全球航空業(yè)年均排放約10億噸CO2當量，約占全球總排放的2.8％。在 “雙碳”背景下，構建航空業(yè)脫碳體系、大力發(fā)展可再生能源在民航業(yè)的應用，已成為全球航空業(yè)重要的戰(zhàn)略方向。簡要論述了民用航空業(yè)的脫碳政策、現(xiàn)狀、關鍵技術、存在問題及發(fā)展策略，發(fā)現(xiàn)航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受制于其能源結(jié)構，面臨嚴峻挑戰(zhàn)，而可持續(xù)航空煤油是其中最有效、最可普及、最符合發(fā)展需求的減排方式。對可持續(xù)航空煤油的技術路徑及其關鍵工藝進行詳細論述，為民航業(yè)通過可持續(xù)航空煤油實現(xiàn)脫碳發(fā)展建提供方向引導。
穿越洲際的全球航空運輸網(wǎng)絡極大地擴大了商貿(mào)和文化交流的邊際，提升了危機應對的速度和救災能力。航空業(yè)作為經(jīng)濟與民生的重要構成主體之一，為全球經(jīng)濟活動創(chuàng)造了6550萬個就業(yè)崗位和2.7萬億美元的產(chǎn)值，據(jù)預測該數(shù)據(jù)會在未來20年內(nèi)實現(xiàn)翻倍。然而作為資源密集型行業(yè)，全球航空業(yè)年均排放約10億噸二氧化碳（CO2）當量，約占全球總排放的2.8％，且航空業(yè)碳排放的年均增速遠高于鐵路、公路、航海運輸業(yè)。在《巴黎協(xié)定》全球100余國家均積極應對全球氣候變化挑戰(zhàn)的宏觀背景下，加快航空業(yè)能源結(jié)構轉(zhuǎn)型、實現(xiàn)碳中和是人類永續(xù)發(fā)展的必然選擇與構建人類命運共同體的集體承諾。受制于其能源結(jié)構，航空業(yè)的可持續(xù)發(fā)展面臨嚴峻挑戰(zhàn)。
在碳中和目標下，面對日益增長的航空業(yè)碳排放，國際航空協(xié)會（IATA）和國際民航組織（ICAO）及全球多個國家及地區(qū)積極推出各項減排政策。ICAO提出2035年碳凈排放量不超過2019年排放水平85%的減排目標，其相應CORSIA機制將于2027年開始強制執(zhí)行。中國多次出臺交通運輸領域的雙碳指導意見、政策及行業(yè)規(guī)范，如《全面深入推進綠色交通發(fā)展意見》《“十四五”民航綠色發(fā)展專項規(guī)劃》等，其中多次提及鼓勵航空業(yè)應用可持續(xù)航空煤油。歐盟理事會規(guī)定，至2030年底，歐洲范圍內(nèi)溫室氣體排放量將較1990年減少不低于55%、可再生能源使用量須占歐盟能源使用總量的40%，且將從2026年起逐步削減國際航空業(yè)免費發(fā)放的EUAA，同時儲備2000萬份歐盟航空碳排放配額（European Union Aviationallowances，EUAA）用于鼓勵使用生物質(zhì)航煤的航司。
1990—2019年間航空業(yè)碳排放量持續(xù)增長，平均增速達2.3%，遠高于鐵路、公路、航海運輸業(yè)。其中，航空客運運輸領域的排放增速遠高于航空貨運領域。2019年全球航空運輸業(yè)85%的碳排放來自旅客運輸，達7.85億噸CO2當量，相較于2013年增長了33%，年均復合增長率約5%，國際航線航班數(shù)量每年增加3%～5%。盡管受到新冠大流行影響，2020—2022年全球民航業(yè)罕見打破了連續(xù)數(shù)十年的客運量上漲趨勢，但目前世界范圍內(nèi)國際民航業(yè)已基本擺脫新冠大流行和戰(zhàn)爭風險帶來的影響，2023年上半年全球機隊規(guī)模已恢復至疫情前的98%。由于航空客運仍是洲際交通的主要出行方式，這一部分客運需求難以被其他低排放交通工具替代，預計在未來航空客運量仍將伴隨洲際交通需求持續(xù)增長，恢復到疫情前的運輸及排放量增速。民航業(yè)排放量增長趨勢與日臻嚴格的監(jiān)管要求形成鮮明對比，因此民航業(yè)的碳減排具有迫切性。
航空運輸業(yè)為實現(xiàn)2050年凈零排放這一目標，可采取多種路徑手段，其中主要路徑為推動可持續(xù)空中交通管理部署節(jié)能型航空器、優(yōu)化運營過程、使用航空器輕量化材料、使用新型動力碳抵消和碳清除等，詳見表1。
表1 航空運輸業(yè)主要減排路徑
在過去10年間，全球航空業(yè)主要采用提升基建及運營手段的方式進行減排，幾乎已達成國際民航組織所提出的至2050年間全球航空業(yè)每年效率增長2%的目標。以2013—2019年全球航空運輸指標為對比，全球航班收入客公里數(shù)（RPK）提升50%，每架航班平均碳排放強度（RPK）下降12%，每收入噸公里（RTK）當量的平均燃油效率年均提高1.8%，詳見表2。但面對每年保持增加6%～8%的客運量，上述基建及運營手段效率的提升對于航空業(yè)實現(xiàn)雙碳目標的作用有限。
表2 2013與2019年全球航空運輸指標對比
全球航空運輸指標 | 2013年 | 2019年 | 增幅 /% |
全球客運離崗航班數(shù) /架次×106 | 31.6 | 38.7 | 22.5 |
全球可用座公里 /×1010 | 7276.0 | 10521.0 | 44.6 |
全球收入客公里 /×1010 | 5804.0 | 8709.0 | 50.1 |
全球旅客CO2排放量 /t×106 | 592.0 | 785.0 | 32.6 |
IATA將上述航空業(yè)各項節(jié)能減排手段歸納為四項分類，并根據(jù)各類目對于2050年航空業(yè)全生命周期排放減排目標貢獻值的分析做出占比預測。其中，通過基建及運營手段提升效率減排占比約3%，通過新的推進技術如電動和氫能源等新型替代能源占比約13%，碳抵消和碳捕捉等方式占比約19%，可持續(xù)航空煤油對航空業(yè)減排貢獻占比約65%。
考慮到IATA對該比例的估算是基于民航業(yè)2050年實現(xiàn)碳中和全周期中各路徑對于碳減排的遠期貢獻值，而氫能源飛機等減排方式受制于技術手段與基建部署難以量產(chǎn)使用，可持續(xù)航空煤油SAF在短期內(nèi)對于航空業(yè)全周期減排的貢獻預計將遠超IATA所預測的65%這一比例，因此，可持續(xù)航空煤油被看作是最有希望助力航空業(yè)實現(xiàn)凈零排放目標的減排手段。
傳統(tǒng)航空燃料是由天然原油或其餾分油通過加工或者調(diào)和制得的航空燃料，包括航空煤油和航空汽油，目前國際上對可持續(xù)航空煤油（Sustainable Aviation Fuel，SAF）并未達成一致定義。
從成分角度定義，SAF是一種生產(chǎn)過程具有可持續(xù)性、與傳統(tǒng)航空燃料具有相同特性的液態(tài)碳氫化合物。
從生產(chǎn)原料角度定義， SAF是一種以植物油、廢棄油脂、農(nóng)業(yè)和林業(yè)殘渣、CO2、綠氫等可再生資源為原料生產(chǎn)的、與傳統(tǒng)航空煤油具有理化一致性的航空燃料，可用于替代傳統(tǒng)航空煤油。
從可持續(xù)性角度定義，CORSIA機制所認可的ISCC國際可持續(xù)發(fā)展和碳認證系統(tǒng)中規(guī)定，可持續(xù)航空煤油是在其生產(chǎn)的全生命周期相較于傳統(tǒng)航空燃料起到減排效果的航空燃料。
目前符合美國民用航空局適航認證ASTM D7566標準可持續(xù)航空煤油的技術路徑可按照原料和工藝流程分為七類，此外還有利用CCUS技術捕捉CO2與綠氫反應生產(chǎn)航空煤油的路徑。上述路徑所用原料包括廢棄油脂、藻類、木質(zhì)素類、生物油類、甲醇、乙醇、捕獲的CO2與綠氫等。
3.2.1 脂肪酸酯和脂肪酸加氫
脂肪酸酯和脂肪酸加氫（HEFA）是指通過加工餐廚廢油及生物油預處理所得的脂肪、油和油脂（統(tǒng)稱為FOG）生產(chǎn)SAF的技術路徑，該路徑于2011年獲得ASTM D7566標準批準，其摻混量上限為50%。該技術路徑將脂肪、油和油脂等油料先加氫脫氧、再裂化和異構化生產(chǎn)SAF，技術較為成熟，已實現(xiàn)商業(yè)化應用。
采用餐廚廢油（UCO）為原料生產(chǎn)的中國石化國產(chǎn)1號生物航煤已于2014年獲得中國民用航空局航空器適航審定司頒發(fā)的1號生物航煤技術標準規(guī)定項目批準書，獲得適航批準。但此類使用餐廚廢油（UCO）為原料制SAF面臨由于原料來源分散導致的收集、運輸成本高昂且供應量受限的問題，預計未來無法通過規(guī)?；a(chǎn)有效降低成本。
除餐廚廢油（UCO）外，以生物油作為原材料加氫的HEFA路徑制作工藝更具有工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)前景，其生物油原材料包括麻風樹、山茶屬植物、藻類生物燃料等。由于部分藻類的油脂含量占干重的25%～77%，顯著高于富含油脂的陸生植物，藻類有望成為未來生物油加氫路徑（HEFA）的主要生物質(zhì)來源。
采用HEFA加氫路徑制航空煤油的主要優(yōu)勢在于其生產(chǎn)工藝成熟，工藝成本低，所產(chǎn)出航空煤油十六烷值高，有效保障了成品航空煤油的熱穩(wěn)定性與能量效率；劣勢是其生產(chǎn)、收集、運輸過程成本高昂，且受制于原材料供應量的上限，僅能滿足2030年前的SAF摻混需求。
3.2.2 費托合成制煤油
圖1 費托合成產(chǎn)物的ASF分布
3.2.3 具有芳烴的費托合成煤油
具有芳烴的費托合成煤油（FT-SPK/A）于2015年獲得批準，最大混合體積限制為50%。該工藝路線與FT-SPK的主要區(qū)別在于此路線允許一定量的芳烴摻混。
3.2.4 醇制煤油
3.2.4.1 醇類脫水-烯烴低聚-加氫制煤油路徑
醇類脫水-烯烴低聚-加氫制煤油路徑（ATJ-SPK)于2016年獲得批準，其混合量上限為50%。該工藝路線利用的原料主要是玉米芽、草和秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物、纖維素等,及其他途徑生產(chǎn)的乙醇和異丁醇。工藝路徑分為三步：先將醇脫水轉(zhuǎn)化為烯烴，再由烯烴低聚或齊聚生成航空燃料成分烴，最后加氫并分餾得到符合要求的ATJ-SPK燃料。
ATJ-SPK技術路徑生產(chǎn)SAF目前可被視為在HEFA路徑之后最先有望實現(xiàn)量產(chǎn)與商業(yè)化運用的技術路徑。LanzaTech公司的ATJ-SPK路徑規(guī)?；椖恐?，將乙醇添加為ATJ-SPK燃料的生產(chǎn)原料，并將混合比例從30%提高到50%；其另一合作項目是以廢棄物為原料生產(chǎn)的乙醇轉(zhuǎn)化為SAF，預計產(chǎn)能可超3萬噸/年，已獲得歐盟H2020計劃的2000萬歐元資助。Gevo公司的在建項目通過使用Retamix公司Plantrose工藝，將纖維素原料轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)糖類，再使用Gevo公司的GIFTTM技術將糖類轉(zhuǎn)化為醇生產(chǎn)ATJ-SAF。
3.2.4.2 甲醇-二甲醚-加氫制煤油路徑
甲醇-二甲醚-加氫制煤油路徑分為三步：將甲醇轉(zhuǎn)化為二甲醚（DME），然后將DME轉(zhuǎn)化為C6-C10的烴類，再將烴類進行加氫反應等后處理。甲醇Primus綠色能源公司的專利STG+技術將甲醇合成和甲醇制汽油（MTG）工藝組合成一個工藝。通過改變催化劑和操作條件，STG+工藝還可生產(chǎn)噴氣燃料、柴油和其他高價值化學品。該技術可將超過35%的合成氣或超過70%的天然氣轉(zhuǎn)化為液體燃料，是工業(yè)上轉(zhuǎn)化效率的最高記錄，如能成功取得適航認證并實現(xiàn)量產(chǎn)，有望使可持續(xù)航空煤油突破生物質(zhì)原材料的供應上限。
3.2.4.3 醇類氧化-烷基化-加氫制煤油路徑
醇類氧化-烷基化-加氫制煤油路徑分為三步：將醇類部分氧化或直接利用木質(zhì)素生產(chǎn)羰基和醛基化合物，再利用烷基化反應延長碳鏈，最后將中間產(chǎn)物加氫脫氧生產(chǎn)航空煤油。北京化工大學譚天偉團隊將ABE發(fā)酵液（丙酮-乙醇-丁醇混合物）通過烷基化反應鏈增長為C8-C15酮類，再加氫脫氧生成鏈烷烴，該技術路徑尚未實現(xiàn)取證及量產(chǎn)。
3.2.5 催化熱解合成煤油
催化熱解合成煤油（CH-SK或CHJ）技術路徑于2020年通過ASTM D7566標準批準，混合容量限制高達50%。它以植物或動物脂肪、油脂和油作為原料，首先催化裂解為低碳芳烴和低碳烯烴，再通過C-烷基化反應將其轉(zhuǎn)化為煤油范圍的芳烴，最后通過加氫反應定向轉(zhuǎn)化環(huán)烷烴。中國科學技術大學李全新團隊利用生物油催化熱解合成航空煤油的芳烴和環(huán)烷烴組分，其以C9-C14為主的環(huán)烷烴產(chǎn)品可滿足航空燃料基本要求。
3.2.6 加氫加工碳氫化合物、酯類和脂肪酸合成石蠟煤油
加氫加工碳氫化合物、酯類和脂肪酸合成石蠟煤油（HHC-SPK或HC-HEFA SPK）于2020年獲得ASTM D7566標準批準，混合體積限制高達10%。用于該路徑的原料包括生物來源的碳氫化合物、游離脂肪酸和脂肪酸酯等。與HEFA-SPK路徑類似，HHC-SPK路徑是直接對原料加氫脫氧，生產(chǎn)符合煤油范圍的烴類。
3.2.7 糖發(fā)酵加氫生產(chǎn)異石蠟
糖發(fā)酵加氫生產(chǎn)異石蠟（HFS-SIP）于2014年獲得批準，混合體積限制為10%。它利用細菌等生物發(fā)酵方法，在無氧或有氧環(huán)境下將糖類轉(zhuǎn)化為煤油范圍內(nèi)的碳氫化合物，再進行純化和加氫處理。
3.2.8 CO2加綠氫“電轉(zhuǎn)液”制液體燃料
CO2加綠氫“電轉(zhuǎn)液”制液體燃料（Power-to-Liquid，PtL）將電力（通常是來自可再生能源）和CO2轉(zhuǎn)化為合成燃料，是一種正在開發(fā)的制備SAF的技術路徑。其步驟可被分為：
（1）電解水。太陽能或風能等可再生能源為電解槽提供能源，利用電解過程將水分解成氫氣（H2）和氧氣。
（2）將CO2與H2在通過逆水煤氣法或固態(tài)氧化物電解法，生成合成氣。
（3）合成氣經(jīng)過費托反應將合成氣轉(zhuǎn)化為合成燃料。
目前PtL技術仍處于發(fā)展階段，僅完成試驗生產(chǎn)，尚未取得ASTM批準，未來仍面臨著技術成本和規(guī)模的挑戰(zhàn)。由于在PtL的生產(chǎn)過程中，CO2被捕獲并重新利用形成循環(huán)，能有效減少全周期的碳排放，且可以通過現(xiàn)有的化石燃料基礎設施網(wǎng)絡如管道和加油站進行運輸和配送，采用“電轉(zhuǎn)液”制液體燃料路徑生產(chǎn)SAF被認為是減排效果最好的技術路徑。
國際航空運輸協(xié)會（IATA）發(fā)表的歐盟Refuel法案聲明中，要求到2030年，用于摻混的航空煤油的1.2%、2035年的5%、2050年的35%必須是通過PtL路徑制作的可持續(xù)航空煤油。隨著政策驅(qū)動與下游需求量的提升，在2025—2030年期間，PtL的成本有望通過規(guī)?；a(chǎn)而大幅降低，帶來更大范圍的使用。
航空業(yè)通過SAF進行減排的核心優(yōu)勢是效果顯著、應用便捷：其一，由于SAF的生產(chǎn)和使用過程更環(huán)保，能顯著減少航空業(yè)溫室氣體的排放，將全生命周期碳排放量減少50%～100%；其二，由于SAF與傳統(tǒng)煤油具有相似的性能，在現(xiàn)有的航空發(fā)動機中使用經(jīng)過認證的可持續(xù)航空煤油，無需對現(xiàn)有的航空基礎設施做出重大改變。
目前世界范圍內(nèi)對于SAF的生產(chǎn)和應用尚處于初期階段。截止到2023年，可持續(xù)航空煤油僅占全球所有航空燃料消耗量的不到0.1%。2022年SAF全球產(chǎn)量在較之前一年增加了2倍的情況下僅為約24萬噸。到2027年，目前擬投入建設的生產(chǎn)能力將僅提供噴氣燃料需求的1%～2%。
但伴隨著相關政策法規(guī)的出臺，SAF的生產(chǎn)與使用量預計將迅速增長。從產(chǎn)能端，截至2023年，美國及英國均已出臺相關政策及補貼方式，鼓勵其境內(nèi)可再生航空煤油產(chǎn)能的建設。從市場需求端，歐盟于2023年發(fā)布的在Refuel法案中對2025—2050年間于歐盟境內(nèi)飛行及駛離歐盟的航班的可持續(xù)航空煤油摻混水平進行規(guī)定，要求歐盟機場的SAF最低摻混率截至2025、2030、2035、2050年分別為2%、6%、20%和70%。其中，2030、2035和2050年應用PtL或E-Fuels路徑生產(chǎn)的SAF不得少于SAF總量的1.2%、5%和35%。
若將2023年預計消耗量以2019年為基準、以年復合增長率2.3%進行估算，至2050年消耗燃油量預計將達2056億gal。如全球航空業(yè)比照Refuel法案所規(guī)定摻混比例，則至2050年SAF需求量則可達1439億gal（見表3），約5447億L，該估算結(jié)果略高于IATA所預測的2050年4490億L需求量，原因可能是未充分考慮遠期視角中其他航空業(yè)減排路徑的減排效果，或全球航空業(yè)減排力度不及歐盟。
2023年 | 2030年 | 2035年 | 2050年 | |
航空煤油總消耗量 | 3595.75 | 4216.18 | 4723.86 | 6644.03 |
按Refuel法案強制SAF摻混比例使用量 | 3.60 | 252.97 | 944.77 | 4650.82 |
按Refuel法案PtL路徑SAF強制使用量 | 0.00 | 3.04 | 47.24 | 1627.79 |
在航空業(yè)技術未產(chǎn)生巨大突破前，預計SAF將成為國際航空業(yè)實現(xiàn)2050年凈零碳排放目標的最佳解決方案。但目前SAF的生產(chǎn)與使用尚處于發(fā)展初期，且SAF的成本與售價相較于傳統(tǒng)化石噴氣燃料仍缺乏競爭力。伴隨多國激勵與強制摻混政策的相繼出臺，預計將帶來密集的資本投入、技術的更新、成本的降低與產(chǎn)能的提振。在通過ASTM可持續(xù)航空煤油適航認證的7種技術路徑中，目前技術最成熟、在建項目最豐富的技術路徑為HEFA路徑，但HEFA路徑生產(chǎn)SAF受到上游原材料供給量的限制，僅能滿足2030年以前的小部分摻混需求。費托合成制SAF路徑及醇制油路徑如能成功實現(xiàn)量產(chǎn)，可突破上游生物質(zhì)原材料的限制并通過規(guī)?；@著降低成本。未來，以CO2加綠氫（PtL）路徑制作的SAF若能成功取得適航認證并實現(xiàn)量產(chǎn)，有望在將全生命周期排放量降低99%，同時通過規(guī)?；刂瞥杀?，或成為可持續(xù)航空的最終解決方案。
轉(zhuǎn)載自：化工好料到haoliaodao.com
來源：中國化工信息周刊
林海球