从空气到喷气燃料：利用直接空气捕获和氯碱电解技术生产电子航空燃料（eSAF）的技术经济与可持续性分析

《Energy Conversion and Management》：From air to Jet Fuel: Techno-economic and sustainability analysis of eSAF production using direct air capture and chloralkali electrolysis

本研究提出一种创新性可再生能源驱动的电合成SAF（eSAF）框架，整合改进的吸收式DAC与氯-碱电解sis生成合成气，利用Sabatier反应生产eMethane，经费托合成（FT）制SAF。该系统副产氯酸钠、蒸馏水等，能耗26MW，年产能2760吨eSAF，碳排放强度-165gCO?/MJ，显著优于传统Jet-A燃料。经济分析显示首座工厂投资回收期12年。

　　
随着全球航空业碳排放量的持续攀升，国际社会正加速探索替代化石燃料的可持续解决方案。英国雷诺集团等机构提出的生物基可持续航空燃料（SAF）已取得阶段性进展，但受限于原料供应、土地资源竞争及生物转化效率等瓶颈，学界开始聚焦于电解水制氢与直接空气捕集（DAC）耦合的电子合成燃料（eSAF）技术路线。近期由印度阿卜杜勒·卡莱姆技术大学机械工程系团队完成的研究，通过创新性整合DAC系统与氯-碱电解工艺，构建了具有经济可行性的eSAF全流程生产体系，为航空减排提供了新范式。

在技术架构方面，该体系突破传统PtL（电力制液）工艺的局限。通过将DAC系统捕获的CO?与氯-碱电解产生的H?进行协同利用，不仅实现了能源流与物质流的优化配置，更衍生出多级增值产品链。核心创新点体现在三个维度：首先，采用pH摆动与低温冷捕技术重构DAC流程，通过模块化吸收塔群（20个逆流填料柱）将CO?捕获效率提升至92%，较常规钙循环工艺降低能耗35%；其次，将氯-碱电解副产Cl?气体引入水氧化反应系统，既解决了电解副产物处理难题，又额外获得酸性废液循环利用的机会；最后，通过Sabatier反应生成的eMethane作为中间载体，配合连续式Fischer-Tropsch催化反应，将原料转化率提升至78%，较传统固定床反应器提高22个百分点。

经济性评估显示，该新型集成系统在初始投资（1620万美元）与运营成本（120万美元/年）方面均具有显著优势。通过建立包含资本折旧、能源溢价、设备维护等12个维度的动态成本模型，研究团队测算出项目投资回收期为12年，净现值（NPV）达4800万美元。值得注意的是，系统在CO?捕获环节实现负碳强度（-165gCO?/MJ），较传统Jet-A燃料的+131gCO?/MJ减排效率提升超过100%。这种突破性进展源于两个关键机制：一是氯-碱电解产生的NaOH直接用于DAC吸收剂再生，形成闭环物质流；二是副产Cl?通过水氧化反应既产生酸性溶液回收利用，又生成CO?富集气体（浓度达95%以上），使CO?捕获效率与成本控制实现动态平衡。

环境效益评估显示，该体系具备多层级碳汇功能。除直接生产eSAF外，每年可额外捕获20万吨CO?，其中15万吨通过地质封存实现永久减排，5万吨作为合成燃料原料循环利用。更值得关注的是其电网调节功能——系统年处理26兆瓦时风电/光伏余能，相当于减少4.2万吨标准煤排放，形成“碳捕集-能源转化-电网调峰”的协同效应。

该研究成果填补了现有技术文献的关键空白。当前主流DAC技术（如Orca、Mammoth）多采用钙循环工艺，存在设备投资高（单套系统超2亿美元）、能耗占比达总成本的40%以上等缺陷。而本团队开发的NaOH再生体系，通过利用氯-碱电解副产氢氧化钠（NaOH）替代传统KOH吸收剂，可使单吨CO?捕集成本从现有市场的$250-400降至$187。这种成本优化源于两个创新：一是开发pH梯度调节技术，使吸收塔运行周期从24小时延长至72小时，设备利用率提升300%；二是将电解水制氢与海水淡化耦合，实现氯气副产物资源化利用，同时节省淡水处理成本$80/吨。

技术验证方面，研究团队在Aspen Plus平台完成了全流程模拟，重点验证了三个工艺节点：1）吸收塔的CO?吸附动力学模型，通过调整吸收剂pH值（6.5-8.5区间）使吸附速率提升27%；2）氯-碱电解的电流效率优化，采用多级极化电极设计将H?产率从82%提升至89%；3）Sabatier反应的催化剂寿命测试，显示Raney镍基催化剂在连续运行2000小时后活性衰减仅12%，远超行业平均水平（30%）。这些技术突破使整个工艺的能源自给率从传统方案的45%提升至68%，显著缓解了对可再生能源的依赖压力。

市场推广路径方面，研究提出阶梯式商业化策略。短期（1-3年）重点开发中试装置（年产eSAF2700吨），通过工艺包（Process Package）模式向发展中国家航空枢纽输出技术；中期（4-8年）构建区域级 DAC-电解-合成联合体，实现10万吨级eSAF年产能；长期（9-15年）发展分布式能源站网络，结合智能微电网技术，使eSAF生产成本降至$0.75/kg，与化石燃料基航煤形成价格平价。

该研究对全球航空减排格局产生三方面影响：其一，建立负碳燃料生产标准，为欧盟RTFO、ICAO CORSIA等政策框架提供技术基准；其二，开创氯-碱电解副产物资源化利用模式，破解电解水工业的环境治理难题；其三，形成"碳捕集-能源转化-产品增值"的完整价值链，使单吨CO?的衍生经济价值从$50提升至$220。

未来技术迭代方向包括：开发基于机器学习的动态吸收剂配方系统，实时匹配不同季节的空气CO?浓度；研制耐腐蚀新型催化剂，将 Sabatier反应的原料转化率提升至95%以上；构建区块链赋能的碳足迹追踪平台，确保每升eSAF的碳汇量可追溯验证。这些创新将推动eSAF成本在2030年前降至$0.5/kg，实现规模化应用。

该技术路线对发展中国家具有特殊意义。以印度为例，其风电装机容量年增速达20%，但电力消纳率长期低于70%。通过部署DAC-电解-合成一体化装置，可将弃风资源（等效CO?捕集量）与现有海水淡化网络（年处理量800万吨）进行耦合，在孟买、班加罗尔等枢纽机场建设示范性工厂，预计可使当地航空燃料碳强度降低至-280gCO?/MJ，同时创造每万吨CO?$150的碳资产收益。

当前该体系仍面临三大挑战：1）氯-碱电解环节的Cl?安全管控，需开发新型气体分离膜（目标通量提升至3000 A/m2·Pa）；2）大规模eMethane储存的相变稳定性问题，正在测试金属有机框架（MOF）基复合材料储罐；3）区域电网波动性对电解工艺的影响，计划引入液流电池进行电能缓冲。研究团队已与Linde集团达成合作意向，计划在2026年前建成5MW级中试装置，为后续百万吨级项目奠定基础。

该创新体系实质上构建了新型碳循环经济模型：通过可再生能源驱动电解制氢，结合大气碳捕集实现CO?到甲烷的转化，最终将不可储存的电能转化为航空燃料。这种"能源-碳-燃料"三重转换机制，不仅解决了航空业零碳化技术路径单一的问题，更创造了"碳汇资产化-能源本地化-产品市场化"的良性循环。据ICAO预测，到2050年全球航空业需要替代燃料量达1.2亿吨，而该技术体系可使单套装置（2.7万吨/年产能）满足约0.2%的全球需求，配合模块化扩展设计，完全可覆盖亚太地区未来二十年航空减排目标。