通过基于逆水煤气变换的费托合成法制备电可持续航空燃料：脱碳路径与经济前景

《Journal of Cleaner Production》：Electro-sustainable aviation fuel via reverse water-gas-shift based Fischer–Tropsch synthesis: Decarbonization pathways and economic prospects

电可持续航空燃料(e-SAF)生产通过逆水煤气变换-费托合成路径，分析不同CO2和绿氢来源组合的经济与环境效益，提出过程电激指数量化技术 electrification程度，并基于学习曲线预测未来技术竞争力，为CO2资源化与绿氢协同发展提供决策工具。

　　

作者列表： - Wonho Jung - Kwang Young Kim - Geun Bae Rhim - Young Eun Kim - Dong Hyun Chun - Kee Young Koo - Unho Jung - Yongha Park - Min Hye Youn

韩国首尔麻浦区白白云路35号，成刚大学C1天然气精炼研发中心，邮编04107

摘要

基于逆水煤气变换（RWGS）和费托合成（FTS）过程的电可持续航空燃料目前受到广泛关注，因其具有较低的二氧化碳（CO₂）排放量，并且能够利用多种原料产生的合成气。随着交通领域实现净零排放目标的日益重视以及对二氧化碳（CO₂来源的利用，优化哪些CO₂/H₂来源以整合到航空燃料生产过程中变得至关重要。本研究从经济和环境角度分析了各种工业CO₂和绿色H₂来源的潜在组合。研究采用了“从原料到最终使用”的边界条件，包括CO₂捕获过程的成本以及绿色H₂的经济问题。此外，定义了“过程电气化指数”来表示每种航空燃料生产组合的“电气化”程度。电气化指数越高，二氧化碳排放量减少得越多，但经济竞争力往往会下降。通过应用可再生H₂生产和二氧化碳捕获过程的学习型分析，预测了电可持续航空燃料生产技术的未来发展方向。本研究强调了电可持续航空燃料生产技术结合直接利用二氧化碳（CO₂）作为现有可持续航空燃料生产替代方案的潜力，并为探索未来发展策略提供了有力工具。

引言

将全球温度上升限制在1.5°C以下的紧迫需求凸显了到2050年实现净零排放的必要性，这是应对气候危机的关键措施（Davis等人，2018年；Rusmanis等人，2023年）。随着各个工业部门的脱碳战略逐渐成形，交通运输领域受到了特别关注（Khan等人，2023年；Anika等人，2022年）。预计到2050年，对航空燃料的需求将持续增长，因此需要采取有针对性的创新措施（Abrantes等人，2021年）。具体目标是在2025年前将航空燃料中可持续航空燃料（SAF）的比例提高到2%以上（O’malley等人，2021年；Bullerdiek等人，2021年）。这一比例预计到2050年将进一步提升至约85%。除了欧盟最近要求在航空燃料中加入SAF的政策外，人们还在努力提高SAF的经济和环境可行性（Chiaramonti，2019年）。目前，大部分SAF生产依赖于氢化处理的酯类和脂肪酸，这些原料通常来自废油和脂肪（Why等人，2019年）。然而，由于这些原料的生产效率较低，无法满足未来对SAF不断增长的需求，因此有必要探索和开发可持续替代燃料。这种积极主动的方法对于实现全球气候目标至关重要。

电SAF（e-SAF）生产策略的研究被视为满足未来需求的一种有前景的替代方案（Pio等人，2023年；Colelli等人，2023年）。e-SAF生产的一个显著特点是其在整个过程中对电力的高度依赖（Rojas-Michaga等人，2023年）。传统的e-SAF生产路径包括通过逆水煤气变换（RWGS）反应生成合成气，利用电力产生的绿色H₂，并从特定CO₂来源捕获CO₂（Marchese等人，2021年）。随后通过费托合成（FTS）获得燃料，这是一种电力转化为液体的技术（Dieterich等人，2020年）。多项研究评估了从特定CO₂或H₂来源生产e-SAF的情况。使用从纸浆厂捕获的CO₂通过RWGS-FTS过程生产e-SAF被认为具有显著的环境效益，但从经济角度来看，生产成本约为化石航空燃料的5-8倍（Pio等人，2023年）。最近的研究尝试了新的方法（Grim等人，2022年），例如直接电解CO₂生成CO，然后将合成气发酵成乙醇——类似于使用可再生H₂的过程。最后一步是通过催化乙醇升级获得航空燃料（Tao等人，2017年）。虽然这些e-SAF生产过程在减少二氧化碳排放方面表现出色，但要实现更低的生产成本，需要假设原料价格低于当前的实际情况。尽管这些e-SAF生产过程相比现有的基于生物量的SAF具有较低的二氧化碳排放优势，但它们面临着电力需求高和由此导致的H₂成本上升的经济挑战。在开发的e-SAF生产技术中，RWGS-FTS过程因接近商业化而脱颖而出，它利用的催化剂技术也接近商业化阶段。为了解决绿色H₂价格高昂带来的经济限制，必须探索和开发替代方案。以往的研究（Jung等人，2024a）强调了原料供应方法（特别是CO₂和H₂）对整个过程经济性的重大影响。因此，制定e-SAF生产技术的战略方法至关重要，需要考虑各种潜在的CO₂和H₂来源，以确保经济可行性和广泛采用。此外，还需要仔细研究CO₂和H₂来源的多样性及其价格可能的下降趋势，这些在以往的研究中尚未得到充分讨论。

人们普遍认识到二氧化碳捕获和储存（CCS）在将全球温度上升限制在1.5°C或2°C以下方面的关键作用（Wang等人，2011年；Bui等人，2018年）。在过去二十年里，人们广泛探索了多种二氧化碳捕获技术，以有效分离大规模排放源中的二氧化碳（Stéphenne，2014年；Kamijo等人，2013年；Jung等人，2023年）。在吸附、膜和化学循环等各种替代方案中，胺洗涤技术目前被认为是最具商业应用前景的（Rochelle，2009年）。国际能源署预计，如果二氧化碳捕获成本降至每吨30美元以下（Fernandez和Bennett，2020年），并且碳价格持续上涨，CCS过程将在2030年前实现商业可行性。重要的是，二氧化碳捕获成本与二氧化碳浓度密切相关，不同来源的二氧化碳捕获成本各不相同，例如燃煤电厂、天然气联合循环（NGCC）水泥和钢铁工业以及蒸汽甲烷重整（SMR）过程。每种来源的二氧化碳捕获成本和惩罚措施都有所不同，这突显了全面理解的必要性。此外，最近将直接空气捕获（DAC）作为二氧化碳来源之一进一步复杂化了这一领域（Zhu等人，2022年）。尽管已经了解了与每种来源相关的二氧化碳捕获成本和排放情况，但仍需进行综合研究，以探讨每种二氧化碳来源对e-SAF生产中RWGS-FTS过程的具体影响。

氢气（H₂）的生产包括现有的工艺，如蒸汽甲烷重整（灰氢生产）和带有CCS的蓝氢生产，这两种工艺都在商业规模上积极运行。然而，为了减少二氧化碳排放，利用可再生电力进行水电解生产H₂成为e-SAF生产中的关键要素（Ishaq和Dincer，2021年）。不同的技术，如碱性电解（AE）（Zeng和Zhang，2010年）、质子交换膜（PEM）（Ni等人，2008年）、阴离子交换膜（AEM）（Vincent和Bessarabov，2018年）和固体氧化物电解（SOE）（Hauch等人，2020年），虽然原理相似，但决定电力供应效率的关键变量各不相同。这些变量对H₂生产的总体能源需求起着重要作用。尽管目前绿色H₂的生产成本高于市场现行价格，但随着可再生能源成本的预期下降，H₂价格也有望降低（Jung等人，2024a）。因此，探索各种二氧化碳来源并确定最合适的H₂来源变得至关重要。此外，随着向绿色H₂生产转型的推进，需要一个全面的分析工具。该工具不仅要考虑当前的发展阶段，还要考虑未来的累计产能。这种方法对于预测e-SAF的未来价格动态至关重要，有助于理解当前技术进步和未来产能发展所塑造的经济格局。

在这项研究中，我们调查了e-SAF生产技术的经济和环境影响，重点关注RWGS和FTS反应的组合。我们的研究特别考虑了各种二氧化碳来源，包括燃煤电厂、NGCC、水泥工业、钢铁工业、SMR和DAC，以及全球正在开发的绿色H₂技术。为了全面评估e-SAF生产过程，我们将过程边界扩展到包括主要原料、二氧化碳（CO₂和氢气（H₂），并探讨了所有潜在的e-SAF生产技术途径。此外，我们引入了不同过程组合的过程电气化指数，以揭示e-SAF生产中的经济考量与环境影响之间的权衡。为了估算RWGS-FTS在e-SAF生产中的未来价值，我们进行了学习型分析，考虑了技术发展和学习率。在此框架内，我们确定了最具潜力的组合。这项分析旨在量化使用各种二氧化碳和氢气来源的e-SAF生产的环境和经济影响，强调了电气化和技术学习的作用。

技术假设

RWGS和后处理反应的技术假设

我们假设使用Ni/Al₂O₃作为催化剂的高温RWGS作为合成气生产方法，因为其长期稳定性和高转化率（Vidal Vázquez等人，2017年）。反应器的设计气体每小时空间速度（GHSV）在12 NL/g-cat·h范围内，操作温度为1073 K，压力为3 bar。单次通过转化率约为80%，CO的选择性达到99.8%。进入RWGS的原料经过调整以保持

能源效率与电气化指数

图2显示了RWGS-FTS过程的能源效率和电气化指数。图2a展示了热能分解情况。需要注意的是，图中包括了所有用于H₂生产和二氧化碳捕获的能量。在二氧化碳捕获技术中，基于吸收的煤炭、NGCC、水泥和钢铁工业的能源需求几乎相同。因此，图2a中示意了一个代表性的煤炭案例。此外，还增加了DAC案例，H₂生产代表了AE案例。

结论

本研究通过结合来自燃煤电厂、NGCC、水泥、钢铁工业、SMR和DAC等不同来源的捕获二氧化碳（CO₂，使用绿色氢气（AE、PEM、SOE、AEM）和捕获的二氧化碳（CO₂，评估了e-SAF的生产。分析考虑了二氧化碳捕获成本、间接二氧化碳惩罚以及H₂生产成本/排放，发现e-SAF的二氧化碳排放量远低于其他SAF选项，尤其是使用高浓度二氧化碳来源时，其中AE是目前最可行的氢气生产方法

CRediT作者贡献声明

Wonho Jung：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。 Kwang Young Kim：软件，方法论，调查，正式分析，数据管理。 Geun Bae Rhim：可视化，资源管理，调查。 Young Eun Kim：方法论，正式分析，数据管理。 Dong Hyun Chun：调查，正式分析，数据管理，概念化。 Kee Young Koo：方法论，调查

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国能源研究院（KIER）（项目编号C5-2436）的研究与开发计划以及韩国国家研究基金会（NRF）资助的下一代CCU技术进步项目的支持，该项目由科学技术信息通信部（Ministry of Science and ICT）提供资金（RS-2025-02219162）。