全球航空业年均排放约10亿吨CO2当量，约占全球总排放的2.8％。在 “双碳”背景下，构建航空业脱碳体系、大力发展可再生能源在民航业的应用，已成为全球航空业重要的战略方向。简要论述了民用航空业的脱碳政策、现状、关键技术、存在问题及发展策略，发现航空业的可持续发展受制于其能源结构，面临严峻挑战，而可持续航空煤油是其中最有效、最可普及、最符合发展需求的减排方式。对可持续航空煤油的技术路径及其关键工艺进行详细论述，为民航业通过可持续航空煤油实现脱碳发展建提供方向引导。
穿越洲际的全球航空运输网络极大地扩大了商贸和文化交流的边际，提升了危机应对的速度和救灾能力。航空业作为经济与民生的重要构成主体之一，为全球经济活动创造了6550万个就业岗位和2.7万亿美元的产值，据预测该数据会在未来20年内实现翻倍。然而作为资源密集型行业，全球航空业年均排放约10亿吨二氧化碳（CO2）当量，约占全球总排放的2.8％，且航空业碳排放的年均增速远高于铁路、公路、航海运输业。在《巴黎协定》全球100余国家均积极应对全球气候变化挑战的宏观背景下，加快航空业能源结构转型、实现碳中和是人类永续发展的必然选择与构建人类命运共同体的集体承诺。受制于其能源结构，航空业的可持续发展面临严峻挑战。
在碳中和目标下，面对日益增长的航空业碳排放，国际航空协会（IATA）和国际民航组织（ICAO）及全球多个国家及地区积极推出各项减排政策。ICAO提出2035年碳净排放量不超过2019年排放水平85%的减排目标，其相应CORSIA机制将于2027年开始强制执行。中国多次出台交通运输领域的双碳指导意见、政策及行业规范，如《全面深入推进绿色交通发展意见》《“十四五”民航绿色发展专项规划》等，其中多次提及鼓励航空业应用可持续航空煤油。欧盟理事会规定，至2030年底，欧洲范围内温室气体排放量将较1990年减少不低于55%、可再生能源使用量须占欧盟能源使用总量的40%，且将从2026年起逐步削减国际航空业免费发放的EUAA，同时储备2000万份欧盟航空碳排放配额（European Union Aviationallowances，EUAA）用于鼓励使用生物质航煤的航司。
1990—2019年间航空业碳排放量持续增长，平均增速达2.3%，远高于铁路、公路、航海运输业。其中，航空客运运输领域的排放增速远高于航空货运领域。2019年全球航空运输业85%的碳排放来自旅客运输，达7.85亿吨CO2当量，相较于2013年增长了33%，年均复合增长率约5%，国际航线航班数量每年增加3%～5%。尽管受到新冠大流行影响，2020—2022年全球民航业罕见打破了连续数十年的客运量上涨趋势，但目前世界范围内国际民航业已基本摆脱新冠大流行和战争风险带来的影响，2023年上半年全球机队规模已恢复至疫情前的98%。由于航空客运仍是洲际交通的主要出行方式，这一部分客运需求难以被其他低排放交通工具替代，预计在未来航空客运量仍将伴随洲际交通需求持续增长，恢复到疫情前的运输及排放量增速。民航业排放量增长趋势与日臻严格的监管要求形成鲜明对比，因此民航业的碳减排具有迫切性。
航空运输业为实现2050年净零排放这一目标，可采取多种路径手段，其中主要路径为推动可持续空中交通管理部署节能型航空器、优化运营过程、使用航空器轻量化材料、使用新型动力碳抵消和碳清除等，详见表1。
表1 航空运输业主要减排路径
在过去10年间，全球航空业主要采用提升基建及运营手段的方式进行减排，几乎已达成国际民航组织所提出的至2050年间全球航空业每年效率增长2%的目标。以2013—2019年全球航空运输指标为对比，全球航班收入客公里数（RPK）提升50%，每架航班平均碳排放强度（RPK）下降12%，每收入吨公里（RTK）当量的平均燃油效率年均提高1.8%，详见表2。但面对每年保持增加6%～8%的客运量，上述基建及运营手段效率的提升对于航空业实现双碳目标的作用有限。
表2 2013与2019年全球航空运输指标对比
全球航空运输指标 | 2013年 | 2019年 | 增幅 /% |
全球客运离岗航班数 /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将上述航空业各项节能减排手段归纳为四项分类，并根据各类目对于2050年航空业全生命周期排放减排目标贡献值的分析做出占比预测。其中，通过基建及运营手段提升效率减排占比约3%，通过新的推进技术如电动和氢能源等新型替代能源占比约13%，碳抵消和碳捕捉等方式占比约19%，可持续航空煤油对航空业减排贡献占比约65%。
考虑到IATA对该比例的估算是基于民航业2050年实现碳中和全周期中各路径对于碳减排的远期贡献值，而氢能源飞机等减排方式受制于技术手段与基建部署难以量产使用，可持续航空煤油SAF在短期内对于航空业全周期减排的贡献预计将远超IATA所预测的65%这一比例，因此，可持续航空煤油被看作是最有希望助力航空业实现净零排放目标的减排手段。
传统航空燃料是由天然原油或其馏分油通过加工或者调和制得的航空燃料，包括航空煤油和航空汽油，目前国际上对可持续航空煤油（Sustainable Aviation Fuel，SAF）并未达成一致定义。
从成分角度定义，SAF是一种生产过程具有可持续性、与传统航空燃料具有相同特性的液态碳氢化合物。
从生产原料角度定义， SAF是一种以植物油、废弃油脂、农业和林业残渣、CO2、绿氢等可再生资源为原料生产的、与传统航空煤油具有理化一致性的航空燃料，可用于替代传统航空煤油。
从可持续性角度定义，CORSIA机制所认可的ISCC国际可持续发展和碳认证系统中规定，可持续航空煤油是在其生产的全生命周期相较于传统航空燃料起到减排效果的航空燃料。
目前符合美国民用航空局适航认证ASTM D7566标准可持续航空煤油的技术路径可按照原料和工艺流程分为七类，此外还有利用CCUS技术捕捉CO2与绿氢反应生产航空煤油的路径。上述路径所用原料包括废弃油脂、藻类、木质素类、生物油类、甲醇、乙醇、捕获的CO2与绿氢等。
3.2.1 脂肪酸酯和脂肪酸加氢
脂肪酸酯和脂肪酸加氢（HEFA）是指通过加工餐厨废油及生物油预处理所得的脂肪、油和油脂（统称为FOG）生产SAF的技术路径，该路径于2011年获得ASTM D7566标准批准，其掺混量上限为50%。该技术路径将脂肪、油和油脂等油料先加氢脱氧、再裂化和异构化生产SAF，技术较为成熟，已实现商业化应用。
采用餐厨废油（UCO）为原料生产的中国石化国产1号生物航煤已于2014年获得中国民用航空局航空器适航审定司颁发的1号生物航煤技术标准规定项目批准书，获得适航批准。但此类使用餐厨废油（UCO）为原料制SAF面临由于原料来源分散导致的收集、运输成本高昂且供应量受限的问题，预计未来无法通过规模化生产有效降低成本。
除餐厨废油（UCO）外，以生物油作为原材料加氢的HEFA路径制作工艺更具有工业化规模生产前景，其生物油原材料包括麻风树、山茶属植物、藻类生物燃料等。由于部分藻类的油脂含量占干重的25%～77%，显著高于富含油脂的陆生植物，藻类有望成为未来生物油加氢路径（HEFA）的主要生物质来源。
采用HEFA加氢路径制航空煤油的主要优势在于其生产工艺成熟，工艺成本低，所产出航空煤油十六烷值高，有效保障了成品航空煤油的热稳定性与能量效率；劣势是其生产、收集、运输过程成本高昂，且受制于原材料供应量的上限，仅能满足2030年前的SAF掺混需求。
3.2.2 费托合成制煤油
图1 费托合成产物的ASF分布
3.2.3 具有芳烃的费托合成煤油
具有芳烃的费托合成煤油（FT-SPK/A）于2015年获得批准，最大混合体积限制为50%。该工艺路线与FT-SPK的主要区别在于此路线允许一定量的芳烃掺混。
3.2.4 醇制煤油
3.2.4.1 醇类脱水-烯烃低聚-加氢制煤油路径
醇类脱水-烯烃低聚-加氢制煤油路径（ATJ-SPK)于2016年获得批准，其混合量上限为50%。该工艺路线利用的原料主要是玉米芽、草和秸秆等农业废弃物、纤维素等,及其他途径生产的乙醇和异丁醇。工艺路径分为三步：先将醇脱水转化为烯烃，再由烯烃低聚或齐聚生成航空燃料成分烃，最后加氢并分馏得到符合要求的ATJ-SPK燃料。
ATJ-SPK技术路径生产SAF目前可被视为在HEFA路径之后最先有望实现量产与商业化运用的技术路径。LanzaTech公司的ATJ-SPK路径规模化项目中，将乙醇添加为ATJ-SPK燃料的生产原料，并将混合比例从30%提高到50%；其另一合作项目是以废弃物为原料生产的乙醇转化为SAF，预计产能可超3万吨/年，已获得欧盟H2020计划的2000万欧元资助。Gevo公司的在建项目通过使用Retamix公司Plantrose工艺，将纤维素原料转化为优质糖类，再使用Gevo公司的GIFTTM技术将糖类转化为醇生产ATJ-SAF。
3.2.4.2 甲醇-二甲醚-加氢制煤油路径
甲醇-二甲醚-加氢制煤油路径分为三步：将甲醇转化为二甲醚（DME），然后将DME转化为C6-C10的烃类，再将烃类进行加氢反应等后处理。甲醇Primus绿色能源公司的专利STG+技术将甲醇合成和甲醇制汽油（MTG）工艺组合成一个工艺。通过改变催化剂和操作条件，STG+工艺还可生产喷气燃料、柴油和其他高价值化学品。该技术可将超过35%的合成气或超过70%的天然气转化为液体燃料，是工业上转化效率的最高记录，如能成功取得适航认证并实现量产，有望使可持续航空煤油突破生物质原材料的供应上限。
3.2.4.3 醇类氧化-烷基化-加氢制煤油路径
醇类氧化-烷基化-加氢制煤油路径分为三步：将醇类部分氧化或直接利用木质素生产羰基和醛基化合物，再利用烷基化反应延长碳链，最后将中间产物加氢脱氧生产航空煤油。北京化工大学谭天伟团队将ABE发酵液（丙酮-乙醇-丁醇混合物）通过烷基化反应链增长为C8-C15酮类，再加氢脱氧生成链烷烃，该技术路径尚未实现取证及量产。
3.2.5 催化热解合成煤油
催化热解合成煤油（CH-SK或CHJ）技术路径于2020年通过ASTM D7566标准批准，混合容量限制高达50%。它以植物或动物脂肪、油脂和油作为原料，首先催化裂解为低碳芳烃和低碳烯烃，再通过C-烷基化反应将其转化为煤油范围的芳烃，最后通过加氢反应定向转化环烷烃。中国科学技术大学李全新团队利用生物油催化热解合成航空煤油的芳烃和环烷烃组分，其以C9-C14为主的环烷烃产品可满足航空燃料基本要求。
3.2.6 加氢加工碳氢化合物、酯类和脂肪酸合成石蜡煤油
加氢加工碳氢化合物、酯类和脂肪酸合成石蜡煤油（HHC-SPK或HC-HEFA SPK）于2020年获得ASTM D7566标准批准，混合体积限制高达10%。用于该路径的原料包括生物来源的碳氢化合物、游离脂肪酸和脂肪酸酯等。与HEFA-SPK路径类似，HHC-SPK路径是直接对原料加氢脱氧，生产符合煤油范围的烃类。
3.2.7 糖发酵加氢生产异石蜡
糖发酵加氢生产异石蜡（HFS-SIP）于2014年获得批准，混合体积限制为10%。它利用细菌等生物发酵方法，在无氧或有氧环境下将糖类转化为煤油范围内的碳氢化合物，再进行纯化和加氢处理。
3.2.8 CO2加绿氢“电转液”制液体燃料
CO2加绿氢“电转液”制液体燃料（Power-to-Liquid，PtL）将电力（通常是来自可再生能源）和CO2转化为合成燃料，是一种正在开发的制备SAF的技术路径。其步骤可被分为：
（1）电解水。太阳能或风能等可再生能源为电解槽提供能源，利用电解过程将水分解成氢气（H2）和氧气。
（2）将CO2与H2在通过逆水煤气法或固态氧化物电解法，生成合成气。
（3）合成气经过费托反应将合成气转化为合成燃料。
目前PtL技术仍处于发展阶段，仅完成试验生产，尚未取得ASTM批准，未来仍面临着技术成本和规模的挑战。由于在PtL的生产过程中，CO2被捕获并重新利用形成循环，能有效减少全周期的碳排放，且可以通过现有的化石燃料基础设施网络如管道和加油站进行运输和配送，采用“电转液”制液体燃料路径生产SAF被认为是减排效果最好的技术路径。
国际航空运输协会（IATA）发表的欧盟Refuel法案声明中，要求到2030年，用于掺混的航空煤油的1.2%、2035年的5%、2050年的35%必须是通过PtL路径制作的可持续航空煤油。随着政策驱动与下游需求量的提升，在2025—2030年期间，PtL的成本有望通过规模化生产而大幅降低，带来更大范围的使用。
航空业通过SAF进行减排的核心优势是效果显著、应用便捷：其一，由于SAF的生产和使用过程更环保，能显著减少航空业温室气体的排放，将全生命周期碳排放量减少50%～100%；其二，由于SAF与传统煤油具有相似的性能，在现有的航空发动机中使用经过认证的可持续航空煤油，无需对现有的航空基础设施做出重大改变。
目前世界范围内对于SAF的生产和应用尚处于初期阶段。截止到2023年，可持续航空煤油仅占全球所有航空燃料消耗量的不到0.1%。2022年SAF全球产量在较之前一年增加了2倍的情况下仅为约24万吨。到2027年，目前拟投入建设的生产能力将仅提供喷气燃料需求的1%～2%。
但伴随着相关政策法规的出台，SAF的生产与使用量预计将迅速增长。从产能端，截至2023年，美国及英国均已出台相关政策及补贴方式，鼓励其境内可再生航空煤油产能的建设。从市场需求端，欧盟于2023年发布的在Refuel法案中对2025—2050年间于欧盟境内飞行及驶离欧盟的航班的可持续航空煤油掺混水平进行规定，要求欧盟机场的SAF最低掺混率截至2025、2030、2035、2050年分别为2%、6%、20%和70%。其中，2030、2035和2050年应用PtL或E-Fuels路径生产的SAF不得少于SAF总量的1.2%、5%和35%。
若将2023年预计消耗量以2019年为基准、以年复合增长率2.3%进行估算，至2050年消耗燃油量预计将达2056亿gal。如全球航空业比照Refuel法案所规定掺混比例，则至2050年SAF需求量则可达1439亿gal（见表3），约5447亿L，该估算结果略高于IATA所预测的2050年4490亿L需求量，原因可能是未充分考虑远期视角中其他航空业减排路径的减排效果，或全球航空业减排力度不及欧盟。
2023年 | 2030年 | 2035年 | 2050年 | |
航空煤油总消耗量 | 3595.75 | 4216.18 | 4723.86 | 6644.03 |
按Refuel法案强制SAF掺混比例使用量 | 3.60 | 252.97 | 944.77 | 4650.82 |
按Refuel法案PtL路径SAF强制使用量 | 0.00 | 3.04 | 47.24 | 1627.79 |
在航空业技术未产生巨大突破前，预计SAF将成为国际航空业实现2050年净零碳排放目标的最佳解决方案。但目前SAF的生产与使用尚处于发展初期，且SAF的成本与售价相较于传统化石喷气燃料仍缺乏竞争力。伴随多国激励与强制掺混政策的相继出台，预计将带来密集的资本投入、技术的更新、成本的降低与产能的提振。在通过ASTM可持续航空煤油适航认证的7种技术路径中，目前技术最成熟、在建项目最丰富的技术路径为HEFA路径，但HEFA路径生产SAF受到上游原材料供给量的限制，仅能满足2030年以前的小部分掺混需求。费托合成制SAF路径及醇制油路径如能成功实现量产，可突破上游生物质原材料的限制并通过规模化效应显著降低成本。未来，以CO2加绿氢（PtL）路径制作的SAF若能成功取得适航认证并实现量产，有望在将全生命周期排放量降低99%，同时通过规模化效应控制成本，或成为可持续航空的最终解决方案。
转载自：化工好料到haoliaodao.com
来源：中国化工信息周刊
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