基于现有产能和扩张计划，美国燃料使用在接下来10年的生命周期温室气体排放量及碳强度预测

《Sustainable Energy & Fuels》：Life cycle greenhouse gas emissions and carbon intensity of U.S. fuel use and projection for the next 10 years-based on built capacity and expansion plans

本研究分析美国通胀削减法案等政策对生物燃料产能扩张的影响，预测到2035年产能达3.8艾焦耳，减少179百万吨温室气体排放，重点在航空和柴油领域，但面临原料不足和政策不确定性挑战。

　　美国在推动可再生能源发展方面采取了多项措施，其中2022年的《通胀削减法案》（Inflation Reduction Act）为生物燃料生产提供了新的激励机制。该法案引入了“45Z”清洁燃料生产税收抵免政策，取代了之前的“40A”和“40B”激励措施。这一政策的实施是继2005年的《能源政策法案》中设立的可再生燃料标准（RFS）以及2007年该标准的扩展之后的重要一步。与此同时，一些州如加利福尼亚州、俄勒冈州和华盛顿州也推出了各自的清洁燃料信用政策。此外，联邦机构，如美国能源部，通过研究和开发资金支持了替代燃料技术的进步。

随着对生物燃料行业的兴趣日益增长，市场需求也随之扩大。然而，对于先进的生物燃料和低碳的电子燃料（e-fuels）实现盈利仍然面临一定挑战。因此，本研究旨在追踪美国在未来十年内替代燃料生产能力的扩张计划，并评估其对温室气体（GHG）排放的影响。通过分析已建成的产能和行业公布的未来扩张计划，本研究与那些使用模型预测能源技术变化及其相关GHG影响的研究相辅相成。然而，模型预测未来技术的能力常常受到批评，认为其在成本和新技术潜力方面存在高估或低估的问题。

本研究聚焦于可持续航空燃料、可再生柴油、乙醇、生物柴油和可再生天然气（RNG）等生物燃料技术。通过使用设施级数据，我们进行了从下到上的分析，将生物燃料的生产路径与Argonne R&D GREET模型中相应的路径和参数化方式联系起来。研究结果表明，到2035年，生物燃料的产能可能达到3.8艾焦耳，从而潜在减少美国GHG排放约179百万吨，涵盖整个生命周期。这相当于到2035年，交通运输和工业部门的排放分别减少20%和5%，或整体经济排放减少3.6%。

尽管美国的生物燃料生产能力正在扩大，但与燃料需求相比，其产能仍然有限。关于激励措施的持续性和扩展性存在不确定性，这可能会抑制产能增长的速度。然而，展示替代燃料的商业潜力并推动新技术的学习曲线，可能会在未来几年加快产能扩张的速度。本研究为生物能源相关利益相关者提供了有价值的见解，突出了生物燃料技术在美国能源系统和排放减少方面的贡献，基于生产者的计划。

生物燃料的生产技术涵盖多种转换路径，将生物质/原料转化为液体和气体燃料。乙醇主要通过发酵从富含糖分和淀粉的作物中获得，但木质纤维素生物质也可以通过预处理、酶解和发酵转化为乙醇。虽然玉米乙醇是一种成熟的生产技术，但从木质纤维素原料中生产乙醇仍是一个新兴路径。脂肪酸甲酯（FAME）生物柴油是通过酯化反应将三甘油酯油（如大豆油、菜籽油、玉米油和动物脂肪）与甲醇结合，通常使用碱性或异质催化剂，产生甘油作为副产品。该过程相对温和，适用于商业生产。

可再生柴油和可持续航空燃料（SAF）的生产主要通过氢处理酯类和脂肪酸（HEFA）路径。可再生柴油和HEFA衍生的可持续航空燃料是通过氢处理脂类原料（如使用过的烹饪油、动物脂肪、植物油）进行氢脱氧、氢异构化和温和的加氢裂解，随后对可再生柴油和可持续航空燃料进行切割和分馏。许多氢处理设施可以调整产品分配，以满足市场需求和规格要求。可持续航空燃料也可以通过其他路径生产，包括费托合成（FT）、酒精到航空燃料（ATJ）、催化水热解到航空燃料（CHJ）等。

在国家层面，可再生天然气（RNG）主要通过厌氧消化（AD）和生物沼气升级生产，包括垃圾填埋场气体、畜禽粪便、食品废弃物和废水污泥的处理。厌氧消化过程中，微生物在无氧条件下分解有机物质，产生沼气，其中主要为甲烷和二氧化碳。通过去除二氧化碳和其他杂质，可以将沼气升级为符合管道标准的RNG，其甲烷含量与化石天然气相当。

多项研究提供了对美国生物燃料生产能力及近期扩张计划的部分信息，但尚未有全面的生物燃料供应数据，涵盖不同燃料类型和终端使用部门。大多数文献集中在短期和有限的生物燃料类型上，尤其是生物柴油和可再生柴油。因此，需要更新之前的研究以反映最新的情况。最近的研究显示，生物柴油和可再生柴油的生产能力在2022年到2025年之间有所增加，部分设施正在从传统石油炼制向可再生燃料转型，如菲利普66的旧金山炼油厂和马拉松的马里诺炼油厂。

生物燃料的生产技术涵盖多种原料和转换路径，包括乙醇、生物柴油、可持续航空燃料、可再生柴油和可再生天然气。本研究通过分析生产者的计划和潜在原料使用，估算生物燃料生产能力的扩张趋势。结果表明，到2035年，生物燃料的生产能力可能达到3.8艾焦耳，其中大部分来自第一代和废弃物原料，这可能将美国的GHG排放减少179百万吨，对交通运输部门的影响尤为显著。尽管如此，生物燃料的生产能力仍与整体燃料需求相比有限，这表明在2035年之后仍有进一步增长的机会。

本研究还关注了不同原料的使用趋势。例如，到2035年，预计需要约62百万干吨的木质纤维素生物质，包括农业废弃物和森林残余物，以满足生产4.3亿加仑生物燃料的需求。这一数字占2035年BT23报告中预计的217百万干吨木质纤维素生物质的约29%。尽管目前的设施主要使用第一代或废弃物原料，但投资于木质纤维素生物质的利用技术对于未来生物燃料产能的扩大至关重要。

在技术方面，可持续航空燃料的生产利用了多种原料和转换过程，包括HEFA、气化与费托合成、电力制液体（PtL）和ATJ路径。虽然HEFA是目前的主要生产路径，但ATJ等技术在中期具有增长潜力。乙醇作为一种可行的原料，可以用于ATJ路径，促使部分乙醇设施转向可持续航空燃料的生产。值得注意的是，LanzaJet于2024年1月在美国佐治亚州启动了全球首个ATJ可持续航空燃料生产设施，预计第一年可生产9百万加仑的可持续航空燃料和1百万加仑的可再生柴油。

从国家层面的能源需求和排放减少潜力来看，本研究基于不同场景下的能源使用情况，评估了生物燃料的使用对整个经济的潜在影响。例如，到2035年，生物燃料预计可以替代约5.6%的传统燃料使用，相当于总燃料需求68艾焦耳中的3.8艾焦耳。这可能对交通运输部门的排放产生显著影响，预计减少150百万吨二氧化碳当量（MMT CO?e）的排放。在工业部门，电气化、低碳电力电网和能效提升是主要的GHG减少措施，而生物燃料预计可减少15 MMT CO?e的排放。商业和住宅部门的GHG减少主要来自于低排放电力、电气化和能效提升，生物燃料预计分别减少8.4和2.8 MMT CO?e的排放。

总体而言，生物燃料的使用在减少GHG排放方面具有重要潜力，但其影响还涉及水消耗、土地使用、标准空气污染物排放等其他环境指标。未来的研究将重点探讨这些方面。此外，本研究强调了在实现未来能源目标的过程中，政策和市场机制的协调作用。通过公开的扩张计划和行业数据，本研究为政策制定者提供了重要的参考，以推动生物燃料的进一步发展，同时关注其对能源安全和国内经济的贡献。