基于CO2与绿氢的电力可持续航空燃料（e-SAF）集成Power-to-Liquid（PtL）概念设计：SOEC水循环、e-SAF定向转化与1133 $/kL平准化成本

《Journal of CO2 Utilization》：Conceptual process design for producing electro-sustainable aviation fuel (e-SAF) from carbon dioxide and green hydrogen

　　

研究人员提出了一种由二氧化碳（CO₂）和绿氢生产电力可持续航空燃料（e-SAF）的概念工艺设计。固体氧化物电解池（SOEC）水循环可实现高效绿氢生产。CO₂和H₂完全转化为e-SAF范围烃类。通过强化循环回路实现e-SAF聚焦生产。产品冰点为?48.16 °C，满足Jet A-1国际标准。e-SAF平准化成本为1133 $/kL；原料占成本的68.8%。

研究人员针对航空燃料需求增长和碳排放问题，指出国际航空运输协会（IATA）提出2050年航空业净零碳排放目标，并估计可持续航空燃料（SAF）可贡献约65%减排。废食用油（WCO）加氢路线受原料可用性限制，生物质可持续航空燃料（bio-SAF）也面临土地、水和粮食竞争。电力可持续航空燃料（electro-sustainable aviation fuel, e-SAF）通过Power-to-Liquid（PtL）路径，利用捕获CO₂和绿电电解水制H₂，资源效率更高，所需土地仅为bio-SAF的十分之一至二十分之一，耗水少400–15,000倍。技术上，PtL经逆水煤气变换（reverse water gas shift, RWGS）将CO₂转化为CO，再与H₂形成合成气进入费托合成（Fischer-Tropsch, FT）；低温费托（LTFT）有利于生成C₃₀₊长链石蜡富集合成原油。已有集成RWGS-FT研究存在未转化CO燃烧排放、碳利用率低，或FT反应器采用固定转化模型不能准确描述动力学等问题。因此，研究人员利用Aspen Plus? 14.0开发了从捕获CO₂和绿氢制e-SAF的集成过程模型，包含合成原油合成段与e-SAF精炼段，并开展过程性能、技术经济分析（techno-economic analysis, TEA）与生命周期评价（life cycle assessment, LCA）。结论显示，该过程可实现e-SAF定向生产，e-SAF产率为0.323 te-SAF/tCO₂和2.277 te-SAF/tH₂，产品冰点?48.16 °C，满足Jet A-1标准，基准平准化成本为1133 $/kL。该研究意义在于提出无需柴油副产物的e-SAF技术路线，提高碳利用率，为航空业脱碳提供概念设计依据。

关键技术方法（不超过250字）：研究人员采用Soave–Redlich–Kwong（SRK）热力学方法，在Aspen Plus?中建立RWGS、FT、烯烃加氢、加氢裂化（hydrocracking, HC）、异构化和蒸汽重整（steam reforming, STR）等单元模型。RWGS采用Xu et al.的Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson（LHHW）动力学；FT采用Lox et al.的Hougen-Watson模型及Anderson-Schulz-Flory（ASF）分布；HC采用简化Hydrocracking Reactivity-Distribution（HCRD）模型，并以Leckel et al.在370 °C、35 bar、质量空速（weight hourly space velocity, WHSV）1 h^?1、转化率81%的数据优化；异构化条件参照Vaquerizo et al.，并以Gamba et al.数据验证；STR采用Xu et al.动力学。成本估算采用Smith方法，LCA采用ecoinvent 3.12 cutoff数据库、SimaPro和ReCiPe 2016 midpoint（H）方法。该研究无人类样本队列，验证数据来自上述文献实验数据集。

研究结果：
3.1 合成原油合成段：研究人员将554.9 kmol/h CO₂（99 mol%）和1702.0 kmol/h由SOEC生产的绿H₂（99.98 mol%）混合，经换热预热至约800 °C后进入RWGS；RWGS在绝热条件下采用Ni/MgAl₂O₄-spinel催化剂，CO₂转化率58.8%，CO选择性58.9%。水在冷凝和相分离中脱除，稳态循环中无H₂O累积，RWGS入口H₂O摩尔分数8.78%。干合成气预热至260 °C进入FT，采用沉淀铁催化剂；FT产物碳数分布显示C₁和C₈峰，石蜡延伸至C₄₀，烯烃主要至C₃₀，链增长概率α接近零。FT出口经加氢反应器将烯烃转化为烷烃，再经气液分离和倾析器得到71.3 kmol/h合成原油，即11.28 t/h。
3.2 e-SAF精炼段：合成原油与HC循环产物进入两塔蒸馏。第一塔20级、进料第7级、回流比5、7 bar；第二塔40级、进料第22级、回流比7、0.15 bar。主要e-SAF组分C₇-C₁₆从第18级采出并异构化，最终e-SAF冰点约?48.16 °C，低于?47.0 °C要求；若异构化转化率为给定值的97.4%，冰点预测为?47.01 °C。最终e-SAF产量约53 kmol/h，即7.811 t/h。C₁₆₊塔底残液加压至35 bar、加热至370 °C，并加入41.8 kmol/h H₂后进入HC，大部分蜡转化为C₇-C₁₆，HC出口循环回第一塔。F2气体、两塔轻烃馏分及水进入STR，STR在800 °C、1.1 bar运行，由29,460 kW绿电供热，采用Ni/MgAl₂O₄催化剂，将轻烃转化为合成气并循环至上游。F1和倾析器分离水1781 kmol/h送STR，其余1104 kmol/h（19.907 t/h）与10.766 t/h补充水混合成30.673 t/h送SOEC，产绿H₂ 1702.0 kmol/h（3.446 t/h），SOEC效率0.87，电解功率118.9 MW，比电耗约34.5 kWh/kg H₂。
4.1 过程性能指标：与Atsonios et al.和Vaquerizo et al.相比，本过程e-SAF产率0.323 te-SAF/tCO₂和2.277 te-SAF/tH₂，提高约115–79%和121–115%，且无柴油产物；H₂和CO₂消耗最低，为0.439 tH₂/te-SAF和3.096 tCO₂/te-SAF。过程净电耗7.438 MWh/te-SAF，高于对比值，主要因STR；SOEC贡献15.227 MWh/te-SAF，总电耗22.665 MWh/te-SAF，基于e-SAF低位热值12.283 MWh/te-SAF，电-燃料效率54.20%。外部冷却需求4.689 MWh/te-SAF，为对比中最低；过程输出余热4.629 MWh/te-SAF。碳平衡显示进料碳转化为e-SAF的比例为99.92%，氢为35.39%。
4.2 经济分析：总资本投资（TCI）为194,314 k$，其中SOEC系统89,201 k$，占45.9%；压缩机占19.0%，反应器占17.3%。年化CAPEX为13,787 k$/yr，OPEX为74,730 k$/yr，占TAC的84.4%，TAC为88,517 k$/yr。SOEC电耗成本28,544 k$/yr，占TAC的32.2%；CO₂获取和绿H₂生产合计占TAC约68.6%。基准电价30 $/MWh、CO₂成本100 $/tCO₂时，e-SAF成本为1417 $/te-SAF，即1133 $/kL，比常规航空燃料约610 $/kL高86%；绿氢成本1271 $/tH₂。敏感性表明电价是最主要因素，SOEC系统成本和CO₂成本也影响显著；Yanbu等低电价地区具竞争力。采用Vaquerizo et al.假设时e-SAF成本2297 $/kL，低于其4230 $/kL；采用Johansen假设时2086 $/kL，较其下限降低16.56%，但仍约为化石基航空燃料两倍，存在“绿色溢价”。
4.2.1 生命周期评价与环境性能：以1 GJ e-SAF为功能单位，采用九类中点指标。太阳能光伏电力在水消耗、陆地生态毒性、非致癌人体毒性等指标较高；风电多数指标低于光伏和电网，但在非致癌人体毒性、土地利用、陆地生态毒性仍有负担。区域敏感性显示e-SAF碳强度受电网结构强烈影响，碳密集电网下可超过常规航空燃料，法国和挪威等低碳电网下可低于基准。可再生情景中，水电e-SAF碳强度约2.0–2.7 kgCO₂-eq/GJ，风电约11.7–20.7 kgCO₂-eq/GJ，光伏约25.8–50.1 kgCO₂-eq/GJ，均低于常规航空燃料88.7 kgCO₂-eq/GJ。不计蒸汽外送收益时，电力碳强度需低于约172.4 kgCO₂-eq/MWh；计入出口蒸汽替代后，阈值提高至约311.5 kgCO₂-eq/MWh。每千克e-SAF出口约9.12 kg蒸汽，避免约71.3 kgCO₂-eq/GJ。
4.3 技术成熟度与未来放大挑战：该研究为概念设计，基于稳态过程模拟、TEA和LCA。放大需解决催化剂耐久性、过程集成、设备操作和燃料质量一致性；需实验室验证Ni/MgAl₂O₄ STR催化剂对轻烃混合物的性能、RWGS在循环条件下的性能、HC和异构化产物分布；需长期催化剂稳定性和再生条件、SOEC性能与耐久性；需控制HC选择性和异构化支化程度；中试应验证长期运行中产率和燃料性质；系统级需研究H₂压缩、循环回路动态、RWGS/FT/STR/精炼耦合瞬态行为及可变可再生能源电力下的动态模拟与控制。

讨论部分总结：研究人员从过程性能、经济性和环境性三方面讨论了e-SAF PtL路径。该路径通过STR回收C₁-C₆轻烃和HC转化C₁₆₊重蜡，实现e-SAF聚焦生产和零柴油，但过程电耗升高，体现碳利用与能耗的权衡。经济可行性受绿电价格和CO₂成本主导，当前成本仍高于化石航空燃料，需要碳税、补贴和SOEC效率提升。LCA表明低碳电力与过程热集成共同决定环境优势，并存在不同可再生技术的负担转移。
研究结论翻译：在本研究中，研究人员开发并利用Aspen Plus?评价了一种由捕获CO₂和绿H₂生产e-SAF的集成PtL过程。所提设计集成STR、RWGS、FT合成以及HC等先进下游精炼单元，为大规模合成燃料生产提供了技术可行方案。本工作的核心技术贡献在于实现“e-SAF聚焦”生产模式。通过轻烃（C₁-C₆）STR和重蜡（C₁₆₊）HC的循环机制，该过程不仅提高碳利用效率，e-SAF产率达0.323 te-SAF/tCO₂和2.277 te-SAF/tH₂（3.097 tCO₂/te-SAF和0.439 tH₂/te-SAF），而且完全消除了传统过程常见的低价值柴油副产物。在产品质量方面，异构化后e-SAF冰点为?48.16 °C，完全符合Jet A-1燃料的严格国际标准。此外，完善的热集成机制有效回收放热反应热能，显著降低对外部能源的依赖。从经济角度看，在基准电价30 $/MWh和CO₂成本100 $/tCO₂下，e-SAF平准化成本估计为1417 $/te-SAF（1133 $/kLe-SAF）。尽管该成本比化石基航空燃料高约86%，所提PtL路径展示了碳循环用于e-SAF生产的技术潜力及其对航空脱碳的贡献。总之，所提过程展示出技术稳健性和碳效率，为航空工业脱碳提供了可行技术路线。其未来经济竞争力将取决于可再生电力价格降低、电解槽技术规模效应以及碳税政策和绿色补贴的实施。这些因素对弥合当前“绿色溢价”并加速e-SAF商业化至关重要。