美國可持續(xù)航空燃料大挑戰(zhàn)路線圖分析

■ 王翔宇 劉金超/ 中國航發(fā)研究院

美國將可持續(xù)航空燃料（SAF）確立為實現(xiàn)航空業(yè)2050年凈零碳排放目標的最大依托。通過擴大原料供應、創(chuàng)新制備技術(shù)、構(gòu)建完備供應鏈、支持政策制定、促進市場應用和增進溝通交流，進一步加快SAF的研發(fā)、生產(chǎn)和部署。

為了減少航空溫室氣體排放，航空業(yè)正在尋求將開發(fā)新的飛機和發(fā)動機技術(shù)、改進空中交通管理以及推廣SAF等多種舉措結(jié)合起來。作為基于可再生生物質(zhì)或廢棄資源制備的替代燃料，SAF不但具有與常規(guī)航空燃料類似的特性、可與現(xiàn)有機隊兼容，還能夠降低至少50%的全生命周期內(nèi)碳足跡，為中短期航空業(yè)低碳發(fā)展提供了極為關(guān)鍵的解決方案。2022年9月，美國能源部（DOE）、運輸部（DOT）和農(nóng)業(yè)部（USDA）聯(lián)合發(fā)布可持續(xù)航空燃料大挑戰(zhàn)路線圖，描繪了美國SAF的發(fā)展目標與愿景，圍繞擴大SAF供應和應用、降低SAF成本和增強SAF可持續(xù)性三項重點任務，從六大行動項出發(fā)，系統(tǒng)論述了政府和行業(yè)如何采取一致行動構(gòu)建完備的SAF產(chǎn)業(yè)生態(tài)、消除SAF產(chǎn)業(yè)鏈整合中的障礙，助力航空業(yè)凈零碳排放宏偉藍圖的達成。

SAF發(fā)展戰(zhàn)略行動項

擴大原料供應

原料供應系統(tǒng)創(chuàng)新發(fā)展的核心在于提高生物質(zhì)的產(chǎn)量和可持續(xù)性，這是優(yōu)化SAF供應鏈并降低成本和技術(shù)不確定性的基礎(chǔ)。有必要對各類生物質(zhì)原料的供需情況和可持續(xù)指標進行全面的梳理和掌握，評估分析其資源儲備和可用性條件?？紤]到短期內(nèi)生產(chǎn)SAF可能主要依賴加氫酯和脂肪酸（HEFA）工藝，需要協(xié)調(diào)動植物脂肪、油和油脂類原料的來源渠道，加大對油料作物種植的扶持力度。待醇噴合成（AtJ）工藝成熟普及后，生物質(zhì)供應的重心則可能會轉(zhuǎn)移到淀粉基和糖基等纖維素類原料。不過，即便如此也很難滿足航空業(yè)巨大的能源需求，自始至終都要強化對其他各類廢棄物和殘留物的收集能力。

可持續(xù)航空燃料大挑戰(zhàn)路線圖總體構(gòu)架

此外，生物質(zhì)的處理和運輸不僅形式多種多樣，也往往需要根據(jù)當?shù)厣镔|(zhì)基礎(chǔ)設(shè)施、制備工藝和分銷網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)整。例如，油料作物的粉碎或提取應在接近SAF生產(chǎn)前進行，獲取的油脂類生物質(zhì)可直接用于生產(chǎn)活動，而木質(zhì)纖維素原料不但需要在資源當?shù)剡M行致密化和減濕操作來降低運輸成本，同時還需要經(jīng)過很多預處理步驟才能真正轉(zhuǎn)化為SAF原料。通過了解原料組成、結(jié)構(gòu)和行為如何影響生產(chǎn)系統(tǒng)性能，可以進一步提高原料處理系統(tǒng)的可靠性，使原料供應和SAF制備之間的接口銜接更加順暢。

創(chuàng)新制備技術(shù)

顯而易見，SAF的生產(chǎn)不可能只依賴某一種制備工藝，多種技術(shù)路徑不僅能夠擴大原料庫從而提升SAF供應鏈的彈性，不同分子類型的烴類產(chǎn)物也有助于優(yōu)化SAF的理化表現(xiàn)使之更接近常規(guī)航空燃料。截至2021年10月，美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）已經(jīng)批準了9種SAF制備工藝，其中AtJ工藝可能是2030年前后SAF產(chǎn)量大幅提升的關(guān)鍵，目前的研發(fā)重點在于降低生產(chǎn)過程中的碳排放，包括將碳捕獲和封存技術(shù)與乙醇生產(chǎn)相結(jié)合，減少發(fā)酵后乙醇分離/濃縮所需的能量，以及提高AtJ催化劑對雜質(zhì)和水的耐受性。

預計未來SAF供應鏈不會由單一能源供應商進行垂直整合，在SAF成品交付之前會存在某種意義的“生物質(zhì)中間體”，可以是纖維素糖類，也可以是發(fā)酵或合成的醇類，還可以是來自熱解反應的各種生物油脂。這些“生物質(zhì)中間體”足夠穩(wěn)定，能夠從一個市場實體儲存和運輸?shù)较乱粋€市場實體進行進一步處理，體現(xiàn)了SAF制備過程中的專業(yè)再分工。當然，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展必然會有越來越多的更加先進、碳強度更低的SAF制備工藝出現(xiàn)，進行詳細完備的工藝風險和工藝成熟度評估也將越發(fā)關(guān)鍵。

構(gòu)建完備供應鏈

SAF供應系統(tǒng)既包括生物質(zhì)原料收集、處理和分配到SAF生產(chǎn)設(shè)施的全流程，也涉及成品燃料運輸?shù)綑C場所需的各種配套支持。目前的SAF供應鏈還很不成熟，市場主體的運營活動分散且呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性，同時根據(jù)燃料認證要求SAF必須與常規(guī)航空燃料混合應用，二者供應系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)配合也應引起重視。通過吸納所有的利益相關(guān)方建立行業(yè)組織，更好地促進交流、凝聚共識、統(tǒng)一部署，有助于SAF產(chǎn)業(yè)各方面力量的整合。

為了使行業(yè)組織能夠有效進行場景評估和選項分析，科學的供應鏈模型和決策支持工具不可或缺，建模量化的對象包括但不限于原料可用性、基礎(chǔ)設(shè)施選址和建設(shè)、制備工藝經(jīng)濟性、適航許可要求、全生命周期碳成本等。除了通過知情決策分析供應和生產(chǎn)方案的商業(yè)可行性，還需投入大量資金啟動大規(guī)模的驗證，覆蓋從生物質(zhì)收集到SAF交付，再到燃料加注并完成飛行活動的整個供應鏈。從歷史的經(jīng)驗看，這種試點示范非常有必要，能夠切實避免在商業(yè)階段付出更高的時間和經(jīng)濟代價。

支持政策制定

除了供應鏈模型外，支持政策制定、評估政策效果并最大化SAF的社會、經(jīng)濟和環(huán)境價值，同樣離不開相關(guān)統(tǒng)計信息和方法工具，基于技術(shù)經(jīng)濟和產(chǎn)能潛力重點分析現(xiàn)有政策和擬議政策的作用和影響，展示未來政策的主要著眼點和引導方向，以破除SAF在生產(chǎn)和應用中的主要障礙。鑒于全生命周期排放水平是SAF政策的核心出發(fā)點，具有高可信度、可操作性且與國際標準一致的碳排放計算方法顯得至關(guān)重要，這也將是碳定價和碳交易的基準，而SAF對空氣質(zhì)量和氣候變化的非二氧化碳影響、原料生產(chǎn)過程中作物多樣性伴隨的環(huán)境共同收益（如土壤改良）等也是頂層政策關(guān)注的對象。

從保障供給的角度來說，應形成明確的激勵措施清單，建立專門的融資渠道為SAF項目提供服務，根據(jù)實際產(chǎn)量對能源供應商進行補貼，確保產(chǎn)能越大售價越低，盡快釋放SAF的產(chǎn)能；從提振需求的角度來說，可出臺SAF的政府采購機制，探索政府部門和軍方購買SAF以帶動市場需求和商業(yè)應用的可能性。航空公司組團集體采購，承諾在規(guī)定的時間以一定價格購買一定數(shù)量的SAF，邀請能源供應商以最低價格投標實現(xiàn)市場的統(tǒng)一供應，這可能會是未來SAF產(chǎn)業(yè)政策所努力營造的一種市場格局。

促進市場應用

加快燃料安全測試和審批、擴大合格燃料的范圍對于SAF供應能力的提升是顯而易見的。目前ASTM D4054認證標準能夠涵蓋各種航空燃料規(guī)格和屬性，飛機和發(fā)動機制造商的燃油試驗數(shù)據(jù)已成為審查迭代的一部分，不過針對SAF的多層審查流程仍舊有進一步簡化的空間，同時，在規(guī)范中允許SAF和常規(guī)航空燃料的最大體積混合比例從50%上升到100%，即完全使用SAF完成飛行任務。這不但需要能源供應商、裝備制造商和監(jiān)管機構(gòu)的密切協(xié)調(diào)，也需要從SAF的理化特性角度進一步研究100%SAF對現(xiàn)有機隊零部件的影響，如那些不含芳香族化合物的SAF能否滿足燃油系統(tǒng)的密封指標。

在進行100%SAF測試的同時，探究SAF所帶來的額外性能或飛行生產(chǎn)率增益對其市場應用也具有顯著的促進作用。例如，未來SAF的質(zhì)量或體積能量密度可能高于常規(guī)航空燃料，有助于實現(xiàn)更長航程的飛行；SAF可能具有更好的熱穩(wěn)定性，可以降低燃料系統(tǒng)換熱器的設(shè)計要求從而減輕飛行質(zhì)量。而在100%SAF普及應用之前，能源供應商往往根據(jù)ASTM的規(guī)定將SAF和常規(guī)航空燃料混合后通過公路或鐵路運往機場，運輸能力有限，而SAF多種多樣的規(guī)格和組分不具備利用現(xiàn)有管道實現(xiàn)大規(guī)模長距離運輸?shù)臈l件，打通SAF應用的最后一環(huán)、將SAF更高效安全地集成到燃料配送體系中尤為關(guān)鍵。

增進溝通交流

透明、準確和客觀地展示SAF的環(huán)境、氣候和經(jīng)濟效益是增進公眾支持與了解的重要手段。無論是種植原料的農(nóng)民還是乘坐使用SAF航班的旅客，如果沒有廣泛而又積極的群眾基礎(chǔ)，想要增加產(chǎn)量并說服航空公司擴大應用將面臨巨大的挑戰(zhàn)。特別是由于SAF供應鏈的復雜性，很容易出現(xiàn)不正確或誤導性的信息，并迅速傳播左右公眾的看法。通過定期進行新聞動態(tài)發(fā)布、傳達SAF發(fā)展的公共利益，避免由于過時信息或片面數(shù)據(jù)導致批評和誤解，進一步建立與公眾溝通的渠道以尋求新發(fā)展格局下社會觀念的改變。

SAF相關(guān)溝通磋商還涉及非政府組織、原料供應商和其他利益相關(guān)團體，通過交流全球各地的產(chǎn)業(yè)信息和實踐案例，以減少來自農(nóng)業(yè)和林業(yè)的全生命周期碳排放，最大限度降低對環(huán)境和社會影響。此外，每兩年對可持續(xù)航空燃料大挑戰(zhàn)路線圖進行一次更新，采用協(xié)調(diào)一致的方法跟蹤原料和SAF的生產(chǎn)使用情況，評估執(zhí)行進展、經(jīng)驗教訓和現(xiàn)實效益從而指導后續(xù)的工作。需要專門的跨領(lǐng)域協(xié)作機制進行信息的收集和整合，形成的公共數(shù)據(jù)庫可為任何感興趣的群體使用，這將對那些暫時未能納入SAF產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的中小機場的可行性分析提供重要的參考和幫助。

SAF發(fā)展戰(zhàn)略展望

根據(jù)2021年年底美國聯(lián)邦航空局（FAA）發(fā)布的《航空氣候行動計劃》，大規(guī)模生產(chǎn)和使用SAF已成為美國政府在2050年前實現(xiàn)凈零碳排放目標唯一的可行方案、最具影響力的中近期國家戰(zhàn)略方向?？沙掷m(xù)航空燃料大挑戰(zhàn)路線圖重申了“電能和氫能動力技術(shù)僅限于短途飛行的小型飛機，預計在2050年之前不會對航空碳減排做出顯著貢獻”的論述，并為SAF的發(fā)展設(shè)定了雄心勃勃的目標，2030年SAF產(chǎn)能將比2021年增長600倍，從0.17億L急劇攀升到114億L，年化增長率達到122%，2050年的供應水平則在1300億L以上，不但能夠完全滿足美國國內(nèi)航空燃料的需求還具備一定的出口能力，對應的產(chǎn)業(yè)配套需求則包括400多個專業(yè)SAF生產(chǎn)工廠和10億t生物質(zhì)或從大氣中捕獲的二氧化碳原料。隨著制備技術(shù)的進步和轉(zhuǎn)化效率的提升，美國能源部生物燃料技術(shù)辦公室（BETO）認為這些原料可能足以生產(chǎn)1800億L以上的SAF。

可持續(xù)航空燃料大挑戰(zhàn)路線圖行動項和工作重點

在能源生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，SAF可能存在巧婦難為無米之炊的現(xiàn)實情況，無論是油脂類初級生物質(zhì)還是來自廢棄物和生產(chǎn)殘留物的生物質(zhì)大都存在一定的供應周期，如果找不到解決原料需求的合適辦法，那么SAF產(chǎn)業(yè)的一切發(fā)展都無從談起。從某種意義上說，美國政府力推SAF的最大底氣就在于擁有極為發(fā)達的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)和海量生物質(zhì)原料的供應潛力，原料供應、能源制備和航空運營將密切結(jié)合起來，這不僅是綠色航空產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展的要求，也是衡量全生命周期碳減排效果的基礎(chǔ)。然而，對于其他國家或地區(qū)而言，SAF的發(fā)展定位到底在哪仍需審慎設(shè)置。

一般認為主要能源作物的增長潛力已經(jīng)確定，來自農(nóng)業(yè)和林業(yè)的殘留物也不會大幅增加。歐洲航空業(yè)《目標2050》援引的數(shù)據(jù)顯示，到2050年全球可利用生物質(zhì)的含能量為67～160EJ，保守估計對應的生物燃料總產(chǎn)能在20000億L左右。雖然看起來并不是一個很小的數(shù)字，但要知道這些生物燃料可能要供應熱電、塑料、公路、海運和航空等各個國民經(jīng)濟部門。國際清潔交通委員會（ICCT）曾預計，到2050年全球9%的生物燃料可能會流入到航空業(yè)，按照上面的估算結(jié)果則對應為1800億L，此時美國規(guī)劃的產(chǎn)能則相當于全球的70%以上。即便如此，1800億L 也僅為2019年燃料需求的一半，隨著航空市場的擴張，2050年航空燃料的消耗量可能會超過8000億L，若機隊100%采用SAF則缺口在三分之二以上。

考慮到不同國家生物質(zhì)資源的差異，未來綠色航空發(fā)展路線之爭絕不是一個簡單的航空產(chǎn)業(yè)自身的技術(shù)問題，背后所涉及的最大優(yōu)勢發(fā)揮與系統(tǒng)性利益博弈至關(guān)重要。除了降低碳排放以外，美國政府還在努力宣傳SAF在農(nóng)業(yè)的額外收益（農(nóng)民可以在淡季種植生物質(zhì)原料獲取高額回報）、環(huán)境改良與保護（多樣性的生物質(zhì)原料可以改善土壤和水質(zhì)水量，控制水土流失）和提升飛機性能（SAF中較少的芳香族物質(zhì)含量有利于清潔燃燒）等方面的好處，能夠創(chuàng)造更多的就業(yè)機會和經(jīng)濟價值。不過，針對航空公司SAF的現(xiàn)實運營經(jīng)濟性問題，或者說隨著SAF產(chǎn)能的擴大能否同步快速降低運營成本，路線圖中并沒有給出答案，SAF和常規(guī)航空燃料的價格差距走勢在業(yè)界仍舊有很大的爭議。

由于燃料成本占據(jù)了整個民航業(yè)運營成本的25%～40%，SAF的溢價會直接影響航空公司的競爭力和收入。更為重要的是，目前以歐盟排放交易計劃（ETS）和國際航空碳抵消和減少方案（CORSIA）為代表的那些市場導向的政策舉措給出的碳價格尚不足以為SAF的推廣應用提供更強大的外部激勵。在可持續(xù)航空燃料大挑戰(zhàn)路線圖構(gòu)想的產(chǎn)業(yè)生態(tài)中，原料生產(chǎn)商（提供生物質(zhì)原料）、能源供應商（制備）、航空制造商（測試和審定）和航空公司（運營）各司其職、環(huán)環(huán)相扣，但都離不開美國農(nóng)業(yè)部、能源部和交通部的一攬子政策法規(guī)的協(xié)調(diào)和支持，未來可能還需進一步的立法行動、具體的資金補貼來降低整個行業(yè)轉(zhuǎn)向SAF的成本和風險。這將是一個持續(xù)、長久和實質(zhì)性的支持和行動的方案，也有望成為業(yè)界堅定擴大SAF生產(chǎn)與應用信心的基礎(chǔ)。

結(jié)束語

我國生物質(zhì)原料分布廣泛、整體可利用量大，無論是新建SAF產(chǎn)能還是對現(xiàn)有生物柴油產(chǎn)能進行改建，都不會有根本性的障礙。不過在制備技術(shù)方面，已投產(chǎn)項目或示范項目中只有HEFA工藝被運用，更能利用我國纖維素基生物質(zhì)原料優(yōu)勢的AtJ制備路線的技術(shù)儲備還需加強；在市場需求方面，由于沒有強制性的SAF應用指標，國內(nèi)航空公司并不急于推動SAF，除了少量試航外沒有公開明確的SAF商業(yè)飛行計劃；在產(chǎn)能投資方面，SAF市場規(guī)模尚小，政策信號不明晰時中石化、中石油等大型能源供應商較難做出中長期的SAF生產(chǎn)布局與產(chǎn)能擴張決策。

為了進一步明確SAF對航空業(yè)脫碳減排的重要意義、消解市場參與者對于SAF前景的疑慮，應參照可持續(xù)航空燃料大挑戰(zhàn)路線圖，盡快出臺符合我國資源稟賦和國情現(xiàn)狀的SAF頂層戰(zhàn)略，通過一系列政策導向和資金支持促進新型制備工藝的研發(fā)，加快適航和可持續(xù)性認證流程，擴大SAF的生產(chǎn)與應用規(guī)模，推動產(chǎn)業(yè)上下游市場參與者的交互合作，使SAF能夠和電動航空器、氫能航空器等航空碳減排路徑協(xié)調(diào)發(fā)展、互相補充，共同為我國綠色航空的未來貢獻力量。