氨辅助与生物质基混合可持续航空燃料生产过程的集成：国家尺度约束下的技术经济与生命周期评价

《Fuel Processing Technology》：Process integration of ammonia-assisted and biomass-based pathways for hybrid sustainable aviation fuel production: Techno-economic and life-cycle assessment under national-scale constraints

　　

本研究提出了一种创新的混合可持续航空燃料(SAF)生产系统，该系统将绿色氨辅助(GAtSAF)途径与未充分利用生物质(UBtSAF)途径相结合。研究人员指出，单一途径难以同时兼顾成本竞争力与环境效益。通过整合这两种途径，旨在平衡SAF的经济可行性与温室气体(GHG)减排目标。研究结果表明，未充分利用生物质基SAF(UBtSAF)占比在21%至43%之间时，可使混合SAF的成本进入市场可接受范围(1870至2600美元/吨)。此外，提高绿色氨(GAtSAF)的掺混比例可显著增强生命周期内的二氧化碳(CO2)减排效果，最高可实现约70%的减排率。敏感性分析进一步证实了该混合系统在面临国家能源价格波动时的稳健性。该研究为国家层面的SAF部署提供了一种兼具经济效益与环境可持续性的优化策略。

论文解读：氨辅助与生物质基混合可持续航空燃料生产的系统集成研究

研究背景与意义

在全球能源系统脱碳的迫切需求下，交通运输业尤其是航空业的减排面临着巨大挑战。由于航空业对高能效液体燃料的结构性依赖，电气化或氢能的直接应用受到限制。可持续航空燃料(SAF)被视为实现国际民航组织(ICAO) 2050年净零排放目标的关键手段。然而，现有的SAF生产途径如氢化酯和脂肪酸(HEFA)、醇喷合成(AtJ)及电转液(PtL)等，分别受制于原料限制、高能耗或高昂的可再生氢成本。费托(FT)合成虽具备大规模供应潜力，但仍需稳定的氢源。此外，单一依赖生物质基路线受限于原料供应的季节性和地域性，而绿色氨辅助路线则受限于较高的生产成本。因此，如何集成不同路径以平衡经济性与环境效益，成为当前SAF研究领域亟待解决的核心问题。本文发表在《Fuel Processing Technology》。

关键技术与方法

研究人员构建了一个基于过程模拟的技术经济评价(TEA)与生命周期评价(LCA)相结合的优化框架。首先，利用AVEVA PRO/II Simulation 2024软件分别对绿色氨辅助(GAtSAF)和未充分利用生物质基(UBtSAF)两条路径进行了稳态质量和能量衡算模拟。GAtSAF路径涵盖了氨裂解、碳捕集、FT合成及升级工段；UBtSAF路径则采用化学链(CL)气化技术生成合成气和高纯氢，随后进行FT合成与升级。其次，基于模拟数据，研究人员计算了平准化SAF成本，并将副产物收益作为收入抵扣。在环境评价方面，结合Ecoinvent数据库，采用避免负担法处理副产物的环境效益。最后，以韩国仁川国际机场2030年和2035年的SAF强制掺混需求为案例，引入国家尺度的原料供应与物流约束，通过建立系统级优化模型，确定了满足国家需求且成本最优的混合配比。

研究结果

单一路径对比分析：经济与环境的权衡

研究人员通过模拟发现，GAtSAF路径展现了卓越的环境绩效，其基准全球变暖潜能值(GWP)仅为0.53吨CO₂-当量/吨SAF，考虑副产物替代后甚至可达到负值。然而，由于绿色氨价格高昂，其平准化成本高达3260.38美元/吨SAF。相比之下，UBtSAF路径得益于未充分利用木质生物质极低的原料成本，平准化成本仅为61.67美元/吨SAF，但该数值因假设生物质为零成本而属于理想下限；其环境表现相对较弱，基准GWP为1.89吨CO₂-当量/吨SAF。这表明单一路径无法同时实现低成本与深减排。

混合策略：掺混比例的优化

为了克服单一路径的局限性，研究人员评估了不同混合比例下的表现。结果显示，增加UBtSAF比例会线性降低总生产成本，但会略微增加整体GWP。当UBtSAF的掺混比例在21%至43%之间时，混合SAF的平准化成本恰好落入1870至2600美元/吨的市场预期范围内。在此区间内，对应的GWP约为-0.36至0.10吨CO₂-当量/吨SAF，实现了经济竞争力与深度脱碳的平衡。

国家尺度约束下的系统级性能

针对韩国2030年最大SAF需求场景，研究人员评估了79:21与57:43两种代表性混合方案。在经济结构上，GAtSAF的运营成本主要由绿色氨等原料成本主导，而UBtSAF的运营成本则更多来自厂外设施(OSBL)和维护费用。随着UBtSAF比例增加，生物质运输成本显著上升。在环境方面，79:21方案的净GWP为-0.36吨CO₂-当量/吨SAF，57:43方案接近碳中和(-0.08吨CO₂-当量/吨SAF)。供应链分析表明，蔚山氨终端的现有基础设施足以支撑氨供应，但江原道的生物质资源在43%的高掺混比例下将接近区域资源极限。

敏感性分析与局限性

研究人员分析了国家公用事业价格波动对混合系统的影响。结果表明，随着UBtSAF比例的增加，系统经济性对电价的敏感度显著增强；而在GAtSAF主导的方案中，液化天然气(LNG)价格波动的影响更为突出。相比之下，捕获CO₂的价格波动对总成本影响甚微。此外，研究也指出了当前模型的局限性，包括生物质资源的季节性变异、分散式供应链的复杂物流以及化学链(CL)连续运行和氧载体稳定性的工程挑战。

结论总结

本研究证实，将绿色氨辅助(GAtSAF)与未充分利用生物质基(UBtSAF)途径相混合，是解决单一SAF路径在成本与减排间权衡的有效策略。在国家市场需求约束下，21%至43%的UBtSAF掺混区间是实现经济可行性的关键。尽管UBtSAF提供了极致的低成本优势，但其大规模部署严格受限于区域原料可用性，而GAtSAF则为长期供应稳定提供了关键的容量缓冲。研究成果强调了政策驱动的公用事业价格稳定性对于确保SAF供应链稳健的重要性。总之，这种混合策略为韩国及其他地区在满足国家掺混任务的同时实现深度脱碳提供了一条切实可行的科学路径。