利用捕获的二氧化碳和绿色氢气生产合成航空燃料的费托工艺与甲醇制喷气燃料工艺的技术经济性及生命周期评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Techno-economic and life cycle assessment of Fischer-Tropsch and Methanol-to-Jet processes to produce SAF from captured carbon dioxide and green hydrogen

　　帕斯夸莱·利卡斯特罗|塞莱斯特·斯基基塔诺|卢卡·门迪奇诺|埃马努埃尔·穆拉卡|多梅尼科·马克里
Techfem S.P.A.，意大利普利亚大区法诺市托尼奥洛街1/D号，邮编61032

摘要
航空业的去化石化是一项重大挑战，因为长途飞行在未来几十年仍需依赖高能量密度的液体燃料。由可再生氢和捕获的二氧化碳制成的可持续航空燃料——通常被称为“制液技术”——被视为减少温室气体排放的有效途径，这符合欧盟的ReFuelEU计划以及英国的可持续航空燃料要求。本研究对两种制液技术路径进行了技术经济比较和生命周期评估：费托合成路线和甲醇制喷气燃料路线。这两种工艺均在Aspen Hysys V12软件中进行了模拟，并通过Aspen Process Economic Analyzer进行评估，假设可再生氢的输入量为20兆瓦（约360千克/小时）。生命周期评估遵循ISO 14040/44标准，以“从源头到使用端”的范围为依据，符合欧盟2023/1185号法规要求。评估结果显示，甲醇制喷气燃料的燃料生产平均成本为10.78–12.10欧元/千克，费托合成路线的成本则为10.49–11.76欧元/千克，这一数值远高于传统喷气燃料A1（约0.8欧元/千克）和生物基可持续航空燃料（约2.7欧元/千克）。生命周期评估表明，甲醇制喷气燃料在温室气体排放方面表现更优，其排放量分别为18–25克二氧化碳当量/兆焦，而费托合成路线的排放量为35–45克二氧化碳当量/兆焦。研究结论认为，尽管这两种工艺在技术上均可行，但要实现全球范围内合成可持续航空燃料的大规模应用，还需大幅降低可再生氢的成本，并提供有力的政策支持。

引言
近年来，全球航空业每年消耗约2.55亿吨喷气燃料，其中约4200万吨产自欧洲，由此产生的二氧化碳排放量约为1.3亿吨[1]。尽管飞机效率有所提升，但航空业仍是温室气体排放增长最快的领域之一，约占全球二氧化碳排放量的2–3%[2]。鉴于未来几十年航空交通量还将持续增长，减少航空业的碳排放已成为一项紧迫任务。与公路运输不同，由于中长距离飞行需要高体积和高能量密度的燃料，航空业很难实现电气化[3]。因此，液态碳氢化合物仍将发挥关键作用，有预测指出，到2050年，航空业80%以上的能源需求仍将依赖于碳氢化合物[4][5]。

减少航空业碳足迹的一种有效途径是使用可持续航空燃料，这类燃料可与现有飞机及基础设施兼容。可持续航空燃料需符合ASTM D7566标准，可与传统喷气燃料A1混合使用，无需对发动机或输送系统进行改造。不过，目前可持续航空燃料的生产主要依靠氢处理酯类和脂肪酸，这类燃料占商业生产量的近80%[6]。虽然技术上已较为成熟，但由于脂质原料供应有限，且可能与其他食品生产产生竞争，这类燃料的长期发展潜力受到限制[7]。此外，还有其他生物基生产途径，如生物质气化后再经费托合成，不过这类技术目前应用规模较小。当原始原料为非食用物质时，所得产品可归为第二代生物燃料，但这类技术的经济可行性取决于能否持续获得低成本生物质。相比之下，制液技术作为一种可扩展的替代方案，正逐渐受到重视。这类技术利用可再生氢和捕获的二氧化碳通过催化转化生成碳氢化合物，从而避免了对生物质资源的依赖，同时也减少了土地使用带来的竞争。

各国政策也在推动合成可持续航空燃料的发展，通过在主要航空市场设定强制性要求和经济激励措施（见表1）。在欧盟，作为“Fit-for-55”计划的一部分，《ReFuelEU航空法规》要求逐步在欧盟机场使用的所有航空燃料中加入可持续航空燃料。该法规规定，到2025年，可持续航空燃料的占比至少为2%，到2030年这一比例需提升至6%，其中至少1.2%为非生物来源的可再生燃料；到2035年，可持续航空燃料的占比需达到20%，2040年达到34%，2050年则需达到70%[8]。该法规还规定了与《可再生能源指令》相一致的可持续性标准，只有那些相比化石喷气燃料能实现至少70%生命周期温室气体减排的燃料才能被认定为可持续航空燃料。

英国也出台了类似的政策，要求燃料供应商在2025年将可持续航空燃料的占比提高到2%，2030年提高到10%，2040年提高到22%[9]。与欧盟不同，英国的政策还明确了从2028年开始逐步增加合成燃料的比例，初始比例为0.2%，到2040年需提升至3.5%，从而直接推动制液技术的发展。

相比之下，美国目前尚未出台类似欧盟和英国的全国性联邦可持续航空燃料混合要求。美国的政策框架主要依靠生产目标及激励机制。美国的“可持续航空燃料重大挑战计划”设定了到2030年国内可持续航空燃料年产量为30亿加仑，到2050年达到350亿加仑的目标，同时通过税收抵免、补助金、贷款担保以及跨机构协作等方式提供支持。主要的财政激励措施包括此前的40B可持续航空燃料税收抵免，该政策在2023–2024年间实施，对于那些能实现至少50%生命周期温室气体减排的可持续航空燃料，每加仑可获得1.25美元的抵免，每再多实现一个百分点的减排，每加仑可额外获得0.01美元的抵免，最高抵免金额为1.75美元/加仑。从2025年起，这项政策被45Z清洁燃料生产抵免所取代，该抵免金额与燃料的生命周期排放强度挂钩，而非固定的混合比例要求[10]。

这些监管框架共同凸显了基于制液技术的可持续航空燃料在航空业去化石化进程中的重要作用。尽管目前的生产成本仍远高于传统喷气燃料，但通过混合要求、可持续性标准以及经济激励措施，可以有效降低投资风险，推动创新，进而促进合成燃料技术的发展。因此，制液技术可持续航空燃料能否成功应用，不仅取决于技术进步，还取决于全球范围内相关政策支持的持续性和力度。

在各种制液技术路线中，有两种合成燃料生产途径尤为值得关注：费托合成路线和甲醇制喷气燃料路线。费托合成路线首先通过逆水煤气变换反应生成合成气（一氧化碳加氢气），然后再通过催化聚合生成长链碳氢化合物，最后将这些碳氢化合物加氢裂解为煤油级产品[11]。而甲醇制喷气燃料路线则是先将合成气转化为甲醇，再通过甲醇制烯烃、低聚反应以及最终加氢反应生成喷气燃料[12][13]。费托合成技术已在大型工厂得到商业化应用，且已被ASTM认证可用于可持续航空燃料的生产。相比之下，甲醇制喷气燃料技术目前的发展程度较低，但它可能具有更高的工艺灵活性，尤其适用于那些没有现有炼油设施、需要独立生产燃料的场合，因为其产品通常不需要经过复杂的后续加工即可作为合格燃料使用[14]。

已有不少研究从技术经济和环境角度对用于可持续航空燃料生产的制液技术路线进行了评估，相关结果总结见表2。冈萨雷斯-加雷等人[2]对费托合成路线和甲醇制喷气燃料路线进行了详细比较，他们在Aspen HYSYS和Aspen Plus软件中对费托合成反应及甲醇制烯烃反应的动力学进行了建模，但假设二氧化碳为外部购买所得，且未将直接空气捕集技术纳入分析范围。施密特等人[16]和考皮[15]也对比了这两种路线，但他们的研究范围较为有限：施密特仅对相关工艺和生命周期评估数据进行了文献综述，没有进行原创建模；而考皮则假设二氧化碳和氢气均为外部购买所得，且未对燃料合成反应的动力学特性进行描述。最近，艾伯格等人[14]在统一的分析框架下对这两种路线进行了详细的技术经济比较，他们在Aspen Plus软件中模拟了这两种路线，并假设电力来自海上风电。他们的研究结果表明，这两种工艺在技术上均可行，且能够显著降低碳排放，但也指出目前的成本仍比化石喷气燃料高出数倍。

还有许多研究专门聚焦于基于费托合成的可持续航空燃料生产。马尔凯塞等人[21]对从空气和水到燃料的整个生产流程进行了建模，他们假设二氧化碳通过直接空气捕集技术获取，氢气则通过碱性电解法制备。他们的分析包括了使用天然气电网电力、回收费托合成反应副产物以及采用电驱动的直接空气捕集技术等多种场景，但仅进行了技术经济评估，未开展完整的生命周期评估。博伊利等人[17]则对基于费托合成的电子煤油进行了更全面的研究，他们分析了不同的电解技术（质子交换膜电解、固体氧化物电解、共固体氧化物电解），并假设电力来自50%光伏发电和50%风能组成的混合可再生能源。他们使用SimaPro/Ecoinvent软件建立了完整的生命周期评估模型，结果显示，只要能够获得低碳电力，这类燃料的生命周期二氧化碳排放量可降低90%。彼得斯等人[18]研究了在固体氧化物电解槽中同时电解水和二氧化碳的费托合成技术，他们重点探讨了热能与电能的整合问题。他们的研究提供了详细的工艺建模和能量分析，但未进行符合ISO标准的生命周期评估。柯尼格等人[19]研究了基于管道输送的二氧化碳、质子交换膜电解产生的氢气以及海上风电电力的费托合成技术，他们重点分析了可再生能源供应不稳定所带来的挑战。他们的评估仅限于技术经济指标。赫尔茨等人[20]在假设使用外部购买的二氧化碳的前提下分析了费托合成路线，并探讨了不同的可再生能源电价情景。他们的研究重点在于减排成本（每避免1吨二氧化碳所需的成本），而非全面的环境影响评估。罗哈斯-米查加等人[22]则结合了技术经济和环境因素，分析了基于直接空气捕集技术获得的二氧化碳以及海上风电电力驱动的费托合成技术。他们的研究进行了完整的“从源头到使用端”的生命周期评估，结果显示这类燃料的碳强度可低至21克二氧化碳当量/兆焦。最后，贝克尔等人[23]对基于煤炭加工过程产生的二氧化碳以及高温固体氧化物电解技术的费托合成技术进行了早期系统级评估，他们还将风能和太阳能纳入分析范围。他们的分析侧重于整体工艺效率和成本，未进行环境评估。

还有一些研究则专门聚焦于甲醇制喷气燃料路线。拉维等人[25]研究了从大气中的二氧化碳和绿色氢气开始制备甲醇制喷气燃料的工艺，但他们没有对化学合成反应的动力学进行建模，且仅进行了技术经济评估，假设电力来自太阳能光伏发电，并配有电池储能系统。鲁奥科宁等人[24]则以可再生甲醇作为原料，二氧化碳和氢气的来源都包含在甲醇的价格中，他们没有对这些来源进行单独建模。他们分析了甲醇制喷气燃料的转化流程（甲醇→甲醇制烯烃→低聚反应→喷气燃料/柴油组分），但同样仅进行了技术经济评估，未开展正式的生命周期评估。

总体而言， 在一致的前提条件下对费托合成路线和甲醇制喷气燃料路线进行比较的研究仍然较少，尤其是那些同时结合技术经济评估和完整生命周期评估的研究。这一现状凸显了开展综合评估的必要性，只有通过综合评估，才能同时了解合成航空燃料的经济可行性和环境可持续性。

本研究的创新之处并不在于提出新的费托合成或甲醇制喷气燃料反应路线——这些路线早已存在或正处于发展阶段——而在于在一致的前提条件下，对这两种路线进行了统一的系统级比较。具体而言，这两种路线的评估均采用了相同的可再生氢输入条件、电力供应方案、二氧化碳来源假设、技术经济评估框架以及“从源头到使用端”的生命周期评估方法。这种综合评估方法使得人们能够在统一的框架内，量化电力来源策略、二氧化碳供应方式、氢气生产方式、工艺配置以及资本成本假设对可持续航空燃料产量、温室气体强度以及生产平均成本的影响。通过这种方式，本研究明确了影响可持续航空燃料生产的主要权衡因素，为工艺设计、技术选择以及早期工业化应用提供了有益的参考。

因此，本研究的目的是对基于捕获的二氧化碳和可再生氢的费托合成路线和甲醇制喷气燃料路线进行技术经济和环境方面的比较评估。这两种工艺均在Aspen HYSYS V12软件中进行了模拟，并通过Aspen Process Economic Analyzer进行了分析，假设绿色氢气的来源为20兆瓦的质子交换膜电解器，这一设定符合“非生物来源的可再生燃料”的定义。为评估结果对电力供应配置的敏感性，研究了三种情景：（i）安装容量与电解槽相同（20兆瓦）的光伏发电系统，以电网作为备用及虚拟储能；（ii）安装容量为光伏系统五倍的发电系统（100兆瓦），同样依靠电网作为备用及虚拟储能；（iii）在长期购电协议支持下完全依赖电网，该协议确保符合RFNBO标准。选择这些情景是为了体现不同的可再生能源占比和电网依赖程度，从而呈现PtL设施潜在部署策略的实际情况。安装容量与电解槽相同的光伏系统（20兆瓦）由于太阳能的间歇性而高度依赖电网备用，而扩大光伏容量（100兆瓦）则代表一种高可再生能源占比的策略，可降低对电网的依赖[26]。在这两种情况下，电网都起到“虚拟储能”的作用，用于平衡能量波动[27]。最后，基于长期购电协议的纯电网配置既确保符合RFNBO定义，又反映了可再生能源供电的实际市场机制[28]。TEA评估了包括资本支出、运营支出以及合成航空燃料的平准化生产成本在内的关键性能指标。与此同时，根据ISO 14040/44标准进行的生命周期评估，则量化了从可再生能源发电、电解、电子燃料合成到升级整个过程中的环境影响。通过在不同边界条件和建模假设下比较FT和MtJ路径的经济可行性和环境表现，本研究有助于确定推动合成SAF大规模生产的最具前景的PtL路径。研究结果可为政策制定、工业投资和研究重点提供指导，助力实现欧盟ReFuelEU Aviation计划及英国SAF相关要求等国际减碳目标。

方法论
本研究采用的方法框架结合了详细的流程模拟、技术经济分析以及生命周期评估，用以评估通过FT和MtJ路径利用捕获的二氧化碳和可再生氢气生产SAF的可行性。上游的氢气生产系统（光伏供电和PEM电解）通过电子表格进行建模，而下游的FT和MtJ转化过程则在Aspen HYSYS V12软件中模拟。研究中采用了20兆瓦的电解槽。

结果与讨论
本部分展示了研究的主要结果，共分为三部分。首先分析了不同电力供应配置下的能源性能，重点探讨了三种情景中光伏发电、电解槽运行与电网依赖之间的关系。其次，分析了FT和MtJ路径的流程模拟结果以及生命周期评估的结果，阐明了每种路径的环境影响。最后，进行了TEA分析。

结论
本研究对比分析了两种利用可再生氢气和捕获的二氧化碳生产SAF的Power-to-Liquids路径——费托法和甲醇制航空燃料法，从技术经济和生命周期评估两个角度进行了评估。在一致的边界条件下，这两种路径均处于从概念设计到可行性研究的阶段，所考虑的输入条件包括来自20兆瓦PEM电解槽的可再生氢气、相似的电力供应情景、类似的二氧化碳来源假设，以及统一的评估标准。

CRediT作者贡献声明
Pasquale Licastro：撰写——初稿、方法论、研究、正式分析。Celeste Scicchitano：撰写——初稿、软件应用、研究、数据整理。Luca Mendicino：验证、研究。Emanuel Muraca：监督、项目管理。Domenico Macrì：撰写——审稿与编辑、方法论、概念设计。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。