未来已来可持续航空燃料变革加速

2022-02-04李蕴中国航空工业发展研究中心

环球飞行 2022年11期

文/ 李蕴(中国航空工业发展研究中心)

近些年，全球民航业2050年实现碳中和的总路线逐渐明朗，欧美相关机构均制定了相应政策。在政策的引领下，可持续航空燃料在欧美的加速发展已成必然。我国航空运输业市场体量巨大，未来在新一轮能源变革中如何主动作为，为“双碳”工作做贡献，值得业内深入思考。

2022年6月，国际机场理事会与英国航空航天技术研究所联合发布了可持续航空燃料（SAF）最新白皮书，分析了SAF从原料生产，到加工、运输、储存各环节基本情况和面临的实际挑战，并给出可能的解决方案，旨在重申其环境效益，加速全产业链发展。

公开资料显示，仅2021年以来，欧美政府和企业使用SAF对飞机或发动机开展了至少13次测试，其中大部分为首次测试，全部获得成功。

SAF减排效果明显

美国国家可再生能源实验室（NREL）的SAF预处理工厂

SAF可由各种来源的燃料组成，如废弃油（地沟油）、农业废物、脂肪或城市垃圾等，通过物理、化学或生物技术分解原料并将其重新制成具有高热值的合乎标准的碳氢化合物，其具有传统航空煤油的相应特征，且可在现有航空燃料设备上使用而不需要进行大规模改造。

GREET（Greenhouse gases, Regulated Emissions, and Energy use in Technologies）是美国阿贡国家实验室开发的计算模型，该模型考虑了燃料从原料种植、开采到加工、使用等全生命周期温室气体排放过程，已被众多研究机构广泛使用，下图是美国能源部（DOE）采用该模型计算的不同燃料温室气体排放量。

可以看出，与石油基燃料相比（使用煤或天然气作为原料生产航空燃油的排放量要高于石油），SAF可在整个生命周期内减少50%～80%的温室气体排放，减排潜力巨大。目前，考虑到飞机的兼容性、耐久性和安全性等多方因素，一架飞机上SAF的使用比例最高为50%，各大航空公司与航空发动机公司正在开展各种研究，以使该比例达到100%。

SAF社会效益颇高

据美国能源部统计，美国每年可收集包括玉米、油籽、藻类、农业废物、林业废物、城市固体废物、废弃油脂、湿垃圾、能源作物在内的约10亿吨生物原料，如果将其全部利用起来，能够年产1900亿～2300亿升SAF，足以满足美国航空业的燃料需求，多余原料还可为其他行业提供低碳燃料或生产生物制品、可再生化学产品等。可见，SAF的价值不光在于减排，其对于经济发展与其他生态环境问题同样意义重大。

从经济发展来看，SAF将带来诸多裨益。一是SAF可提升农民收入。通过回收农业废物、种植能源作物，为SAF市场提供原料，可以增加农民在淡季的收入，同时减少土壤养分流失、改善土壤质量，一举多得。二是可以开辟新的经济增长点。发展SAF，可以从原料生产、原料精炼厂的建造与运营、相关配套设施建设等多方面创造经济增长点，将航空市场由“油厂”向“农场”转移，推动经济健康发展。三是可以提升就业率。据美国能源部 2019年数据，美国仅乙醇产业一项，就雇用了超过68000名工人，年生产能力近650亿升，大力发展SAF全产业链，将极大地拉动就业，保障民生。

航空燃料全寿命周期温室气体排放量（前5项均为SAF）

IATA计划内的SAF年产量与需求占比

从生态环境来看，SAF同样能带来可持续收益。一是可以改善生态。种植能源作物可以预防土壤侵蚀，改善水质，提高生物多样性，增加土壤有机物含量，提升土壤品质。通过从粪便和污水污泥等废物中生产SAF，可以减少垃圾对河流的污染，保护生态环境；二是减少有害物排放。相较于石油基燃料，SAF燃烧产生的芳香烃类排放物普遍更少，该类排放物可对人体造成多种危害，主要在飞机起降过程产生，意味着使用SAF可以减少机场周围的有害物含量，对机场工作人员和旅客的身体健康都有积极影响。

政策引领，美欧加速发展SAF

由于SAF产业带来的环境与社会效益明显，近些年，相关技术和标准逐渐成熟，尤其是随着民航业2050年实现碳中和的总路线逐渐明朗，欧美相关机构均制定了相应政策，在政策的引领下，SAF在欧美的加速发展已成必然。

在国际组织层面，2020年9月，世界航空运输行动小组（ATAG）发布了应对气候变化2050路线图，提到SAF将在长达30年的减排过程中扮演关键角色，且成本会持续下降。2021年10月，国际航空运输协会（IATA）各成员国一致通过关于2050年实现民航业净零碳排放的决议，提到要打破航空业对石油燃料的依赖，要求相关参与者扩大规模、降低成本，提供所需基础设施，将具有竞争力的SAF推向市场，扩大应用，计划在2050年将SAF年产量提高到4490亿升。

在国家和地区层面，美国于2021年发布了首个2050年航空业净零碳排放计划，其中一个重要行动项是全面使用SAF。此前，白宫曾宣布将推动美国到2030年SAF年产量不少于110亿升。欧洲也于2021年发布航空业净零碳排放路线图《目标2050》，其中提出“进一步扩大一架飞机上SAF的使用比例到100%”“制定长期激励政策等商业化行为降低SAF价格以扩大其使用规模”两项举措，加速发展SAF产业。英、法分别于2021年和2022年初提出了自己的航空减排战略，均提到将扩大SAF生产和使用规模并持续降低成本；德国提出到2030年年产至少2.5亿升合成电子煤油（SAF的一种）；丹麦提出到2030年国内航班全面使用SAF、电推进与氢动力。

因此，受大环境影响，航空公司与发动机公司都在加速发展SAF。以“SAF”“生物燃料”“可持续航空”作为检索词在各大航空企业和数据库检索，统计发现，近两年有关SAF的相关政策出台、科学研究、试验试飞等重要动向较前些年显著增多，越来越多的企业和机构开始参与这场能源变革。

短期挑战与最新突破

诸多优势背后，SAF的发展也面临着不少挑战。短期内，主要有以下两点：

一是价格昂贵。即使使用已经较成熟的加氢酯和脂肪酸（HEFA）法生产SAF，成本也是传统航空燃料的2～3倍，而客机的燃油成本占飞行成本30%以上，这势必会带来机票价格的上涨，给本就因疫情遭受重创的民航业带来新的威胁。虽然国家可能对使用SAF的航空公司给予一定优惠补助，但长远地看，相关企业还需进一步采用新技术不断压低价格，在充分商业化、市场化的基础上，配合国家政策的引导全面推广。

二是供应链不成熟、产能不足。从原料的提取、生产，到原料的运输、加工等全供应链发展尚未成熟。一些易获得的诸如玉米、大豆等农作物原料会占用大量耕地，威胁粮食安全，而采用工、农、林业废物作为原料又面临产量不足、标准不一等诸多难题。需要尽快建立成熟的生产、供应体系，统一行业标准。另外，引导相关机构增大投资力度，加快建设SAF加工工厂等相关配套设施，可以在扩大产能的同时，促进就业、拉动经济，确保供应链的尽快完善。

近期，美国能源部公布了其SAFFiRE项目的最新成果，项目团队由美国能源部生物能源技术办公室（BETO）、可再生能源实验室、乙醇技术公司D3MAX、西南航空、SAF生产企业LanzaJet、酶制剂生产商诺维信公司等单位共同组建，目的是将玉米秸秆等农业废弃物循环利用，建成一条低成本SAF生产线。该项目的关键处理过程在低温低压下完成，不产生有毒副产物，较其他方法更为安全可靠。此外，SAFFiRE可以利用美国已有的200多个乙醇处理工厂，无须大规模设计建造新设施。项目组专家已经在小规模试验中充分证明了该生产线的可行性，生产的SAF成本甚至还低于传统石油基航空燃料，且可减少84%碳排放。下一步，项目组计划用三年半的时间推进SAFFiRE的商业化，最终目标是在2040年达到年产265亿升。

值得注意的是，SAFFiRE项目由BETO和西南航空共同出资，结合了数个NREL前期和正在申请专利的最新科研成果（去乙酰化、圆盘精研等）、D3MAX公司的制糖与乙醇发酵技术、诺维信公司的水解酶等多种先进技术，在LanzaJet公司主导下生产的SAF最终交由西南航空使用。可见，SAFFiRE采用了美国最常见的政企联合的研发模式，由政府机构主导，在开展大量前期研究的基础上，将最新科研成果与企业已成熟可迅速商业化的专利、技术等有机融合，最终产品再交由投资方之一的西南航空使用。整个研发、生产、交付流程实现完整闭环，大大加速了项目进度，对之后的大规模生产和商业化有很大帮助。