《Biomass and Bioenergy》：Methodology over technology: harmonizing techno-economic and life cycle assessment of sustainable aviation fuel
编辑推荐：
可持续航空燃料（SAF）技术经济分析和生命周期评估中，方法论差异导致成本和排放波动远超技术差异。通过系统综述59项研究，发现边界定义、副产品分配和贴现率等12项方法差异使同一玉米秸秆ATJ系统的成本波动达133%，排放波动达174%。提出三级标准化框架，验证显示成本波动降低63%，排放波动减少85%。方法论一致性是技术比较和政策制定的基础。
约瑟夫·安蓬萨（Joseph Amponsah）| 金斯福德·克韦库·安萨（Kingsford Kweku Ansah）| 丹尼尔·巴福尔·阿萨雷（Daniel Baffour Asare）| 弗雷德里克·奥福里·西亚梅（Fredrick Ofori Siameh）| 埃马纽埃尔·奥武苏（Emmanuel Owusu）| 阿尔伯特·阿杰库姆·埃苏曼（Albert Adjekum Essuman）| 路易斯·摩根（Louis Morgan）
美国爱荷华州立大学机械工程系，地址：1801 S Lincoln Way, Ames, IA, 50011
摘要
对于四种被认可的可持续航空燃料（SAF）生产路径——酒精转喷气燃料（ATJ）、氢化酯和脂肪酸（HEFA）、费托合成（FT-SPK）以及电力转液体（PtL）——评估方法的选择对报告的成本和排放量的影响比技术选择本身更大。通过计算建模和对59篇同行评审研究的系统回顾，我们发现方法论上的决策（如系统边界定义、副产品分配和折现率假设）会导致物理上相同的系统在成本上产生133%的差异，在温室气体排放上产生174%的差异。以玉米秸秆ATJ生产路径为例，这种差异是技术差异的3到8倍。我们开发并验证了一个三层协调框架，在内部验证中将该框架的应用使成本差异减少了63%，排放差异减少了85%，并在外部跨路径研究中证实了其在HEFA、FT-SPK和PtL路径中的有效性。因此，当前的SAF评估实际上比较的是不同的方法论惯例，而非技术性能。标准化评估实践是做出可靠投资决策和制定气候政策的前提。
引言
航空业贡献了全球二氧化碳排放量的2-3%，但在“一切照旧”的情景下，到2050年这一比例可能上升到22%[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]]。该行业面临根本性的脱碳障碍：长途飞行的能源密度要求远超电池技术的限制，而飞机20-30年的使用寿命意味着机队更新速度缓慢。因此，可持续航空燃料（SAF）是短期内主要的脱碳选择。国际航空运输协会（IATA）的目标是到2050年实现净零排放，其中SAF将提供所需的减排量的65% [2,10]。监管要求也反映了这一紧迫性，例如欧盟的ReFuelEU计划从2025年起逐步增加SAF的使用比例，到2050年达到70% [3]，美国的目标是每年生产350亿加仑SAF [3]。尽管如此，2024年SAF的产量仅为100万吨，仅占喷气燃料消耗量的0.3% [5,11]，且生产成本仍然是传统喷气燃料的2-5倍。几种转化路线已获得ASTM D7566标准的认可[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]]，包括氢化酯和脂肪酸（HEFA）、费托合成（FT）、酒精转喷气燃料（ATJ）以及电力转液体（PtL），但在一致评估条件下的相对性能仍存在争议。FT及相关热化学路线以气化为核心转化步骤，最近的计算建模工作提高了对混合原料条件下气化反应器行为和物种传输的理解[6]，为TEA（技术经济评估）和LCA（生命周期评估）提供了基础。
为了做出投资决策和制定政策，跨SAF生产路径的可靠性能比较至关重要，然而技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）研究对于名义上相同的系统却报告了截然不同的指标[[21], [22], [23], [24]]。例如，同一条玉米秸秆ATJ生产路径在不同研究中的最低燃料售价（MFSP）范围从每加仑1.20美元到4.50美元不等[[25], [26], [27], [28], [29]]；对于相同的HEFA系统，温室气体（GHG）排放量估计值在15-45克二氧化碳当量/兆焦耳（gCO?e/MJ）之间[30]。虽然像HEFA这样的成熟路线展示了有利的经济性[31,32]，但投资者在比较新兴路线（ATJ、FT、PtL）与现有路线时仍面临挑战，因为报告指标的方法论不一致性掩盖了真正的性能差异。政策制定者无法可靠地确定哪些路线应优先支持，研究人员也无法在研究结果相互矛盾的情况下建立在前人工作的基础上进行进一步研究。先前的综述总结了这些差异，但未能解释其来源；研究将差异归因于技术性能，而没有量化其中有多少差异源于评估惯例而非真正的技术特性[[21], [22], [23], [24]]。
我们通过计算建模解决了这一问题，使用玉米秸秆ATJ生产路径作为受控案例研究，以隔离纯粹的方法论效应[21,33]。该路径代表了商业化的HEFA和新兴的PtL之间的中间技术成熟度，且NLR提供了高质量的公开数据[31]。通过系统地改变14种不同的方法论假设，同时保持所有技术参数不变，我们证明了仅方法论本身就会导致成本差异（MFSP范围：1.33–3.09美元/加仑当量）和温室气体差异（10.6–29.0克二氧化碳当量/兆焦耳）在相同的物理系统上产生133%和174%的变化——对于所研究的ATJ路径而言，这种差异是技术差异的3到8倍。我们开发并验证了一个三层协调框架，并通过59篇文献研究和4项独立的开放获取研究进行了验证（见表S5），应用第二层标准化后，成本差异减少了63%，排放差异减少了85%。
这些发现是基于玉米秸秆ATJ生产路径的计算结果；由于HEFA、FT和PtL的生产路径具有不同的成本结构和敏感度驱动因素，它们在方法论与技术差异方面的相对幅度可能有所不同，这一点在“局限性”部分进行了讨论。我们的三层框架扩展了现有的监管标准化标准——CORSIA（国际航空碳抵消和减少计划）[34]、RED II [35]、ISO 14040/14044 [36]——通过解决六个主要的不一致性来源来进行比较研究评估：功能单位选择、系统边界定义、经济假设披露、副产品分配方法、背景数据的时效性以及不确定性处理。
本工作的创新之处
先前的综述总结了SAF的成本和排放范围，但无法区分方法论上的差异和真正的技术差异[31,32]。例如[31]，报告的成本范围为每升0.50-7.50美元，但所有差异都被归因于技术本身，而没有量化方法论的贡献。我们使用计算建模来隔离纯粹的方法论效应，结果表明仅方法论本身就导致了133%的成本差异（每加仑汽油当量1.33-3.09美元）
系统文献回顾
我们按照系统回顾和元分析的优先报告项目（PRISMA）指南[39]进行了系统回顾，以描述当前的SAF评估实践，如图1所示。我们的搜索范围涵盖了Scopus、Web of Science和Google Scholar。2010年的起始日期与ASTM D7566标准首次批准的年份一致，该标准用于合成航空燃料。我们保留了2010年至2025年的整个时间段，以捕捉方法论实践随时间的变化情况，这对我们的研究至关重要
基线模型验证
我们将计算出的基线预测结果与已发布的数值进行了验证。我们计算出的每加仑当量燃料售价（MFSP）为2.27美元，与[54,55]中的数据相差不超过3%。我们的温室气体排放结果（24.0克二氧化碳当量/兆焦耳）与Han等人的报告值完全一致[55]。这一一致结果证实了NREL和GREET方法的准确应用。成本上的微小差异反映了不同的副产品处理方式，表明即使是可比的研究也会因为方法论惯例的不同而得出不同的结果
方法论对技术的影响
我们的研究结果表明，目前评估方法对报告的SAF性能的影响大于潜在的技术差异。对于玉米秸秆ATJ生产路径，方法论本身导致了133%的成本差异和174%的排放差异。这一发现特定于ATJ路径；对于HEFA、FT和PtL路径，由于它们具有不同的成本结构和敏感度驱动因素，方法论与技术之间的差异幅度可能有所不同
结论
SAF评估面临着可靠性危机，方法论造成的差异大于技术差异。我们通过计算建模证明了这一点，对于相同的玉米秸秆ATJ系统，方法论导致了133%的成本差异和174%的排放差异。我们的三层协调框架将成本差异减少了63%，排放差异减少了85%。系统边界、分配方法和经济假设各自都导致了显著的差异。标准化这些选择可以改善这一状况
CRediT作者贡献声明
约瑟夫·安蓬萨（Joseph Amponsah）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法论研究、资金获取、形式分析、数据管理、概念构思。金斯福德·克韦库·安萨（Kingsford Kweku Ansah）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、软件使用、数据管理。丹尼尔·巴福尔·阿萨雷（Daniel Baffour Asare）：初稿撰写、软件使用、数据管理。弗雷德里克·奥福里·西亚梅（Fredrick Ofori Siameh）：初稿撰写
资金情况
作者声明本研究未获得任何资金支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突。
