2024电制可持续航空燃料 (e-SAF) 在实现净零排放中的作用研究报告

我们航空专项工作组进行的研究的关键发现 作者：新能源联盟 2024年9月 合作 序言 应对气候变化的需要将要求所有经济部门，包括航空旅行，进行大规模减排。航空领域正在开展多项活动以推动这种减排，并拥有一系列支持性技术。特别是，国际民用航空组织（ICAO）制定了《国际航空碳抵消与减排计划》（CORSIA），该计划使参与方能够通过碳抵消或使用可持续航空燃料（SAF）来减少排放。 在多种可持续航空燃料（SAF）路径选项中，由捕获的二氧化碳和绿色氢气¹生产的e燃料，因其潜在的规模可扩展性，将具有接近零的生命周期排放，有望在ATAG、IATA和ICAO制定的航空业脱碳路线图中发挥重要作用。这些领先的航空权威机构和监管机构认为，SAF是实现2050年“净零碳排放”目标的关键贡献因素。 出于技术适用性的原因，目前所有SAF路径均受控于ASTM燃料规范，其与化石燃料的混合比例最高限制为50%。因此，需要了解如何实现100% SAF的使用——从而完全无需与化石燃料混合。特别是对电燃料（其生产不受生物质原料可用性的限制）存在兴趣。理解电燃料的技术可行性、成本、部署、潜在限制以及其社会和环境影响（包括温室气体减排）是多领域正在进行的持续研究课题。 本报告重点介绍了新能联盟通过其一个由罗尔斯·罗伊斯牵头、空客、达飞轮船和道达尔能源做出重要贡献的工作组所开展的相关工作，分析工作由咨询公司ERM进行。 目录 8 如何达到100% 100%即插即用e-SAF可行性生产分销基础设施经济温室气体排放 14电子燃料类别概述 15 16 SAF将在航空业脱碳化（尤其是到2050年）中发挥关键作用，但也面临若干挑战。 根据国际能源署（IEA）的数据，航空运输产生约800Mt的二氧化碳排放量（2022年），这约占全球人为温室气体（GHG）排放量的2%至3%。 重要的是要指出，自1990年以来，国内航空交通增加了四倍，但由于机队燃油效率提高了50%，航空排放仅增加了两倍。 2Source: IEA (2023)https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/co2-emissions-in-aviation-in-the-net-zero-scenario-2000-2030图1：CO航空领域的净零排放情景，2000-2030年，每年以百万吨计许可证：知识共享署名 4.0协议 国际民航组织（ICAO）预计，由于航空旅行需求的增加，未来二十年航空业二氧化碳排放量将增长。 为应对此挑战并实现航空业到2050年的“净零碳排放”目标，正在探索若干互补性措施：用最新一代飞机更新现有机队、提高运营效率、为下一代飞机进行技术创新、碳抵消与移除，以及...可持续航空燃料（SAF）。人们普遍认识到，SAF在短期内和长期内都将在此行业的脱碳进程中发挥关键作用。 国际航空运输协会（IATA）估计，生物航油（SAF）可为航空业实现2050年净零排放所需的减排量贡献约65%，然而，这需要生产量大幅增加。 预计到2030年代，随着政策支持走向全球化、可持续航空燃料（SAF）相对于化石航空煤油的经济竞争力增强以及可信的碳抵消方案日益稀缺，将迎来最大程度的加速。 2023年，SAF产量翻了一番，达到超过6亿升（0.5兆吨），较2022年的3亿升（0.25兆吨）有所增长，但全年航空燃料消耗量仍不足0.2%。 什么是SAF？ 可持续航空燃料，通常缩写为SAF，一般是指为航空设计的可再生燃料。目前的SAF供应与化石衍生喷气燃料相比，平均可减少生命周期二氧化碳排放的80%。 可持续航空燃料（SAF）可由可再生原料制成，例如生物废弃物（来自农业、食品、废弃烹饪油和动物脂肪等行业等）("生物-SAF")。它还可以通过捕获二氧化碳（来自点源或直接从空气中捕获）并与绿氢结合生产烃类("电-SAF")来生产。将SAF与一定体积的化石来源喷气燃料混合后，可直接用于现有飞机而无需任何改装——所得混合燃料是一种“即插即用”的低碳燃料（符合JET A/A-1规格，例如符合ASTM D1655和Def Stan 91-091标准）。 为遵守 CORSIA 或当地法规（例如欧洲的 ReFuelEU Aviation），可持续航空燃料 (SAF) 必须满足某些“可持续性标准”，这些标准旨在确保 SAF： ● 全生命周期温室气体排放量更低（与CORSIA下的化石燃料基准值89克二氧化碳当量/兆焦耳（gCO2e/MJ）相比，至少低10%，或与ReFuelEU Aviation下的94 gCO2e/MJ相比，至少低70%） ● 其原料并非粮食作物，且生产过程不会促进土地开垦/森林砍伐、土壤肥力下降或生物多样性丧失。 要被视为“航空燃料”，可持续航空燃料（SAF）必须满足ASTM D7566中规定的燃料合规性测试要求。此外，混合SAF燃料混合物还必须满足基于ASTM D1655/DEF STAN 91-091的质量保证测试。 在可持续航空燃料（SAF）领域，ASTM国际在制定商业航空中可持续航空燃料的生产、混合和使用标准及规范方面发挥着关键作用。 该组织为生产商提供了一个清晰的框架，以开发并扩大其生产流程，同时确保燃料符合严格的质量和性能标准，以保证与现有飞机、发动机和燃料基础设施的兼容性。 ASTM已认证几种生产SAF的途径，主要途径如下（此处为详尽清单）： ● 水处理酯和脂肪酸（HEFA-SPK）：该工艺涉及对废油、动物脂肪和植物油等原料进行水处理，以生产航空煤油组分。截至目前，这是最成熟的工艺路线，在美国、欧洲和亚洲已建立生产装置。 ● 酒精制喷气燃料合成石蜡基航空煤油（ATJ-SPK）：ATJ-SPK是通过将乙醇或异丁醇等酒精，通过一系列化学工艺转化为喷气燃料而制成的。这些酒精可以由允许的法规下，从富含葡萄糖的农业资源（如甘蔗、玉米等）的发酵中生产，或来自生物废弃物和残渣。首批商业化酒精制喷气燃料装置最近已开始运营。 ● 福特-特罗普斯合成石蜡基航空煤油（FT-SPK）：FT-SPK是通过福特-特罗普斯合成工艺生产的，该工艺涉及将合成气（主要是CO和H2的混合物）转化为液态烃。合成气（简称“syngas”）通常通过生物质和废物的气化获得，但也可以通过CO2和H2的催化反应生成。目前，该生产路线的全球产能非常有限。 聚焦电子安全 (diànzǐ ānquán) e-SAF是一种可持续航空燃料，通过将大气或工业点源捕获的二氧化碳（CO2）与来自可再生或低碳电力的氢气（H2）进行合成过程生产而成。 安全认证：主要优势与挑战 可持续航空燃料对于减少航空领域的温室气体排放、实现能源来源多样化、支持循环经济以及帮助该行业实现环境目标至关重要。然而，为了实现广泛应用，原料供应、生产成本和政策支持等挑战需要得到解决。通过提高原料供应能力和降低成本，研发工作正在持续进行，以使可持续航空燃料成为该行业更可行的解决方案。 目前，所有SAF路径均受限于相关ASTM标准中定义的最多50%的化石航空煤油混合比例。为满足行业脱碳目标，未来必须突破这一限制。需要了解如何实现100% SAF，包括e-SAF。 要完全兼容现有飞机和基础设施（即“即插即用”），可持续航空燃料（SAF）必须在化学上与传统化石燃料相当。 如今，SAF的混合成分主要通过HEFA-SPK途径以石蜡烃为主，而ASTM喷气燃料规范中要求的芳香烃含量（最低8%体积）来自于混合燃料中的化石成分。根据化石混合成分的特性，实际上实现50%的SAF混合比例可能具有挑战性。密度和芳香烃含量都是潜在的限值特性示例。 为克服这一限制并最终实现完全合成的可持续燃料（“100% SAF”），有两种方法可行： ● 飞机和加油基础设施将进行调整，以兼容低芳烃或无芳烃的燃料（因其需要新的燃料规范，故称为“100%非直接替换型可持续航空燃料”）。 行业目前正并行探索这两种选择。 根据大多数SAF生产场景的提示，生物SAF的供应将受可持续原料供应的限制，因此需要电子SAF来补充生物SAF的行业目标。 和发：27万吨（8%）；先进原料：156万吨（47%）；废气：9万吨（3%）；电力制液：139万吨（42%） 图 5：愿景性 & 侵略性技术视角。来源：ATAG & ICF 情景3 https://atag.org/industry-topics/climate-action - https://aviationbenefits.org/media/167495/fueling-net-zero_september-2021.pdf 在此背景下，并认识到其局限性，联盟研究专注于了解100%即插即用e-SAF的可行性与潜力。 100%即插即用式电子安全可行性 我们的研究确定了三种生产100%即插即用e-SAF的路线：直接添加芳香烃、添加替代芳香烃*——具体如图所示： 生产 在这三大主要类别中，我们的研究确定了若干条在技术准备程度和开发者活跃度方面表现突出的100%可替代性电子航空燃料（e-SAF）生产途径——请参见表格。ERM公司采用其内部技术经济模型，对每条途径的平准化生产成本和温室气体排放进行了评估。 分销基础设施 对航空燃料（SAF）或其组分在运输、储存和分销环节的成本和温室气体（GHG）排放进行了比较，比较的路径包括直接路径（“D”）、石蜡和芳香族（或芳香族替代物）组分的混合路径（“AS”）以及纯石蜡燃料路径（“P”），并考虑了水运或管道运输方式。ERM研究中为这些选项模拟的基础设施步骤如图所示： 这些情景是在2030年和2050年评估的，考虑了在这些时间点预期用于交通和配送基础设施的投入的成本和温室气体强度。由于非替代性纯石脑油燃料的推广预计将受到技术和监管准备情况的限制，因此这些途径的专用基础设施很可能仅在2030年后才会开发，因此Pwater和Ppipe配送方案仅在2050年进行了评估。 请注意，此处所述的基础设施止于机场附近的燃料储存仓库。若需将100%非滴入型石蜡燃料从仓库输送到飞机，则需要投入大量进一步的努力来构建供应链，而滴入型燃料则可以利用仓库与飞机之间的现有基础设施。 经济学 对于研究所考虑的情景和假设，运输和分销基础设施相关的成本相对于其生产成本来说很小——有关水路运输的示例如下。 图10：下游水路运输及基础设施成本。资料来源：新能联盟（2023）的ERM研究 这些分销成本被添加到选定路径的燃料生产成本中，以确定燃料“交付成本”，即机场燃料库的SAF成本。对于非滴入式石蜡成本，需要将机场内分离式分销基础设施的额外成本加上，这可能也会对温室气体减排和可接受性产生影响。 下表显示了水路运输的结果，其中考虑了“添加芳香烃”路线中的生物芳香烃。 ● 运输及基础设施成本（绿色部分）与燃料生产成本（粉色部分）相比很小。 ● 整体而言，一年内所有途径的交付成本相似，差异在误差允许范围内。 • 除了“直链路径”外，另一种选择是将芳香烃与石蜡基电子级航空燃料（e-SAF）混合。然而，当使用电子芳香烃替代生物芳香烃时，混合生产成本将高于上述成本。因此，在行业旨在开发更复杂的解决方案（如电子芳香烃）之前，采用生物芳香烃的整合可能是一个可能的初步步骤。• 实际上，在本研究框架内进行的芳香烃生产预测表明，如果生物合成气制（生物-SPK）和电子合成气制（石蜡基）（e-SPK）路线都需要外部芳香烃进行混合，那么到2050年，全球可再生芳香烃的供应可能不足以满足行业目标。可能需要更多地使用直链路径，或使用环烷烃等芳香烃替代品，或使用非直接替代的全石蜡解决方案。与其他用途（例如在化工行业）的可再生芳香烃的竞争也可能发生。 温室气体排放 图12所示芳香族化合物由生物质原料制成，其温室气体排放可能略高于e- SAF。例如，通过催化重整（CNR）从生物轻油制备的生物芳香族化合物和2G生物乙醇，其单位低热值（LHV）的CO2当量排放分别约为15 g