低碳燃料：通往净零排放的最后一公里-合成燃料对于航空和航运脱碳的作用

2025年2月 目录 词汇表 03 摘要 2.1航空业脱碳102.2航运业脱碳132.3德勤对航空业和航运业脱碳的展望15 3.释放合成燃料的脱碳潜力 3.1重大技术障碍有待克服183.2应对合成燃料的高昂成本243.3贸易连接供需27 4.行动呼吁 4.1推广低碳燃料所面临的挑战304.2未来展望31 附录1.氢能路径探索者（HyPE）模型简介33附录2.航空业与航运业效率提升情况的计算方法34附录3.生物燃料供应链中可持续原料可用性的计算方法35 尾注 作者38 联系人39 德勤可持续发展进程中心40 词汇表 摘要 此外，到2050年，氢能生产、燃料合成以及直接空气捕获共需要高达10,000太瓦时（TWh）的清洁电力供应，相当于2023年全球发电量的三分之一。这超出了目前全球可再生能源发电量，因此需要大幅提升可再生能源发电能力，幅度远超迄今所取得的进展。 到2050年实现温室气体净零排放需要社会进行根本性变革，从目前以化石燃料为中心的模式转变为高效、高度可再生和电气化的能源系统。 在一些难减排行业（如钢铁和化工），清洁氢能可以作为电气化的补充。但是，航空业和航运业脱碳需要比氢能和电力能量密度更高的低碳燃料，包括生物燃料和合成燃料。 尽管合成燃料是航空业和航运业脱碳的关键，但其仍处于早期应用阶段，几乎不受监管制约，成本也比化石燃料要高出许多。全球统一的监管框架对于航空和航运这些国际化行业开发合成燃料至关重要。如果没有公共支持，合成燃料的价格将继续比传统化石燃料高出两到十倍。这一高价主要由于低成本二氧化碳原料的供应有限，相关生产过程中难以避免的能量损耗，以及各行业对清洁氢能的竞争。此外，要实现合成燃料的充足供应，大量投资也必不可少，到2050年，每年平均需要约1,300亿美元。虽然这一数字相较于全球化石燃料的投资规模（2024年为1.1万亿美元）较为微小，但却与航空业和航运业的燃料总支出持平。全球贸易也是提升经济竞争力的一项不可或缺的重要手段。通过将成本最低的资源地与有限的可再生能源和气候中性二氧化碳资源的需求中心连接起来，全球贸易可以帮助缓解供需之间的地域失衡，提高整体经济效率，促进经济发展。 生物燃料作为一种即用型燃料，可以方便直接地用于现有内燃机和燃料基础设施，在短期内实现大量减排。然而，各行业对生产可持续生物质的有限原料的激烈竞争，阻碍了生物燃料的大规模应用。因此，从长远来看，氨、甲醇和合成煤油等合成燃料预计将成为主要使用的低碳燃料。 德勤全球使用数据驱动和基于模型的量化分析进行展望研究，探讨了合成燃料作为实现航空业和航运业脱碳的关键推动因素的采用情况。在该展望中，航空业的二氧化碳排放量在2030年前将不再增加，到2050年将减少约75%，而航运业到2050年则几乎实现净零排放，减排95%。这些减排成绩主要得益于增效措施以及低碳燃料的采用，尤其是合成燃料。合成燃料在当前能源组合中的占比微乎其微，到2030年也只扮演边缘角色，在26艾焦耳燃料消耗中占1.6艾焦耳。尽管如此，德勤预计合成燃料到2050年将成为航空业和航运业的主要能源来源，在燃料消耗中约占16艾焦耳。 合成燃料的成本效益仅仅是航空业和航运业实现脱碳目标所面临的众多技术挑战中的一环。虽然航空业脱碳不需要对基础设施或发动机进行重大改造，但航运业脱碳则意味着未来需要使用甲醇和氨等多种燃料。这就要求在转型期间继续使用现有基础设施，同时研发新型燃料补给技术、发动机解决方案，并建设配套加注基础设施。由此看来，脱碳相关的技术挑战不仅仅局限于能源供应方面，还有更深层次的技术变革和发展。 达到这样的合成燃料供应水平需要约1.5亿吨可持续氢能以及7亿吨气候中性二氧化碳。这是一项重大的工业和技术挑战，因为清洁氢能行业仍处于起步阶段，二氧化碳捕获技术也还未得到大规模发展。 总而言之，航空业和航运业逐步淘汰化石燃料可能需要价值链上的各参与方着眼长远，携手合作： 全球实现净零排放的机会窗口稍纵即逝，航空业和航运业还几乎完全依赖化石燃料。尽管挑战重重，但通过有针对性的政策制定以及关键供应链参与方之间的协调行动，这些行业仍可以实现从化石燃料的转型。这种合作将为人类开启一条清洁、可持续的发展道路，共建一个支持全球脱碳、倡导公正转型、促进经济公平发展的未来。 •政策制定者扮演着关键角色，他们负责营造启动转型的初始条件，构建必要的监管框架，并持续提供前进动力。他们应通过制定国家和行业战略提高政策透明度，通过掺混指令等机制创造需求，并通过低碳燃料补贴来减轻供应链参与方的经济负担，从而推动购买。从长远来看，持续不断地完善政策指令并提供经济支持将是确保顺利转型的关键。 •国际组织具备理想的条件，能够通过制定通用的规则框架，支持协调一致的全球能源转型。通过实施严格的认证体系，支持预定和索赔（Book and Claim）机制，这些组织能够促进价值创造，从而推动合成燃料在全球范围内的采用。统一和通用的规则定义有助于避免碳泄漏或套利行为。 •面对日益增长的合成燃料需求，燃料供应商应借助早期投资以及与上游参与方的合作，积极确保低成本的可持续能源原料供应，尤其是清洁氢能和气候中性二氧化碳。在合成燃料价值链的建设阶段，他们可以通过掺混生物燃料，从而支持相关技术的发展和必要基础设施的完善。 •飞机制造商和船舶制造商应调整其产品以满足可持续发展需求。这意味着需对飞机和船舶发动机进行改造，以使其分别能使用高比例掺混合成燃料以及氨和甲醇等新燃料。此外，他们还应通过研发投资开发增效措施，并将其纳入生产流程，以降低燃料成本和二氧化碳排放量。 •机场和港口管理机构在推广合成燃料的过程中起着至关重要的作用。这些机构通过部署必要的加注基础设施及保障燃料的持续供应，为合成燃料的应用打下坚实基础。对于机场而言，此过程无需开发全新的专门基础设施；然而，对于港口来说，则需发展多燃料兼容的基础设施。 •航空公司和航运公司处于能源转型的中心，作为桥梁将上游参与方与终端消费者紧密相连。通过推广可持续的货运和差旅服务，这些公司可以引领技术应用、规模采购低碳燃料，并促进各供应链参与方协同进步。此外，一旦他们在经营活动中实施增效措施，就能立即在短期内在降本减排方面实现显著成效。 1.实现净零排放需要大量的低碳燃料 然而，炼钢和水泥生产等重工业需要电气化以外的解决方案，至少在高温加热和工业原料需求方面是如此。3,6此外，大多数重型运输设备，尤其是在航空业和航运业，都需要高能量密度的燃料，这使得它们难以实现电气化。6,7,8 要将全球温升控制在1.5°C以内，就必须在2050年前实现温室气体净零排放。1 鉴于能源消耗和工业流程占全球二氧化碳排放的80%以上，2必须要对整个能源系统进行全面脱碳。为此，一项基本要求是从当前以化石燃料为中心的模式转向高度可再生和电气化的能源系统。3现有的相关研究强调，电气化、大规模可再生能源开发以及效率提升是实现脱碳的关键技术解决方案。4 因此，就需要通过清洁来源（低碳电力电解或有减排措施的化石燃料）生产的氢能作为补充，助力实现大幅减排。例如，氢能可用作初级炼钢的还原剂，用作生产其他分子（如合成燃料和化学产品）的原料，或用作生产热能和电力的能源。 图1展示了全球与能源相关的二氧化碳排放情况，以及主要经济行业的脱碳措施。部分行业，如建筑和轻型公路运输，几乎可以完全依靠电气化来实现脱碳。这些电力全部来自水能、风能和太阳能等可再生能源。5 生物柴油、生物煤油和生物乙醇等形式的生物燃料是从植物生物质、农业残留物甚至藻类等有机材料中提取的可再生燃料。16这些燃料在燃烧时释放出的二氧化碳，要么被生物质在生长阶段所吸收，要么被自然排放。17其生产过程中没有产生其他排放，生物燃料因此被认为是碳中性燃料。这种封闭的碳循环有助于减缓大气中二氧化碳的净增加，使生物燃料成为一种有吸引力的可持续替代燃料。然而，可持续生物燃料的供应有限，因此需要其他燃料作为补充，尤其是在航空业和航运业。18 除生物质和沼气以外，清洁氢能在重工业中也有重要的脱碳潜力。它能克服电气化的缺陷，帮助重型公路运输行业实现脱碳。然而，由于能量密度较低，氢不太适合用作航空燃料或船用燃料，因为飞机或船舶上的大多数设备都需要在小体积的燃料箱内产生较高的能量密度。因此，这些重型运输行业的脱碳将依赖低碳燃料——生物燃料和合成燃料，此等燃料与化石燃料的特性相似，但却是以低碳原料制得。 航空和航运作为两大最“难减排”的行业，每年各排放约10亿吨二氧化碳（1 GtCO2/年，11,12约占全球二氧化碳排放量的6%13）。作为重要的温室气体排放源，这两大行业的脱碳尤其具有挑战性：钢铁和化工等行业可以通过将生产转移到清洁能源丰富的地区，14然后进口终端产品来控制排放；15但航空业和航运业的排放却无法转移，飞机在全球各地飞行，船舶在全球各地航行，直接向大气排放温室气体。因此，它们无法像其他行业能进行供应链优化，只能迎头解决排放问题。这就必须采取多方面的措施，包括提高飞机和船舶的效率、优化物流，以及最重要的，使用生物燃料和合成燃料等更清洁的燃料取代传统的化石燃料。 合成燃料是以氢为原料，通过化学反应生产的液体或气体燃料。如果使用低碳原料（包括氢气）和能源进行生产，那么这些燃料可被视为传统石油产品的清洁替代品，能够减少运输部门的二氧化碳排放。在合成燃料中，氨、甲醇和合成煤油被广泛认为是最有希望助力航空业和航运业实现脱碳的解决方案。19,20氨可以通过哈伯-博施反应从氢气和环境中的氮气生成（见图2）；21合成甲醇和合成煤油分别由二氧化碳和氢气通过甲醇合成反应和费托合成反应合成。22 利用数据驱动和基于模型的方法，德勤展望以科学视角预测了低碳燃料的发展。在调研分析中，我们具体采用了自有的氢能路径探索者(HyPE)模型（见附录1）。这是一个针对新兴氢能和低碳燃料市场进行技术经济分析的先进模型，已经过学术同行评审，其研究结果已在知名科学期刊上发表。24,25, 26德勤构建的情景，基于国际能源署27和政府间气候变化专门委员会（IPCC）1等的长期展望，并完全符合巴黎协定将全球温升控制在1.5°C以内的目标。在这一情景中，我们假设存在良好的地缘政治环境，稳定高效的金融体系，以及为实现140多个国家设定的净零目标而采取果断的政策行动。 尽管氨中不含碳元素，碳氢化合物（如甲醇和合成煤油）的燃烧会产生二氧化碳排放，这些二氧化碳又可用于这些燃料的生产合成。如果这种二氧化碳产自生物源，23或是经过化学工艺（如直接空气捕获，DAC）直接从空气中捕获，那么就可以被认为是低碳燃料甚至气候中性燃料。在这些情况下，燃料燃烧排放的温室气体会在碳循环中被捕获的/生物源二氧化碳所抵消。 总之，具有高能量密度的低碳燃料（例如生物燃料和合成燃料）对于实现最难消减部门的去碳化至关重要。他们可作为电气化和氢能的补充，助力那些难减排行业实现脱碳。 在此背景下，本报告旨在探讨低碳燃料要想蓬勃发展并为实现气候中性做出重要贡献所需满足的条件。因此，这一情景假设可作为公共和私营部门战略决策的“指南针”。同时，它也有助于监控低碳燃料市场的建设进程，识别出领导人需要解决的监管、经济和技术上的差距。但这一情景不应被视为最有可能实现的未来结果。 但是，未来的低碳燃料市场及其兴起却在关键的技术选择、燃料发动机组合以及这些燃料及其原料的来源方面面临着多种不确定性。低碳燃料相对容易运输，也就极有可能显著影响并重塑未来能源贸易，因此很有必要对燃料供应路径进行前瞻性评估，从而最大化这些燃料的整体潜力。 在本报告中，德勤预测并展望了低碳燃料的未来发展，以及其在净零情景下对于航空业和航运业实现脱碳的作用。 2.最后一公里脱碳：航空业和航运业 效率提升和行为改变都能迅速带来显著的燃料节约，因此对于减少碳排放具有重要作用。但是，这些措施并不能完全消除二氧化碳排放，实现气候中性还是需要将传统化石燃料替换成低碳燃料。 航空业和航运业脱碳依赖于类似的战略和行动举措。 首先