综述：能源转型挑战与生物质贡献的相互作用界定：资源、技术与环境视角

《Energies》：Defining the Interplay Between Energy Transition Challenges and Biomass Contributions: A Resource, Technology, and Environment Perspective

　　

本整合性批判性综述研究了生物质与生物能源如何在兼顾气候减缓、能源安全、资源可获得性及技术成熟度约束的前提下，助力能源多元化发展。该综述结合针对性文献综合与2025年10月在伊塔茹巴联邦大学举办的国际研讨会“能源转型与生物燃料”的专家见解，将研讨会及COP30相关讨论作为情境与概念输入，同时以同行评议文献、政策文件及技术报告作为分析的实证基础。文稿评估了生物质与生物燃料利用、炼厂集成、可持续航空燃料、生物炭、生物能源碳捕集与封存（BECCS）、氢协同、生命周期评价（LCA）、人工智能及物流等方向。综合分析表明，生物质并非化石燃料的通用替代品，但在需要可再生碳、可调度能源、工艺热、液体燃料、碳移除及与现有基础设施兼容的应用场景中具备独特价值。分析同时显示，上述贡献取决于原料治理、土地与水安全保障、物流、肥料投入、技术成熟度及经核实的生命周期表现。因此，“粮食-燃料”争论被重构为土地用途、可及性、生产力与治理的情景特异性问题，而非能源生产与粮食生产之间的简单竞争。研究得出结论：当生物能源通过适配区域资源、可持续性约束及部门脱碳需求的差异化路径部署时，才能最可靠地支撑能源转型。

1. 1.
   引言
   全球能源消费与社会经济发展紧密关联，充足、安全、连续且稳定的能源供应是人类活动与社会发展的核心基础。人口结构与生活质量提升是经济增长与能源需求持续增长的主要驱动力。近百年来人类文明依赖碳基化石燃料实现繁荣，但也导致严重的环境与气候失衡，2025年1月已成为有记录以来全球最暖月份，在拉尼娜现象通常具有降温效应的背景下，这一偏离尤为显著。全球能源格局经历了从生物质到煤炭再到石油的多次转型，当前转型则源于石油行业扩张困境，包括严重环境影响、技术创新、能源安全及可再生能源成本下降。常规轻质原油产量近20年停滞，增长主要来自开采与炼制成本更高的重油，石油在全球能源结构中的占比已从约50%降至33.6%，煤炭与天然气占比分别升至27.9%与25%，部分国家将天然气视为支撑低碳能源系统转型的“过渡燃料”。尽管全球粮食产量激增导致价格下跌与农业部门萎缩，但石油的地缘政治集中度仍制约石油进口国经济增长，而这些缺油地区多拥有大量耕地，有望成为新兴生物经济的战略引领者。此外，工业供热脱碳仍是关键挑战，亟需化石燃料的热能替代方案。因此，当前能源转型不能仅被解读为环境关切与政府强制驱动，也应被视为与历史能源转型类似的资源驱动型演变。
   生物质是唯一可提供碳基燃料、化学品与材料的可再生能源来源，不仅是替代选择，更是人类能源范式演进的必要方向，历史能源转型轨迹已清晰呈现向可再生能源进阶的趋势。前工业化时代的传统生物质利用、畜力与原始机械系统无法支撑大规模经济发展；工业革命转向煤炭能源体系虽带来前所未有的工业增长与城市化，但也确立了经济扩张优先于公共健康与环境关切的负面先例，其遗留的空气污染物、全球变暖、呼吸系统疾病、生态退化等问题凸显了该转型未能纳入长期可持续性指标。20世纪转向石油与天然气虽提供了更高能量密度与运行灵活性，却强化甚至加剧了化石能源依赖的深层问题，将全球经济锁定在高碳框架内，引发当前全球气候变化危机。由于科学界对人为气候变化后果、资源枯竭证据积累及化石能源获取相关的地缘政治不稳定已形成共识，延续当前能源范式已不可持续。石油基燃料含氧量低、氢碳比相对较高，使其相比许多未处理生物质衍生中间体具备更高热稳定性与能量密度。在此背景下，向可再生低碳能源的当代转型既是环境必然要求，也是产业重构过程。生物能源可与农林系统、太阳能、风能、水电及低碳氢整合，其最合理的定位并非化石燃料的单一替代，而是可调度能源、低碳液体燃料、工艺热、生物基材料及特定二氧化碳移除路径的补充性可再生碳源，这些效益的实现以可证实的生命周期优势及对间接土地利用变化、水资源压力、粮食系统干扰与生态系统退化的保障措施为前提。本研究的创新性在于对能源转型背景下生物能源路径的整合性与约束驱动分析，不同于孤立评估技术的传统综述，本研究系统连接资源可获得性、技术成熟度（TRL）、生命周期影响、供应链约束、成本结构与基础设施兼容性等多维度，以评估生物能源在脱碳战略中的现实作用。2025年UNIFEI“能源转型与生物燃料”国际研讨会为识别审查主题、争议与瓶颈提供了结构化专家讨论平台，实证分析则基于科学论文、政策文件与技术报告展开，本文定位为整合性批判性综述，而非系统性综述或共识声明，同时也继承了既往相关研究及作者团队在BRICS项目、SUSTBIO-WFE、地平线欧洲SUSTEPS计划及多国合作的基础。
2. 2.
   研究方法
   本研究采用整合性批判性综述方法，旨在综合生物能源文献中常被割裂的技术、环境、经济与政策领域证据。综述流程分为四步：定义分析范围；针对性检索科学与技术文献；基于专家分析的主题证据分类；跨路径贡献、约束与不确定性的综合。文献检索聚焦生物质、生物燃料、可持续航空燃料、生物炭、生物能源碳捕集与封存（BECCS）、氢-生物质集成、炼厂共处理、生命周期评价（LCA）、人工智能及生物能源物流相关的同行评议论文、综述论文、政策文件与技术报告，在Web of Science数据库与机构能源署知识库中组合使用“生物能源转型”“生物质能源安全”“生物质制液体燃料”“可持续航空燃料”“生物炭碳捕集”“BECCS生命周期评价”“氢生物燃料升级”“粮食-燃料关联”“生物质物流”“土地利用生物能源”“生物能源水足迹”等检索词，优先纳入2000年以来发表的研究，同时保留具有历史、概念或方法论奠基意义的前期文献。文献纳入标准为至少满足以下一项：与能源转型瓶颈相关、提供量化资源或排放估算、技术成熟度评估、生命周期或技术经济影响、政策相关性、有记录的环境权衡；排除标准为与生物质或生物能源路径无关、缺乏方法透明度、证据已被更全面综述覆盖、主张无法关联至可验证的科学、技术或机构来源。由于综述整合多类型证据，结果采用定性解释而非统计汇总。国际研讨会与COP30相关讨论用于识别实际问题与争议主题，包括石油行业动态作用、粮食-燃料关联、炼厂集成、低碳氢需求、生物炭应用与BECCS可行性，这些输入仅作为专家知情框架而非独立实证证据。主题矩阵将能源转型挑战归为四类核心生物能源解决方案领域：先进液体生物燃料与炼厂集成、面向难减排部门的可持续航空燃料、作为碳捕集与增值工程材料的生物炭、生物质转化链内的氢协同。随后利用土地利用、水需求、粮食安全、物流、生命周期影响与区域政策条件等跨领域议题评估各路径。
3. 3.
   生物质作为能源多元化的支柱：潜在贡献与约束
   本研究采用“能源多元化”描述能源转型的当前动态，将其视为更广泛能源转型框架内的赋能策略，通过逐步纳入可再生能源、生物质、氢、氨与混合能源系统提升能源供应的多样性与韧性，长期目标仍是向低碳与净零能源系统演进。该视角的合理性在于政策与研究应优先推动清洁新能源扩张，而非将其定义为完全替代过程；尽管可再生技术预期快速增长，但化石燃料行业在可预见的未来仍将是全球能源矩阵的重要组成部分，强调多元化既凸显新兴与传统能源路径的共存，也突出平衡创新与结构性现实的策略重要性。图4所列的能源转型约束是本研究的 foundational 多维驱动因素，为评估生物质与生物燃料的潜在贡献及伴随限制提供了基础，其中首要挑战是可再生能源波动性，需要可调度电源保障电网稳定。此外，航空与海运因高能量密度需求难以电气化，水泥与钢铁生产在固有转化过程中使用碳质原料，新兴绿氢经济面临高生产成本，锂与钴等关键原材料稀缺威胁交通电动化，解决这些瓶颈需要兼具多功能性、可存储性且能衔接碳中和与碳负排放的能源来源。
   生物质可提供驱动去碳化、支撑更具韧性能源结构的可再生碳源，核心挑战并非石油突然消失，而是清洁替代方案的规模化速度与满足需求并削减排放的能力匹配度。多种技术正致力于利用生物质发电与生物质的合成，如气化装置、合成航空燃料（SAF）生产、碳储存（如生物炭）。同时，生物质通过光合作用充当天然CO₂汇，研究显示陆地生态系统当前每年从大气中移除约13 GtCO₂，而人工碳捕集与封存技术每年移除约50.6 MtCO₂。需注意并非所有能源需求均为电力，许多重要工业过程需要热能，生物质可在这些领域作为低全球变暖潜势（GWP）的替代方案；即使在可再生电力生产中，太阳能与风能也存在可调度性挑战，给电网管理带来复杂性，尤其对规划薄弱的国家而言。生物质作为生产燃料与化学品的可再生碳源的独特作用，使其在液体燃料与富碳材料生产中具备关键地位，以生物质为碳源相比所有以CO₂与电力为起点的技术具备独特优势。尽管潜力显著，生物能源的商业可行性仍受限于重大物流与技术壁垒，农业、市政与林业废弃物的利用看似直接，但面临原料异质性、空间分布分散、季节性可得性、技术问题（尤其来自木质纤维素材料）与供应链物流挑战，此外还存在成本、可扩展性与技术成熟度（TRL）层面的障碍，因此任何可行的生物质战略必须在潜在贡献与运营现实间取得微妙平衡。本框架构成研究讨论的基础，后续将进一步探讨先进优化与评估工具，如人工智能（AI）与严格的生命周期评价（LCA）如何帮助评估这些生物系统的真实潜力。
   政策驱动与全球倡议部分指出，当前预期的能源转型需要强有力的研究支持与计划性激励，多个主要国际联盟与国家强制要求正在驱动这一转型。梳理相关计划与倡议可发现，当前生物能源政策架构覆盖面广但实施力度不均，多数国际倡议以咨询框架、研发联盟、技术网络、可持续性指导平台或协调机制的形式运作，仅有限子集形成直接约束性义务或合规导向的市场信号，ReFuelEU Aviation与巴西Combustíveis do Futuro是强制型工具的典型代表，而RenovaBio则是独特的法定市场化脱碳机制，将可交易碳信用与经认证的生命周期碳强度挂钩。这种差异表明国际生物能源治理并非受限于制度缺失，而是制度指导向可执行部署机制、投资确定性、认证能力与基础设施发展的转化不均衡。
4. 4.
   粮食-燃料关联：从竞争到协同
   生物燃料相关论述常被“粮食vs燃料”的争议主导，这种关切不应被忽视，因为治理不善的生物能源扩张会加剧土地压力、水资源消耗、生物多样性丧失、肥料需求与间接土地利用变化。但粮食生产与生物燃料的关系并非必然是简单的零和竞争，其取决于作物选择、土地类型、单产增长、残茬利用、治理、市场条件，以及生物能源是与粮食生产整合还是对其产生挤出效应。本节旨在从笼统的粮食与燃料对立转向差异化评估：何时可能实现协同，何时可能出现权衡。全球农用地面积自2021年以来增加7800万公顷，其中耕地扩张1.6亿公顷，永久草地与牧场减少1.5亿公顷，耕地增长主要由人口快速增长地区（非洲、南美与东南亚）驱动，北美与欧洲耕地收缩。1961年以来全球玉米平均单产增长两倍，从1.9吨/公顷升至5.7吨/公顷，甘蔗单产从50.3吨/公顷增至73.7吨/公顷，部分国家超过100吨/公顷，同期扣除通胀后的玉米价格总体呈下降趋势，反映出农业持续的生产率提升。若无多元化与新市场创造，大量农户将面临经营困境，这是粮食vs燃料争论中常被忽略的重要问题。1961—2020年全球农业产出分析显示，粮食总产量总体上超过人口增长，期间全球人均粮食供应增加近50%。但这一全球趋势不能被解读为所有地区都不存在生产约束，饥饿与营养不良由贫困、冲突、治理失效、分配障碍、价格冲击、气候影响、土地与就业机会获取不平等及本地生产赤字等多重驱动因素共同作用，因此将饥饿主要归因于生物燃料生产属于不完整的诊断，但假设生物能源扩张自动无害同样不成立。核心问题在于如何设计生物能源系统，使其在不加剧本地粮食不安全的同时，改善农村收入、残茬增值与能源可及性。
   关于耕地有限性的第二重论点指出，农业生态评估表明，边际、退化、未充分利用或集成农用地可能具备可观的生物能源生产潜力，但可行面积高度依赖情景。5000万—2亿公顷对应100—200 EJ/年的估算需谨慎对待，因其依赖单产假设、生物多样性保障措施、水资源可得性、土壤质量、治理、膳食模式、食物浪费削减、饮食习惯及高碳生态系统保护等前提。因此土地并非固定绝对屏障，但也绝非免费资源，可持续部署需要空间规划、排除高保护价值区域、保护土壤碳及监测间接土地利用效应。研究人员对2050年生物能源可持续潜力的评估，部分考虑了残差生物质的利用，不同研究的估算差异源于土地可得性、单产提升、残茬移除率、环境保护、粮食需求与技术转化效率的假设不同。有研究指出无环境政策时全球先进生物能源潜力可达245 EJ/年，而在全面环境保护下降至149 EJ/年；另有研究预测范围为64—313 EJ，占全球一次能源需求的7.5%—37%。图6显示的广泛范围表明生物能源潜力是有条件的而非固定的，因此在将全球潜力转化为区域部署目标前，必须评估水资源需求、养分投入、灌溉暴露、土壤有机质与本地生态系统影响。对拥有最先进生物能源战略的巴西的分析显示，1975—2025年间生物能源供应增长69.4倍，而玉米与大豆产量分别增长5.4倍与13.6倍，均超过人口增长（2.0倍）与GDP扩张（3.3倍）。全球数据同样印证这一趋势：2000—2020年生物燃料产量增长1.46倍，而世界饥饿危机指数下降1.49倍。证据表明农业产品与能源的关系并非零和博弈，在适当治理与土地利用规划下两者均可实现发展，这意味着生物燃料生产将使农工业获得充分多元化以保持竞争力，并保障农户的良好生活水平。
   4.1 食物废弃物
   随着全球产量扩张与生活水平提高，废弃物尤其是食物废弃物的体量大幅增长，不当处置会污染土壤、水体与空气，但这些废弃物同时也是生物能源生产的宝贵生物资源。过去几十年广泛的经济社会变革也重塑了农业废弃物的构成，农业产出快速增长增加了所有生产阶段的废弃物产生量，生活改善则导致消费阶段废弃物水平上升。图8显示了50年间适合能源利用的农业废弃物能源潜力的变化，农业废弃物数据基于作物单产信息及各生长、收获、加工、储存、消费阶段的废弃物占比计算，甘蔗因缺乏食品与过剩能源占比数据未被纳入。家庭消费阶段食物废弃物占比的动态与家庭消费支出（按2015年不变价）指标成正比。农业废弃物（不含甘蔗）的总体能源潜力增长3.2倍（从7.1 EJ增至22.9 EJ），其中水果、蔬菜与其他类废弃物潜力增长5.2倍，油籽与豆类增长4.7倍，谷物增长3.0倍，块茎与根茎类增长1.6倍。如图8所示，作物总潜力（即使不含甘蔗）是生物燃料产量的两倍以上。
   4.2 生物燃料与能源安全
   现代石油行业正经历深刻转型，从单纯开采逐步转向整合包括生物质衍生热解油与脂质在内的多元原料。事实上，石油行业的互补优势与需求曾驱动生物燃料产业的演进，例如乙醇因缺乏可行的石油基替代方案而成为美国标准的辛烷值提升剂。历史上全球避免了灾难性的“石油峰值”预测，并非发现了无限储量，而是通过实现根本性效率提升，例如美国能源强度自1950年以来下降60%，车辆燃油经济性翻倍。若无这些增益及生物燃料的发展，当前石油需求早已远超供给，价格将升至难以承受的水平。然而石油供应的地缘政治脆弱性仍是关键风险，石油储量地质分布集中于少数区域，导致全球价格对区域不稳定高度敏感，这种结构性脆弱性在历史上催生了巨额军事开支，某些情况下甚至引发武装冲突以确保供应线，凸显了持续依赖化石燃料的战略风险。此外，开采模式未考虑资源再生能力，实质上对未来世代施加了稀缺税。相比之下，生物能源提供了去中心化能源安全的路径，生物资源全球分布，尤其在发展中国家，从而降低引发冲突的地缘政治摩擦。印尼案例即为例证：尽管面临环境批评，其激进的生物柴油强制要求是向净石油进口国转型过程中的战略必需；类似地，巴西通过开发生物资产保障了主权。从集中的矿物化石燃料转向分布式生物资源不仅是环境必然，也是全球长期经济增长、稳定与和平的前提。印尼是棕榈油生产用于生物燃料增长的典型案例，目前近40%的印尼棕榈油用于满足其生物柴油强制要求，生物燃料与生物制品是该产业合法的多元化战略，这体现在棕榈油价格常对原油价格作出反应。能源安全关切驱动产业发展，粮食与燃料生产的权衡问题固然重要且值得深入关注，但必须辅以更广泛的追问：若未将部分玉米转化为乙醇，当前玉米价格会如何？若无乙醇作为辛烷值提升剂，今日汽油价格会如何？若无汽车效率提升、电动化与生物燃料的发展，今日交通燃料价格会如何？印尼棕榈油产业当前的经济、社会与环境影响是什么？显然，不熟悉或不敏感于印尼经济社会需求、更关注地球环境危机的群体会从自身视角衡量这些进展，但学术界必须以好奇心分析每一生物能源实践，识别可指导最佳实践发展的积极面，以及需规避的缺陷与弱点。
5. 5.
   液体生物燃料的炼厂集成路径
   前述讨论表明生物能源的可信度不仅取决于总体原料潜力，还取决于生物质的转化方式、治理体系及其与现有能源系统的集成程度。因此后续讨论聚焦炼厂集成，即生物质衍生中间体有望利用现有加工资产的路径，同时也面临氢需求、燃料质量、认证与锁定风险的约束。液体生物燃料与常规石油炼厂的集成，是依托现有基础设施规模化推广可再生燃料的关键路径。本节将讨论具体工艺、与氢的协同作用，以及生物燃料在生物炼厂的集成，包括可持续航空燃料（SAF）的生产。
   5.1 生物质制液体（BtL）转化技术
   将固体木质纤维素生物质转化为液体烃类燃料的生物质制液体（BtL）技术通常需要先将聚合物解聚为液体或合成气，再通过后续过程从含氧中间体获得最终烃类燃料，目标是将固体、异质、高氧原料转化为完全兼容现有基础设施的液体、均质、低氧燃料（即“即用型燃料”）。技术路线分为热化学与生化路径，各自遵循不同的反应动力学与热力学约束。热化学路线尤其是气化耦合费托（Fischer–Tropsch, FT）合成，被广泛认为是生产即用型合成燃料（如绿色柴油与可持续航空燃料SAF）的最通用路径。FT的其他替代路线包括生物甲醇、二甲醚、合成天然气（SNG）合成、合成气发酵、甲醇制汽油（MtG）与二甲醚制汽油（DtG）。生物质气化过程的详细解释可参见相关研究，但生物质气化的一大技术壁垒是焦油形成（焦油范围1–100 g/Nm³），可能损坏下游设备并导致催化剂中毒。焦油脱除技术包括催化重整（使用镍及其他金属催化剂）与物理洗涤（使用有机溶剂）。FT合成对净化要求极高，常需要杂质浓度达ppb级的洁净合成气以防止催化剂中毒。净化后的合成气进入费托合成，这是一种将CO与H₂转化为长链烷烃的催化聚合过程。
   快速热解与水热液化（HTL）被视为直接BtL工艺。快速热解是在无氧条件下、中等温度（450–550 °C）与极短停留时间（<2 s）内对有机物进行快速热分解，该工况最大化液体生物油的产率（重量占比高达75%），通常采用流化床反应器，生物质颗粒被热砂快速加热。但粗生物油化学性质与石油原油截然不同，它是含有水、酸与活性醛的高度含氧乳液，热值较低（低位发热量LHV 16–19 MJ/kg），呈酸性（pH 2–3），随时间推移不稳定（老化/聚合），因此除非经过加氢脱氧（HDO）升级，否则无法直接用于标准炼厂单元或发动机，而HDO需要大量氢气以将氧以水的形式脱除，该路径的经济可行性离不开低碳氢的成本。HTL解决了气化与热解路线的含水率限制，它处理湿生物质（如藻类、污水污泥），在热水（250–374 °C，10–25 MPa）中进行。接近水的临界点（374 °C，22.1 MPa）时，水的理化性质发生剧烈变化：介电常数下降，使其成为溶解有机化合物的非极性溶剂，同时离子积增大，从而催化酸碱反应。HTL产生生物原油，一种含氧量为10%–20%的含氧化烃类混合物，低于热解油，且可与水相分离，更易升级。近期技术经济分析表明，对于湿原料，HTL通过省去气化或热解所需的能耗密集型干燥步骤，可能实现更低的燃料售价。表2对比了BtL及相关液体燃料路径。BtL柴油的生产成本仍高于化石柴油，通常在典型技术经济假设下（如欧洲大规模工厂、木质纤维素原料、温和油价、无强力政策支持）为化石柴油的1.5–3倍，但结果对原料成本、氢价、碳税与系统边界高度敏感。正如市场报告所指出的，受欧盟ReFuelEU Aviation等强制要求驱动的可持续航空燃料（SAF）需求正在创造溢价市场，可能补贴这些技术的规模化。需通过高级研究与商业化规模装置建设提升BTL技术的技术成熟度（TRL）。
   5.2 氢与生物燃料的协同作用
   将氢协同整合入生物燃料生产，是缓解当前氢储存与运输挑战的有前景的短期策略。当氢被纳入生物质转化路径时，生物燃料实际上充当了可再生能源的液态载体，这种双重功能解决了两个关键目标：克服氢部署的物流障碍；提升生物燃料的产率与质量。
   5.2.1 产率提升与质量改进
   热化学过程（包括气化与FT合成）中添加低碳氢可提升生物燃料生产效率。如图9所示，氢在生物燃料升级中发挥关键作用，促进碳保留。常规生物质转化路线通常以CO₂形式脱除氧，导致大量生物源碳损失；相反，引入外部H₂能够以H₂O形式脱除氧，从而改变反应计量关系，有利于更高的碳留存。根据工艺配置、氢可得性与运行条件，这种调整可使液体燃料产率达到基准值的3–4倍，因为更大比例的原料碳被保留在最终产品的烃链中。此外，通过加氢处理与异构化的氢饱和是生产无氧气、化学性质稳定的即用型燃料（如柴油与煤油）不可或缺的环节。
   5.2.2 上游农业协同
   氢-生物燃料协同作用不仅限于转化设施，还延伸至支撑生物能源生产的农业系统。生物能源原料本身是高投入品，尤其依赖氮肥，而氮肥传统上源自化石基氢与氨。如图10所示，氢可用于可持续生产低碳氨、生物甲醇与生物柴油。用源自生物质气化或可再生电力（如太阳能与风能）的低碳氢替代化石衍生投入，可降低作为生物能源原料的作物的整体碳强度（CI）。这种上游集成建立了循环脱碳闭环，同时降低农业投入阶段与下游燃料燃烧阶段的排放。由此，氢利用不仅提升了生物燃料生产的可持续性，也为更广泛的气候减缓目标作出贡献。在化肥生产中替代化石衍生氢的经济影响对生物能源系统具有重要意义。氮肥既是生产率投入，也是生命周期排放热点，因为常规氨合成严重依赖天然气衍生氢，且能源使用与后续氧化亚氮形成会释放额外排放。低碳氢可降低用于能源作物与粮食作物的氮肥的上游碳强度，但其 adoption 将取决于电价、电解槽利用率、氨厂集成、储运成本、碳定价与低碳肥料认证。短期内，生物能源供应链不应假设肥料立即脱碳，生命周期评价应评估包含常规肥料、部分脱碳氨、精准养分管理、有机残茬与氮损失削减的情景。
   5.3 油气领域的生物质与生物燃料利用
   当前油气行业贡献了全球15%的能源相关温室气体（GHG）排放（来自生产、加工与运输活动），另有40%来自其使用。只要存在能源需求，就始终会有生产以满足需求。该行业脱碳的一个有前景的路径是整合生物质与低碳氢技术，以降低全价值链的碳强度。石油炼厂由一系列相互关联的工艺组成，旨在将原油转化为可销售的燃料与化工原料，氢在炼厂运营中扮演核心角色，主要作为加氢处理的反应物，其主要应用包括加氢精制、加氢裂化与催化重整，通过这些过程提升燃料质量。这些过程中使用的大部分氢通过蒸汽甲烷重整（SMR）生产，被称为灰氢，SMR虽具成本效益，但碳密集度高，每生产1千克氢约产生9–12千克CO₂。
   将生物质集成到石油炼厂工艺中可提供替代性可再生原料，如图10所示。生物质可通过生物氢生产（具体应用在图11中详细展示）战略性替代这种高碳氢，生物氢通过热化学转化或暗发酵等生化转化工艺生成。当与碳捕集、利用与封存（CCUS）结合时，这些系统可实现负排放，提供双重气候效益：抵消炼厂排放同时从大气中移除CO₂。同样，生物质衍生原料可被共处理为液体生物原油或热解油，随后直接送入现有炼厂单元（如加氢精制装置），与传统原油馏分共同加工，该路径利用现有资本密集型基础设施生产低碳燃料。尽管生物质制氢与其他低碳转化技术的技术成熟度（TRL）仍相对较低，但油气企业面临战略困境：是大力投资生物能源系统，还是追求延长化石燃料使用、同时通过碳捕集与利用（CCU）等选项最小化环境足迹的技术创新。由于将这些新兴工艺集成到现有炼厂运营不可避免地会增加生产成本，尤其是在利润本已微薄的燃料炼制领域。此外，生物质可被加工生产乙醇与生物柴油，以不同比例与化石燃料掺混，减少化石燃料使用的温室气体排放，相比化石燃料最多可减少86%的GHG排放。虽然这种集成为近期减排提供了务实路径，但应被视为过渡策略。特别是在现有炼厂基础设施内进行共处理与掺混，可能强化对传统燃料系统的依赖，从而降低对电气化、绿氢或先进合成燃料等完全脱碳替代方案的投资动力，这可能导致技术锁定，即渐进式改进延迟了更具变革性的低碳路径的部署。但要使生物质集成成为务实的脱碳路径，必须以科学与经济清晰度回答三个关键问题：哪些类型的生物质原料最适合炼厂应用；在炼制过程的哪些阶段引入这些原料可最大化技术兼容性与碳减排潜力；避免基础设施锁定的过渡策略是什么。
   5.4 可持续航空燃料（SAF）：难减排部门的脱碳
   在能源转型中，部分部门被认定为难脱碳部门，包括长途运输、钢铁与水泥行业等。航空业尤为引人关注，因其需要高能量密度燃料，且考虑到电池重量，电气化不切实际。因此航空是少数液体烃类燃料不是过渡选项而是结构性必需的运输部门之一。由于气候危机，近年来对这些部门使用的替代化石燃料的研究有所加强。2008年可持续航空燃料用户组（SAFUG）成立，维珍大西洋航空使用掺混常规燃料与生物燃料的混合物完成了首次试飞。此后首批SAF获得批准，且仅允许作为掺混组分使用，主要规范由美国材料与试验协会（ASTM）D7566维护，且在与传统喷气燃料（如Jet A或Jet A-1）掺混后必须通过ASTM D1655认证。但目前使用量仍不足喷气煤油消费量的0.3%。
   考虑到航空业的预计增长，在净零航空情景下，2050年全球SAF需求预计约为3.6亿吨。这一规模意味着燃料供应链的转型堪比历史上石油炼制的崛起，而非利基替代。因此迫切需要提高SAF渗透率以实现能源转型目标。迄今已有11种SAF生产路径获得ASTM批准，其中8种是直接生物质衍生路线，依据ASTM D7566认证，3种是集成到常规炼厂运营的共处理路径，依据ASTM D1655认证。这些路径可按生物质原料组成分类：脂质基、糖基、气基与醇基，成熟度与适用性各异。这些认证路径在相关研究中被广泛讨论。但要维持国际航空碳抵消与减排计划（CORSIA）下的资格，通过这些认证路径生产的SAF还必须遵守可持续性标准与认证要求，例如证明相比基准的生命周期GHG减排量、满足土地利用与原料可持续性标准，并通过ICAO批准的可持续性认证计划认证。
   其他路径如加氢脱氧合成煤油（HDO-SK）、加氢脱氧合成芳香煤油（HDO-SAK）、高冰点加氢处理酯与脂肪酸合成煤油（HFP HEFA-SK）与集成加氢热解与加氢转化（IH2）正处于商业航空应用的审批不同阶段，原因是SAF性能（如黏度、冰点、闪点等）的严格要求，以确保飞行安全与可靠性。表3详述了ASTM认证路径在技术成熟度、可扩展性与脱碳影响之间的权衡。目前脂质基路径（HEFA-SPK）占据市场主导地位（TRL 9），但受限于原料可得性。相反，FT-SPK/SPK/A与ATJ-SPK/SPA/A路径具备更大的长期可扩展性与原料灵活性，但面临资本密集度与能耗相关的经济障碍。共处理提供了低成本过渡方案，但与专用电转X（PtX）路线相比，深度脱碳潜力有限，后者理论上具备无限的原料供应，尽管当前运营成本仍较高。如表3所示，认证路径的掺混比例仅允许5%–50%，具体取决于转化工艺。一个关键限制来自许多SAF组分（如石蜡燃料）的芳香烃含量低，这与常规喷气燃料不同。芳香族化合物在维持弹性体相容性方面发挥关键作用，尤其确保丁腈O型圈等部件的密封膨胀足够。在缺乏足够芳香烃的情况下，弹性体可能收缩，潜在导致燃料泄漏与安全担忧。因此ASTM规范（如D1655与D7566）要求掺混燃料的最低芳香烃含量，这限制了允许的SAF掺混比例。但近期进展，包括合成芳香族组分的开发与替代弹性体材料（如氟碳基密封件）的使用，正开始降低这些约束，这些发展可能实现更高的掺混比例，并潜在推动100% SAF的认证。2023年维珍航空使用一台装有两种SAF（分别来自HEFA与合成石蜡煤油SPK）掺混的100% SAF发动机成功完成演示飞行。SAF部署仍处于非常早期阶段，目前占全球航空燃料消费量不足0.3%，HEFA路径主导供应，且现有