推進(jìn)有效燃油管理、推行電動滑行技術(shù)及機(jī)場太陽能供電技術(shù)等，對于航空業(yè)整體減排的貢獻(xiàn)有限；可持續(xù)航空燃料油如生物噴氣燃料可降低全生命周期碳排放，且技術(shù)較為成熟，來源豐富。民航飛機(jī)的特點(diǎn)及現(xiàn)階段的技術(shù)水平?jīng)Q定了氫能、電能、核能等在短期內(nèi)無法在民航業(yè)運(yùn)用與普及，而生物噴氣燃料作為調(diào)合組分添加到傳統(tǒng)燃料中，無需改變現(xiàn)有的飛機(jī)引擎及燃料系統(tǒng)，是在航空業(yè)能源低碳轉(zhuǎn)型過渡期的最優(yōu)選擇。

2 生物噴氣燃料現(xiàn)狀

2.1 生物噴氣燃料生產(chǎn)情況

2.1.1 工藝路線

生物噴氣燃料的生產(chǎn)來源豐富、工藝路線眾多。最新的生物噴氣燃料規(guī)范ASTM D7566-20a版本中包含的合成烴組分已達(dá)7種，可與傳統(tǒng)噴氣燃料調(diào)合生產(chǎn)含有合成烴組分的航空渦輪燃料。所涉及的產(chǎn)品技術(shù)路線、主要供應(yīng)商、原料、最大允許添加量和JFTOT試驗(yàn)溫度如表1所示[3-5]。

表1 納入ASTM D7566規(guī)范中的調(diào)合組分的工藝路線及特性

FT-SPK（費(fèi)托加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的煤油組分）路線主要是將合成氣轉(zhuǎn)化為液體燃料，合成氣來源除生物質(zhì)外還有煤、天然氣等，F(xiàn)T-SPK和石油基噴氣燃料除芳烴含量外，大部分化學(xué)組成均十分相似[6]。FT-SPK中正脂肪烴含量較高，環(huán)烷烴含量一般不超過15%（w），芳烴含量和硫含量很低[7,8]。FT-SPK的優(yōu)點(diǎn)在于其清潔性，與傳統(tǒng)燃料相比在燃燒時排放的CO2約減少2.4%，顆粒物減少約50%～90%，SOx減少近100%。FT-SPK的最大允許添加量為50%（Φ）。

HEFA路線的原料來源多為動植物油脂，種類繁多，經(jīng)加氫脫氧、加氫脫羧、異構(gòu)化、裂化等一系列過程處理后得到HEFA-SPK（脂類和脂肪酸類加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的煤油組分）。該組分中的主要雜質(zhì)為脂肪酸甲酯，含量不應(yīng)高于5 mg/kg。與FTSPK類似HEFA-SPK，芳烴含量較低，其最大添加量也為50%（Φ）[9，10]。

SIP（發(fā)酵糖類加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的合成異構(gòu)烷烴）路線的原材料為糖類，來自于蔗糖、甜菜、玉米、纖維素等[11]。首先通過糖類發(fā)酵、加氫等技術(shù)生產(chǎn)法呢烯C15H24，進(jìn)一步加氫后可得法呢烷[12]。SIP由于法呢烷含量高達(dá)97%，且含有一定量的六氫金合歡醇，熱安定性較差，最大允許添加量為10%（Φ）。SIP路線的優(yōu)勢在于投資較低，原料豐富，是具有經(jīng)濟(jì)性的路線[13，14]。

Sasol在FT-SPK的基礎(chǔ)上開發(fā)了FT-SPK/A（含芳烴的費(fèi)托加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的煤油組分），額外添加了含量不高于20%（Φ）芳烴組分，旨在解決大多數(shù)替代燃料芳烴含量過低而無法直接使用的問題[15]。Maurice等人認(rèn)為確定合理的芳烴含量需要噴氣燃料的雙組分模型來預(yù)測燃料的煙點(diǎn)[16]，Bi等通過木質(zhì)素催化解聚、烷基化制備了C8―C15生物芳烴（ABF），并進(jìn)一步加氫制備了生物環(huán)烷烴（CABF），ABF和CABF均顯示良好的冰點(diǎn)、黏度和凈熱值[15]；類似FT-SPK/A的高芳烴含量替代燃料理論上可直接使用，但因數(shù)據(jù)不足經(jīng)評審后目前仍僅作為調(diào)合組分納入ASTM D7566附錄，最大允許添加量為50%（Φ）。

ATJ路線目前使用糖類發(fā)酵生產(chǎn)的乙醇和異丁醇作為原料，未來C2―C5醇均有望成為ATJ路線原料。醇類經(jīng)脫水、齊聚、加氫、分餾等步驟生成烴類，但可用于噴氣燃料的烴類組分較少。Prak等人報道了GEVO公司以異丁醇為原料的ATJ-SPK（醇類來源合成煤油組分）主要由兩種支鏈烷烴組成，化學(xué)式為C16H34和C12H26[17]。Scheuermann等人還報道了含15.8%（Φ）芳烴的ATJ-SPK/A，其中芳烴來自于ATJ-SPK芳構(gòu)化[18]。

CHJ（催化熱解工藝生產(chǎn)的噴氣燃料組分）工藝是通過廢油凈化得到潔凈游離脂肪酸酯，再經(jīng)脫氧、裂解、異構(gòu)化、環(huán)化等過程后生成粗催化熱解油，再經(jīng)分餾獲得產(chǎn)品。催化熱解工藝的原料來源豐富，包括富含甘油三酸酯的大豆油、麻風(fēng)樹油、山茶油和桐油等。CHJ中的芳烴含量要求為8%～20%（Φ）（ASTM D1319法測定），且該組分所含的芳烴必須全部來自脂類和脂肪酸類的水熱轉(zhuǎn)化。CHJ組分的調(diào)合比例最高可達(dá)50%（Φ）[19]。

HC-HEFA SPK（烴類、脂類和脂肪酸類加氫改質(zhì)工藝生產(chǎn)的煤油組分）路線由日本IHI公司主導(dǎo)研究，并與Honeywell UOP公司和戴頓大學(xué)合作申請納入了ASTM D7566規(guī)范。目前HC-HEFA SPK的來源僅包括葡萄藻，經(jīng)培養(yǎng)采收、細(xì)胞干燥和油脂提取后可獲得粗海藻油，經(jīng)進(jìn)一步加氫裂化、脫氧、異構(gòu)化、分餾等處理后可生產(chǎn)符合要求的噴氣燃料調(diào)合組分HC-HEFA SPK，該組分的環(huán)烷烴含量較高，與常規(guī)噴氣燃料的調(diào)合時其比例最高為10%（Φ）[20]。

此外，還有多種工藝路線待審核，部分如表2所示。生物噴氣燃料的生產(chǎn)工藝路線眾多，各路線的簡要流程如圖2所示。

圖2 生物噴氣燃料生產(chǎn)工藝簡要流程

表2 部分ASTM D4054待審批的工藝路線

2.1.2 生物噴氣燃料產(chǎn)能

近年來隨著碳中和政策和航空業(yè)減排措施的不斷推進(jìn)，生物噴氣燃料行業(yè)迅速發(fā)展。2021年以來，工業(yè)規(guī)模的生物噴氣燃料生產(chǎn)項(xiàng)目逐漸增加，產(chǎn)能隨之不斷提高。多家公司紛紛宣布建立生物噴氣燃料項(xiàng)目，例如在荷蘭的Delfzijl項(xiàng)目，計劃產(chǎn)量為每年10萬噸；在美國，燃料乙醇和異丁醇供應(yīng)商Gevo計劃規(guī)模化生產(chǎn)ATJ；BP和Fulcrum BioEnergy正在內(nèi)華達(dá)州建設(shè)一個以廢物為基礎(chǔ)的生物噴氣燃料工廠；Neste公司宣布2023年起將擴(kuò)展其新加坡工廠的生物燃料產(chǎn)能至450萬噸/年。據(jù)歐盟《目標(biāo)2050》預(yù)計，到2030年歐洲生物噴氣燃料產(chǎn)量將達(dá)到200萬噸，其中70%通過HEFA路徑生產(chǎn)；到2050年生物燃料產(chǎn)量將增長到1 300萬噸，整個生物燃料供應(yīng)鏈在歐盟循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略下會得到進(jìn)一步優(yōu)化，全生命周期CO2減排量超過95%。由于當(dāng)前政策中的大多數(shù)國家未強(qiáng)制要求使用生物噴氣燃料，且生物噴氣燃料價格競爭力較弱，工廠通常不獨(dú)立生產(chǎn)。就HEFA路線而言，盡管各種加氫植物油工廠可以提供大量HEFA，但目前大多用于生產(chǎn)更具價格競爭力的生物柴油。在全球范圍內(nèi)，加氫植物油的年生產(chǎn)能力超過500萬噸，若得到政策支持，其中一部分可能會轉(zhuǎn)向生物噴氣燃料。

2.1.3 生物噴氣燃料應(yīng)用情況

為保證飛行安全，生物噴氣燃料在應(yīng)用之前須進(jìn)行適航驗(yàn)證。美國聯(lián)邦航空局（FAA）和歐洲航空安全局（EASA）建立的生物噴氣燃料管理辦法主要借助行業(yè)協(xié)會（如美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（ASTM）等），采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行管理。適航管理部門通過飛機(jī)或發(fā)動機(jī)型號進(jìn)行審定，將批準(zhǔn)的生物噴氣燃料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)列入飛機(jī)或發(fā)動機(jī)的型號數(shù)據(jù)清單中，使用時依清單選擇合適的生物噴氣燃料。FAA對于新型燃料的主要評估依據(jù)是ASTM D4054，包括性能驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)審核兩個部分，其中性能驗(yàn)證又分為燃料理化性能試驗(yàn)、材料特定性能試驗(yàn)、部件/臺架試驗(yàn)及發(fā)動機(jī)試車四個部分；標(biāo)準(zhǔn)審核由FAA和發(fā)動機(jī)公司的技術(shù)專家對研究報告進(jìn)行評估和審核，并提交ASTM投票通過后形成標(biāo)準(zhǔn)。我國沒有ASTM類似的行業(yè)協(xié)會，生物噴氣燃料的審定過程中將其視為航空器使用的“零部件”，采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定批準(zhǔn)書（CTSOA）的方式進(jìn)行審定。國內(nèi)適航部門制定了《含合成烴民用航空噴氣燃料》（CTSO-2C701），從理化性能、特定性能、發(fā)動機(jī)臺架和部分科目試飛四個方面驗(yàn)證生物噴氣燃料，并規(guī)定其生產(chǎn)工藝和最低性能標(biāo)準(zhǔn)，該規(guī)定中采納的試驗(yàn)方法為ASTM方法，國際接軌度較高[21]。生物噴氣燃料的認(rèn)證過程復(fù)雜、參與方眾多、耗時長且投入高，一定程度上限制了生物噴氣燃料的應(yīng)用。

采用上述認(rèn)證方法，目前多國的噴氣燃料規(guī)范中允許將生物航煤作為調(diào)合組分添加至傳統(tǒng)噴氣燃料中使用。至2021年，ASTM D7566已包含7種路線生產(chǎn)的生物噴氣燃料[22]。國內(nèi)3號噴氣燃料的最新規(guī)范GB 6537-2018中，批準(zhǔn)納入了FT-SPK及HEFA-SPK，以不超過50%（體積分?jǐn)?shù)）的比例與傳統(tǒng)噴氣燃料調(diào)合后使用。

2007年英國Virgin公司首次在非運(yùn)營商業(yè)航班中使用生物燃料，發(fā)展至今已有多家航空公司逐漸使用噴氣燃料執(zhí)飛定期航班；2015年奧斯陸建成了世界首個“生物噴氣燃料機(jī)場”，每年可提供約250萬升生物燃料。除商業(yè)航空領(lǐng)域，美軍也積極使用生物燃料，完成了多型戰(zhàn)機(jī)的生物燃料試飛工作，并計劃在2025年將具有價格競爭力的生物混合燃料使用量達(dá)到總消耗量的50%。國內(nèi)中國石化于2011年成功生產(chǎn)生物噴氣燃料，該燃料于2014年獲得適航批準(zhǔn)，2022年通過RSB（Roundtable on Sustainable Biomaterials）認(rèn)證，產(chǎn)品可進(jìn)入國際市場。

由于生物噴氣燃料價格遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃料，嚴(yán)重限制其應(yīng)用。以成本最低的HEFA路徑為例，生物噴氣燃料的市場價格約為同期傳統(tǒng)噴氣燃料的1.9～2.8倍。IHS Markit估計，目前生物噴氣燃料的消耗約為每年15萬噸，不到噴氣燃料總消耗的1%[23]。當(dāng)前，除挪威和瑞典有強(qiáng)制規(guī)定外，生物噴氣燃料的使用非常有限。美國可再生燃料標(biāo)準(zhǔn)（RFS）下生物燃料總消耗量僅相當(dāng)于美聯(lián)航在加利福尼亞的傳統(tǒng)噴氣燃料消費(fèi)量；歐盟也僅限于部分航空公司（如荷蘭航空和北歐航空）生物燃料項(xiàng)目的消耗。

3 生物噴氣燃料的全生命周期碳排放

生物燃料標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品溫室氣體平衡核算一直是個重點(diǎn)研究方向，全生命周期分析（LCA）是大多數(shù)研究人員用來定義可持續(xù)性的首選方法。然而受到LCA計算使用方法、原料類型和特性、系統(tǒng)邊界、功能單元、混合比、工藝技術(shù)、處理副產(chǎn)品和直接/間接土地利用變化等因素影響，生物噴氣燃料的全生命周期溫室氣體排放量差異很大。與噴氣燃料相比，全生命周期CO2減排量在25%～95%之間[24，25]，如Ahmed等人模擬了第二代生物燃料的原料采購、生產(chǎn)和產(chǎn)品銷售過程并計算了此過程中的碳排放，結(jié)果顯示運(yùn)輸過程碳排放約占全部碳排放88.5%，其中生物質(zhì)原料向煉廠運(yùn)輸過程的碳排放約占51.2%，成品油向市場運(yùn)輸過程的碳排放約占37.3%，說明生物噴氣燃料全生命周期碳排放需考慮多重因素，包括煉廠的選址等[26，27]。

圖3顯示了不考慮替代燃料，僅考慮飛機(jī)技術(shù)、空中交通管理（ATM）和基礎(chǔ)設(shè)施使用的改進(jìn)情景下，航空業(yè)國際航班從2005年到2050年CO2排放量預(yù)測。以1 kg噴氣燃料產(chǎn)生3.16 kgCO2計，該情景下2050年碳排放量較2020年碳排放量減少約1.039×109噸?？梢妰H飛機(jī)技術(shù)、空中交通管理（ATM）和基礎(chǔ)設(shè)施使用的改進(jìn)無法達(dá)到航空業(yè)減排目標(biāo)[2]。

圖3 2005-2050年間國際航線碳排放量預(yù)測

國際民航組織航空環(huán)境保護(hù)委員會（CAEP）預(yù)測了替代燃料（AJF）在2020―2050年間對降低全生命周期碳排放的貢獻(xiàn)。CAEP計算時包括了9類替代燃料原料：淀粉作物、含糖作物、木質(zhì)纖維素作物、油脂作物、農(nóng)業(yè)廢棄物、林業(yè)廢棄物、廢油脂、微藻和城市固廢。CAEP提供的最終數(shù)據(jù)包括基于在各情景中不同類型燃料的貢獻(xiàn)值得到的平均LCA值。圖4和圖5分別為國際航線中替代燃料消耗量和凈CO2排放量的預(yù)測。

圖4 2005-2050年間國際航線噴氣燃料消耗預(yù)測（含替代燃料）

圖5 2005-2050年間國際航線碳排放量預(yù)測（含替代燃料貢獻(xiàn)）

CAEP的預(yù)測結(jié)果顯示，在較強(qiáng)政策影響和較高生物質(zhì)產(chǎn)能的示例情景下，凈CO2排放量減少可達(dá)19%。2020—2050年間，基準(zhǔn)碳排放量為不同情景下石油基噴氣燃料總量與CO2排放因子3.16的乘積。替代燃料帶來的CO2排放減少量按如下公式計算：

總排放＝3.16×（CJF＋AJF×（LCA_AJF/LCA_CJF）

其中CJF＝傳統(tǒng)噴氣燃料消耗量

AJF＝替代燃料消耗量

LCA_AJF＝替代燃料全生命周期的等效碳排放量

LCA_CJF＝傳統(tǒng)燃料全生命周期的等效碳排放量

以2020年的排放量為基礎(chǔ)，若要在2050年實(shí)現(xiàn)碳中和，幾乎需要完全使用替代燃料代替石油基噴氣燃料，如圖4虛線所示，同時積極革新技術(shù)提高航行效率。該情景中替代燃料未來的發(fā)展和使用將高度依賴政策和激勵措施。通過分析假設(shè)，此情景下2050年替代噴氣燃料完全取代石油基噴氣燃料，凈CO2排放量將減少63%。

噴氣燃料排放因子由于航空運(yùn)輸用能結(jié)構(gòu)長期單一性，單位能耗的CO2排放因子將長期保持穩(wěn)定；唯一不確定的是生物噴氣燃料技術(shù)的發(fā)展。生物噴氣燃料本身的理化指標(biāo)與普通噴氣燃料基本一致，只是因?yàn)樵谠仙a(chǎn)過程中吸收大量CO2，所以從生命周期角度被認(rèn)為是減少了碳排放，具體需取決于生產(chǎn)路線，生物噴氣燃料最多可減少80%的CO2排放。一個年消耗25 000噸生物噴氣燃料基地（混合比例2.5%）將減少碳排放約39 000～62 400噸。根據(jù)ATAG報告，生物噴氣燃料在2020年前發(fā)揮的替代作用幾乎為零，2038年前穩(wěn)定在3.15噸CO2/噸噴氣燃料的水平不變，未來的替代作用在2040年后才有所體現(xiàn)，詳見圖5。

4 結(jié)語

受碳中和政策的影響，政府和相關(guān)行業(yè)愈發(fā)重視生物噴氣燃料在未來航空業(yè)中的減排作用，倡議未來航空公司在強(qiáng)制性系統(tǒng)的約束下將生物燃料混合到現(xiàn)有的燃料系統(tǒng)中。從長遠(yuǎn)來看，采用生物噴氣燃料能有效降低航空業(yè)碳排放，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要途徑之一。部分地區(qū)已經(jīng)設(shè)定了生物噴氣燃料的使用目標(biāo)。目前生物噴氣燃料價格約為普通噴氣燃料的兩倍以上，是當(dāng)前難以廣泛應(yīng)用的最大挑戰(zhàn)。生物噴氣燃料的發(fā)展應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)、政策和環(huán)境因素，擴(kuò)大原料來源，優(yōu)化技術(shù)路線，降低生產(chǎn)成本；此外，還應(yīng)大量累積應(yīng)用數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，優(yōu)化生物噴氣燃料的認(rèn)證過程及管理模式，降低認(rèn)證成本。