双碳政策下生物喷气燃料的发展展望

李晓彤，王树雷，李辉，郭江飞

（北京航空工程技术研究中心，北京 100076）

1 航空业碳排放情况分析

全球气候变化是人类迄今面临的最重大环境问题，也是21世纪人类面临的最复杂挑战之一。据《BP世界能源统计年鉴》，2000―2019年，全球二氧化碳排放量增加了40%，2019年高达343.6亿吨，严峻的减排形势使得未来全球各国温室气体可排放空间越来越小。中国作为发展中国家承诺将在2030年前实现碳达峰、2060年实现碳中和。受到新冠疫情影响，2020年全球总体能源消耗（以石油当量计）同比下降4.5%，但可再生能源的消费量和占比稳步上升，能源低碳化、去碳化的趋势持续加强[1]。具体见图1。

图1 2020年全球能源消费结构比例

航空业是经济社会中一个快速增长的行业。在全球气候变化的大背景下，航空业因使用化石燃料成为高空温室气体排放的主要来源。过去50年航空业CO2排放量约占全球总排放量2%，其中国际航空产生的排放占1.2%。2010年国际航空消耗约1.42亿吨燃油，产生约4.48亿吨CO2排放量。2019年国际航空业的CO2排放量超过了6亿吨。新冠肺炎疫情的爆发使2020年航空业的碳排放量减少到了2.8亿吨，但是2015至2050年整个行业的碳排放量预计将增加177%[2，3]。

国际民航组织设定“国际航空碳中和增长”战略（CNG2020），并制定一揽子气候行动计划，包括国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA）、空中航行效率提升、技术和运营基础设施改进和长期使用环境友好的可持续航空燃料油等。CORSIA主要是通过投资其他碳减排项目以中和在特定的旅程中飞机的碳排放量，现阶段以购买“排放单位”为主，只要求抵消排放量的增长，不是实际意义上的减排；空中航行效率提升、技术和运营基础设施改进重点在于提高能源利用效率，推进有效燃油管理、推行电动滑行技术及机场太阳能供电技术等，对于航空业整体减排的贡献有限；可持续航空燃料油如生物喷气燃料可降低全生命周期碳排放，且技术较为成熟，来源丰富。民航飞机的特点及现阶段的技术水平决定了氢能、电能、核能等在短期内无法在民航业运用与普及，而生物喷气燃料作为调合组分添加到传统燃料中，无需改变现有的飞机引擎及燃料系统，是在航空业能源低碳转型过渡期的最优选择。

2 生物喷气燃料现状

2.1 生物喷气燃料生产情况

2.1.1 工艺路线

生物喷气燃料的生产来源丰富、工艺路线众多。最新的生物喷气燃料规范ASTM D7566-20a版本中包含的合成烃组分已达7种，可与传统喷气燃料调合生产含有合成烃组分的航空涡轮燃料。所涉及的产品技术路线、主要供应商、原料、最大允许添加量和JFTOT试验温度如表1所示[3-5]。

表1 纳入ASTM D7566规范中的调合组分的工艺路线及特性

FT-SPK（费托加氢改质工艺生产的煤油组分）路线主要是将合成气转化为液体燃料，合成气来源除生物质外还有煤、天然气等，FT-SPK和石油基喷气燃料除芳烃含量外，大部分化学组成均十分相似[6]。FT-SPK中正脂肪烃含量较高，环烷烃含量一般不超过15%（w），芳烃含量和硫含量很低[7,8]。FT-SPK的优点在于其清洁性，与传统燃料相比在燃烧时排放的CO2约减少2.4%，颗粒物减少约50%～90%，SOx减少近100%。FT-SPK的最大允许添加量为50%（Φ）。

HEFA路线的原料来源多为动植物油脂，种类繁多，经加氢脱氧、加氢脱羧、异构化、裂化等一系列过程处理后得到HEFA-SPK（脂类和脂肪酸类加氢改质工艺生产的煤油组分）。该组分中的主要杂质为脂肪酸甲酯，含量不应高于5 mg/kg。与FTSPK类似HEFA-SPK，芳烃含量较低，其最大添加量也为50%（Φ）[9，10]。

SIP（发酵糖类加氢改质工艺生产的合成异构烷烃）路线的原材料为糖类，来自于蔗糖、甜菜、玉米、纤维素等[11]。首先通过糖类发酵、加氢等技术生产法呢烯C15H24，进一步加氢后可得法呢烷[12]。SIP由于法呢烷含量高达97%，且含有一定量的六氢金合欢醇，热安定性较差，最大允许添加量为10%（Φ）。SIP路线的优势在于投资较低，原料丰富，是具有经济性的路线[13，14]。

Sasol在FT-SPK的基础上开发了FT-SPK/A（含芳烃的费托加氢改质工艺生产的煤油组分），额外添加了含量不高于20%（Φ）芳烃组分，旨在解决大多数替代燃料芳烃含量过低而无法直接使用的问题[15]。Maurice等人认为确定合理的芳烃含量需要喷气燃料的双组分模型来预测燃料的烟点[16]，Bi等通过木质素催化解聚、烷基化制备了C8―C15生物芳烃（ABF），并进一步加氢制备了生物环烷烃（CABF），ABF和CABF均显示良好的冰点、黏度和净热值[15]；类似FT-SPK/A的高芳烃含量替代燃料理论上可直接使用，但因数据不足经评审后目前仍仅作为调合组分纳入ASTM D7566附录，最大允许添加量为50%（Φ）。

ATJ路线目前使用糖类发酵生产的乙醇和异丁醇作为原料，未来C2―C5醇均有望成为ATJ路线原料。醇类经脱水、齐聚、加氢、分馏等步骤生成烃类，但可用于喷气燃料的烃类组分较少。Prak等人报道了GEVO公司以异丁醇为原料的ATJ-SPK（醇类来源合成煤油组分）主要由两种支链烷烃组成，化学式为C16H34和C12H26[17]。Scheuermann等人还报道了含15.8%（Φ）芳烃的ATJ-SPK/A，其中芳烃来自于ATJ-SPK芳构化[18]。

CHJ（催化热解工艺生产的喷气燃料组分）工艺是通过废油净化得到洁净游离脂肪酸酯，再经脱氧、裂解、异构化、环化等过程后生成粗催化热解油，再经分馏获得产品。催化热解工艺的原料来源丰富，包括富含甘油三酸酯的大豆油、麻风树油、山茶油和桐油等。CHJ中的芳烃含量要求为8%～20%（Φ）（ASTM D1319法测定），且该组分所含的芳烃必须全部来自脂类和脂肪酸类的水热转化。CHJ组分的调合比例最高可达50%（Φ）[19]。

HC-HEFA SPK（烃类、脂类和脂肪酸类加氢改质工艺生产的煤油组分）路线由日本IHI公司主导研究，并与Honeywell UOP公司和戴顿大学合作申请纳入了ASTM D7566规范。目前HC-HEFA SPK的来源仅包括葡萄藻，经培养采收、细胞干燥和油脂提取后可获得粗海藻油，经进一步加氢裂化、脱氧、异构化、分馏等处理后可生产符合要求的喷气燃料调合组分HC-HEFA SPK，该组分的环烷烃含量较高，与常规喷气燃料的调合时其比例最高为10%（Φ）[20]。

此外，还有多种工艺路线待审核，部分如表2所示。生物喷气燃料的生产工艺路线众多，各路线的简要流程如图2所示。

图2 生物喷气燃料生产工艺简要流程

表2 部分ASTM D4054待审批的工艺路线

2.1.2 生物喷气燃料产能

近年来随着碳中和政策和航空业减排措施的不断推进，生物喷气燃料行业迅速发展。2021年以来，工业规模的生物喷气燃料生产项目逐渐增加，产能随之不断提高。多家公司纷纷宣布建立生物喷气燃料项目，例如在荷兰的Delfzijl项目，计划产量为每年10万吨；在美国，燃料乙醇和异丁醇供应商Gevo计划规模化生产ATJ；BP和Fulcrum BioEnergy正在内华达州建设一个以废物为基础的生物喷气燃料工厂；Neste公司宣布2023年起将扩展其新加坡工厂的生物燃料产能至450万吨/年。据欧盟《目标2050》预计，到2030年欧洲生物喷气燃料产量将达到200万吨，其中70%通过HEFA路径生产；到2050年生物燃料产量将增长到1 300万吨，整个生物燃料供应链在欧盟循环经济战略下会得到进一步优化，全生命周期CO2减排量超过95%。由于当前政策中的大多数国家未强制要求使用生物喷气燃料，且生物喷气燃料价格竞争力较弱，工厂通常不独立生产。就HEFA路线而言，尽管各种加氢植物油工厂可以提供大量HEFA，但目前大多用于生产更具价格竞争力的生物柴油。在全球范围内，加氢植物油的年生产能力超过500万吨，若得到政策支持，其中一部分可能会转向生物喷气燃料。

2.1.3 生物喷气燃料应用情况

为保证飞行安全，生物喷气燃料在应用之前须进行适航验证。美国联邦航空局（FAA）和欧洲航空安全局（EASA）建立的生物喷气燃料管理办法主要借助行业协会（如美国材料与试验协会（ASTM）等），采用技术标准的方式进行管理。适航管理部门通过飞机或发动机型号进行审定，将批准的生物喷气燃料技术标准列入飞机或发动机的型号数据清单中，使用时依清单选择合适的生物喷气燃料。FAA对于新型燃料的主要评估依据是ASTM D4054，包括性能验证和标准审核两个部分，其中性能验证又分为燃料理化性能试验、材料特定性能试验、部件/台架试验及发动机试车四个部分；标准审核由FAA和发动机公司的技术专家对研究报告进行评估和审核，并提交ASTM投票通过后形成标准。我国没有ASTM类似的行业协会，生物喷气燃料的审定过程中将其视为航空器使用的“零部件”，采用技术标准规定批准书（CTSOA）的方式进行审定。国内适航部门制定了《含合成烃民用航空喷气燃料》（CTSO-2C701），从理化性能、特定性能、发动机台架和部分科目试飞四个方面验证生物喷气燃料，并规定其生产工艺和最低性能标准，该规定中采纳的试验方法为ASTM方法，国际接轨度较高[21]。生物喷气燃料的认证过程复杂、参与方众多、耗时长且投入高，一定程度上限制了生物喷气燃料的应用。

采用上述认证方法，目前多国的喷气燃料规范中允许将生物航煤作为调合组分添加至传统喷气燃料中使用。至2021年，ASTM D7566已包含7种路线生产的生物喷气燃料[22]。国内3号喷气燃料的最新规范GB 6537-2018中，批准纳入了FT-SPK及HEFA-SPK，以不超过50%（体积分数）的比例与传统喷气燃料调合后使用。

2007年英国Virgin公司首次在非运营商业航班中使用生物燃料，发展至今已有多家航空公司逐渐使用喷气燃料执飞定期航班；2015年奥斯陆建成了世界首个“生物喷气燃料机场”，每年可提供约250万升生物燃料。除商业航空领域，美军也积极使用生物燃料，完成了多型战机的生物燃料试飞工作，并计划在2025年将具有价格竞争力的生物混合燃料使用量达到总消耗量的50%。国内中国石化于2011年成功生产生物喷气燃料，该燃料于2014年获得适航批准，2022年通过RSB（Roundtable on Sustainable Biomaterials）认证，产品可进入国际市场。

由于生物喷气燃料价格远高于传统燃料，严重限制其应用。以成本最低的HEFA路径为例，生物喷气燃料的市场价格约为同期传统喷气燃料的1.9～2.8倍。IHS Markit估计，目前生物喷气燃料的消耗约为每年15万吨，不到喷气燃料总消耗的1%[23]。当前，除挪威和瑞典有强制规定外，生物喷气燃料的使用非常有限。美国可再生燃料标准（RFS）下生物燃料总消耗量仅相当于美联航在加利福尼亚的传统喷气燃料消费量；欧盟也仅限于部分航空公司（如荷兰航空和北欧航空）生物燃料项目的消耗。

3 生物喷气燃料的全生命周期碳排放

生物燃料标准化产品温室气体平衡核算一直是个重点研究方向，全生命周期分析（LCA）是大多数研究人员用来定义可持续性的首选方法。然而受到LCA计算使用方法、原料类型和特性、系统边界、功能单元、混合比、工艺技术、处理副产品和直接/间接土地利用变化等因素影响，生物喷气燃料的全生命周期温室气体排放量差异很大。与喷气燃料相比，全生命周期CO2减排量在25%～95%之间[24，25]，如Ahmed等人模拟了第二代生物燃料的原料采购、生产和产品销售过程并计算了此过程中的碳排放，结果显示运输过程碳排放约占全部碳排放88.5%，其中生物质原料向炼厂运输过程的碳排放约占51.2%，成品油向市场运输过程的碳排放约占37.3%，说明生物喷气燃料全生命周期碳排放需考虑多重因素，包括炼厂的选址等[26，27]。

图3显示了不考虑替代燃料，仅考虑飞机技术、空中交通管理（ATM）和基础设施使用的改进情景下，航空业国际航班从2005年到2050年CO2排放量预测。以1 kg喷气燃料产生3.16 kgCO2计，该情景下2050年碳排放量较2020年碳排放量减少约1.039×109吨。可见仅飞机技术、空中交通管理（ATM）和基础设施使用的改进无法达到航空业减排目标[2]。

图3 2005-2050年间国际航线碳排放量预测

国际民航组织航空环境保护委员会（CAEP）预测了替代燃料（AJF）在2020―2050年间对降低全生命周期碳排放的贡献。CAEP计算时包括了9类替代燃料原料：淀粉作物、含糖作物、木质纤维素作物、油脂作物、农业废弃物、林业废弃物、废油脂、微藻和城市固废。CAEP提供的最终数据包括基于在各情景中不同类型燃料的贡献值得到的平均LCA值。图4和图5分别为国际航线中替代燃料消耗量和净CO2排放量的预测。

图4 2005-2050年间国际航线喷气燃料消耗预测（含替代燃料）

图5 2005-2050年间国际航线碳排放量预测（含替代燃料贡献）

CAEP的预测结果显示，在较强政策影响和较高生物质产能的示例情景下，净CO2排放量减少可达19%。2020—2050年间，基准碳排放量为不同情景下石油基喷气燃料总量与CO2排放因子3.16的乘积。替代燃料带来的CO2排放减少量按如下公式计算：

总排放＝3.16×（CJF＋AJF×（LCA_AJF/LCA_CJF）

其中CJF＝传统喷气燃料消耗量

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＝传统燃料全生命周期的等效碳排放量

以2020年的排放量为基础，若要在2050年实现碳中和，几乎需要完全使用替代燃料代替石油基喷气燃料，如图4虚线所示，同时积极革新技术提高航行效率。该情景中替代燃料未来的发展和使用将高度依赖政策和激励措施。通过分析假设，此情景下2050年替代喷气燃料完全取代石油基喷气燃料，净CO2排放量将减少63%。

喷气燃料排放因子由于航空运输用能结构长期单一性，单位能耗的CO2排放因子将长期保持稳定；唯一不确定的是生物喷气燃料技术的发展。生物喷气燃料本身的理化指标与普通喷气燃料基本一致，只是因为在原料生产过程中吸收大量CO2，所以从生命周期角度被认为是减少了碳排放，具体需取决于生产路线，生物喷气燃料最多可减少80%的CO2排放。一个年消耗25 000吨生物喷气燃料基地（混合比例2.5%）将减少碳排放约39 000～62 400吨。根据ATAG报告，生物喷气燃料在2020年前发挥的替代作用几乎为零，2038年前稳定在3.15吨CO2/吨喷气燃料的水平不变，未来的替代作用在2040年后才有所体现，详见图5。

4 结语

受碳中和政策的影响，政府和相关行业愈发重视生物喷气燃料在未来航空业中的减排作用，倡议未来航空公司在强制性系统的约束下将生物燃料混合到现有的燃料系统中。从长远来看，采用生物喷气燃料能有效降低航空业碳排放，是实现碳中和目标的重要途径之一。部分地区已经设定了生物喷气燃料的使用目标。目前生物喷气燃料价格约为普通喷气燃料的两倍以上，是当前难以广泛应用的最大挑战。生物喷气燃料的发展应综合考虑经济、政策和环境因素，扩大原料来源，优化技术路线，降低生产成本；此外，还应大量累积应用数据，建立数据库，优化生物喷气燃料的认证过程及管理模式，降低认证成本。