值得关注的气候技术：可持续航空燃料

Climate-Tech看:可持续的航空燃料 汉娜尔|2022年10月 可持续航空燃料（SAF）将在实现拜登总统到2050年实现零碳航空业的目标方面发挥最重要的作用，但必须在扩大生产和降低成本方面取得重大进展。 关键的外卖 ▪商用航空占全球二氧化碳（CO2）排放量，如果不采取减少排放的政策，到2050年排放量将增加两倍 。 ▪航空业可用的脱碳选择很少，而且成本高昂。电池和液氢燃料等技术远未为这种应用做好商业准备。 ▪SAF是一种由可持续原料制成的喷气燃料，已经以有限的商业规模提供。它可以在现有飞机上使用，以在短期内遏制排放，而无需对飞机设计和基础设施进行重大更改。 ▪最广泛使用的SAF类型由废油和脂肪制成，面临着严重的原料限制。美国和全球正在取得进展，以证明其他途径的商业可行性。 ▪最近实施的措施，如对可持续航空燃料生产的税收抵免，将鼓励扩大规模并降低成本，但雄心勃勃的目标仍然遥不可及。 ▪要实现这些目标，联邦政府需要大幅增加研究、开发和示范（RD&D）投资，以及持续的行业领导地位和国际合作。 itif.org 内容 它是什么?3. SAF的角色过渡到清洁能源3 类型的saf4 原料与生产途径比较5 全球进展7在美国进步7 关键政策问题8期待9 尾注9 它是什么? 可持续航空燃料（SAF）是由可持续原料生产的喷气燃料，通常是废物资源、可再生生物质和捕获的碳。它的 碳足迹比化石燃料低得多，被认为是一种“即用型”燃料，这意味着它可以与其他燃料类型混合，以减少航空排放 ，而无需对飞机设计或现有基础设施进行任何改变。 SAF的角色过渡到清洁能源 2018年，商业航空估计占全球二氧化碳排放量的2.4%。随着航空旅行恢复到大流行前的水平和增长率，特别 是在发展中国家，预计到2050年，航空业的排放量将增加两倍。 航空业是最难减排的行业之一。2电池和液氢燃料等技术远未为这种应用做好商业准备-由于在飞机上储存液氢等挑战-并且不太可能为大型或长途飞行提供动力。（请参阅表1。SAF已经在商业规模上以适度的数量提供，如果成本下降和生产能力增加，可能会提供一种利用现有飞机设计和基础设施遏制排放的方法。国际航空运输协会（IATA）估计，到2050年实现净零排放所需的减排量中，多达65%可能来自用SAF取代传统喷气燃料3。 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 通勤 电动或 电动或氢 燃料电池和/或SAF 电动或 电动或 电动或 电动或 ▪9-19席位 ▪<60分钟的航班 SAF 氢 燃料电池 氢 燃料电池 氢 燃料电池 氢 燃料电池 氢 燃料电池 ▪<1%的工业有限公司2 和/或SAF 和/或SAF 和/或SAF 和/或SAF 和/或SAF 表1：低碳和零碳技术可在商用航空中部署的地方4 区域 ▪50-100个席位 ▪30-90分钟的航班 ▪~3%的工业有限公司2 safsaf 电力或氢燃料电池和/或SAF 电力或氢燃料电池和/或SAF 电力或氢燃料电池和/或SAF 电力或氢燃料电池和/或SAF 电力或氢燃料电池和/或SAF 短途 ▪100-150个座位 ▪45-120分钟的航班 ▪~24%的工业有限公司2 SAF甚至一些氢 氢和/或SAF 氢 氢和/或和/ SAF SAF SAF 或 safsaf 中程 ▪100-250个座位 ▪60-150分钟的航班 ▪~43%的工业有限公司2 safsafsafsaf SAF甚至 一些氢 SAF甚至一 些氢 SAF甚至一 些氢 长期 ▪250个座位 ▪150分钟的航班 ▪~30%的工业有限公司2 safsafsafsafsafsafsaf 虽然与化石燃料相比，SAF提供了显着的减排量，但它并非完全没有排放。它最终需要与其他航空业的低碳和零碳技术相结合，以实现净零排放，或者与直接空气捕获相结合以抵消残余排放。 类型的SAF SAF生产途径由原料、生产过程和生产的燃料类型定义。美国材料与试验协会（ASTM）已经批准了七种用于航 空的生产途径，还有更多途径正在开发中。大多数途径被批准可与传统喷气燃料混合高达50%的燃料5。 1.气化和费(气体/英尺):Gas/FT途径采用含碳材料，如城市固体废物（MSW），并将其分解成氢气和一氧化碳，形成合成气（合成气）。然后将合成气化学转化（使用众所周知的一组FT反应）成称为合成石蜡煤油（SPK）的液体生物燃料。SPK与传统喷气燃料的不同之处在于它不含对燃料性能至关重要的芳烃或硫化合物，因此需要与其 他燃料类型混合6。 a.权力液体(PtL):液体动力是Gas/FT途径的一种变体，它使用水、捕获的CO2和可再生能源来生产液体燃料。可再生能源用于通过电解从水中制造氢气，并使用FT反应合成氢气和CO2到fuel.7 2.气体/英尺+芳烃:该途径与第一种途径类似，但燃料经过进一步加工以产生含有芳香族化合物的碳氢化合物混合物。由此产生的燃料称为SPK/A。与第一种途径中生产的SPK不同，SPK/A的成分与传统喷气燃料相似8。 3.Hydroprocessed酯和脂肪酸(HEFA):基于HEFA的燃料由废油和脂肪制成，这些废油和脂肪经过氢气处理以产生SPK.9 4.Hydrocarbon-HEFA(HC-HEFA):SAF也可以由一种微藻以与HEFA途径类似的过程产生。目前限制为10%的混合。 5.Alcohol-to-jet(AtJ):在AtJ途径中，农业废物通过脱水和低聚转化为酒精，然后转化为喷气燃料，这是一种将分子连接在一起形成液态碳氢化合物燃料的化学过程。目前，只有异丁醇和乙醇是AtJ的批准原料;但是，也可以用甲醇生产喷气燃料11。 6.催化Hydrothermolysis(CHJ):CHJ使用催化水热反应器将清洁的游离脂肪酸（FFA）（废物或能源油加工的产物）转化为碳氢化合物。然后用氢气处理碳氢化合物，以生产成分与化石基喷气燃料相似的液体燃料12。 7.合成Iso-Paraffins(SIP):SIP是一种生物过程，其中酵母用于将糖发酵成液体燃料。目前，混合比例限制为10%13。 比较的原料和生产途径 不同类型的可持续航空燃料的成本、减排潜力、成熟度和原料可用性差异很大。表2总结了已批准途径的原料选 择和减排潜力。 表2:总结SAF通路 减排潜力 2050 通路 原料 2020年投影 气体/英尺和天然气/英尺+芳 城市固体废物、农业和森林废物以及木质纤维素作物 3-4.5x 2-3.5x 85–95% 烃PtL 捕获的有限公司2和氢 3-9x 1-2.5x 高达99%的14 HEFA 植物和动物脂肪,油和油脂 好几次 2x 33–84% HC-HEFA 油从藻类 没有数据 没有数据 没有数据 农业和森林废物、木质纤维素作物和工业 AtJ 3-4.5x 2-3.5x 26–67% 气体 成本与化石燃料的历史平均水平 CHJ 植物和动物脂肪,油和油脂 没有数据,没有数据没有数据 SIP糖作物没有数据没有数据63-64% SAF的当前和预计成本取决于生产途径。HEFA是目前最便宜的途径，产生的产品成本约为传统喷气燃料的2至3倍 。然而，由于它已经在大规模生产，预计未来几十年只会有轻微的成本降低。其他途径目前的成本约为传统燃料的3至4.5倍，但到2050年它们应该赶上HEFA。事实上，目前在所有SAF途径中生产成本最高的PtL很可能是最便宜的选择（如果氢气和低碳电力的成本迅速下降的话）15。 使用每种途径可以生产的燃料量主要取决于原料。HEFA主要使用脂肪，油和油脂（FOG）生产，否则这些脂肪 ，油和油脂（FOG）将被浪费，面临着最大的限制。这些废物是有限的，重型运输等其他部门与航空业竞争。图1显示，美国每年只能用FOG生产约8亿加仑（约占国内商用喷气燃料市场的4%）SAF。 其他生物燃料途径（如气体/FT和AtJ）的原料受到的限制较少。MSW、农业和林业残渣以及工业气体每年可用于生产多达109亿加仑的SAF，相当于美国航空燃料市场的约52%。 PtL为原料限制提供了更强大的解决方案，因为低碳电力的供应和捕获的CO2能远远超过SAFdemand.17吗 图1:美国potential18SAF生产 林业残留 脂肪,油和油脂 工业气体 城市固体垃圾 农业残留物 01234567 每年几十亿加仑 使用SAF可以实现的减排量还取决于使用哪种原料。HEFA具有最大的减排潜力;与传统喷气燃料相比，由FOG生产的燃料可以减少多达84%的排放;而棕榈油或大豆油基燃料只能减少33%至55%的排放量。使用气体/FT途径生产的SAF可节省85%至95%的温室气体（GHG）.19尚未对PtL燃料进行全生命周期评估，但一些初步估计表明它们可以减少高达99%的排放.20 与其他SAF途径相比，AtJ燃料通常具有更高的生命周期排放量，减排量在26%至67%之间。SIP途径提供了约63%的温室气体减排;然而，这一途径的主要原料是甘蔗等可食用作物，这可能会干扰当地的粮食安全并导致额外的间接排放21。 喷气燃料燃烧产生的凝结尾迹是航空影响气候的另一种方式。在飞机巡航高度的低温下，水蒸气与喷气发动机废气中的烟尘颗粒相互作用，形成冷凝痕迹。根据美国宇航局的建模，SAF可以将羚羊的形成减少50%至70%22。 全球进展 航空业是一个全球性产业，需要国际合作来实现净零排放。国际民用航空组织（ICAO）于2016年朝着这个方向 迈出了第一步，引入了一个旨在稳定净CO的全球系统。2工业排放。目前参与这一抵消国际航班排放的系统的国家有107个23。 SAF符合国际民航组织制度下的抵消条件。虽然SAF目前仅占大约 占全球航空燃油消耗量的0.05%，这一份额应该会增长.24仅在2021年，买家就宣布了20项新的承购协议，使全球总量达到53.25这些协议在其生命周期内代表了超过55亿加仑的可持续燃料，是2021年产量（约2600万加仑）的2，000多倍。 目前，几乎所有对SAF的需求都通过HEFA生产途径得到满足。芬兰生物燃料公司Neste将在鹿特丹和新加坡扩建炼油厂，到2023年成为全球最大的HEFASAF生产商。一旦完成，此次扩建将使Neste的年生产能力从3400万加仑（占全球商用喷气燃料市场的0.03%）增加到5.15亿加仑（占全球市场的0.5%）。 其他途径的研发投资也有所增加，特别是PtL。2021年，空中客车公司宣布与SAF+联盟合作，在加拿大以商业规模使用绿色氢气生产PtL。该集团的试验工厂于2021年开始生产，并计划于2025年进行全面示范项目.28荷兰公司SkyNRG计划到2027年在阿姆斯特丹完成PtL设施.29 在美国的进步 2021年，白宫发起了可持续航空燃料大挑战，这是政府范围内的一项承诺，即到2030年将SAF的年产量提高到每 年30亿加仑，到2050年满足100%的需求。能源部（DOE）、交通部（DOT）和农业部（USDA）之间的谅解备忘录（MOU）正式确定了大挑战，并得到了约43亿美元的新资金和现有资金的支持30。 作为大挑战的一部分，美国能源部生物能源技术办公室（BETO）授予 6470万美元的资金用于支持生物燃料研发，以减少运输排放。该奖项包括向AlderEnergy提供300万美元 ，用于开发先进的热解技术，将生物质转化为SAF，并向国家可再生能源实验室提供280万美元，用于降低从玉米秸秆中生产可发酵糖的成本和排放。 拜登政府推进SAF的努力得到了强大的行业支持;美国每家主要航空公司都已承诺购买SAF。美国联合航空公司处于领先地位，承购协议总额约占全球航空燃料需求的2.3%.32该航空公司宣布了2021年迄今为止最大的购买协 议，涉及15亿加仑（或 全球市场的1.4%）来自总部位于华盛顿的桤木燃料公司.33联合也成为第一个 航空公司成功运营全SAF动力航班，机上乘客，确定超过目前50%混合限制的可行性34 美国航空公司