《Applied Energy》：Impact of specific biogenic feedstocks on process design and techno-economic performance in hydrogen-enhanced biofuel production via Methanol-to-Jet
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面对气候变化，所有工业部门（包括航空部门）都必须去化石燃料化。目前，航空业严重依赖化石煤油。可持续航空燃料（SAF）有望减少气候影响，因为可以利用现有基础设施，而其他替代方案（如电气化和氢能）具有挑战性。本研究考察了五种不同原料（沼渣、污水污泥、松木、秸秆和山
面对气候变化，所有工业部门（包括航空部门）都必须去化石燃料化。目前，航空业严重依赖化石煤油。可持续航空燃料（SAF）有望减少气候影响，因为可以利用现有基础设施，而其他替代方案（如电气化和氢能）具有挑战性。本研究考察了五种不同原料（沼渣、污水污泥、松木、秸秆和山毛榉木）和三种工厂规模（100 MW、200 MW和500 MW原料）对使用气流床气化（entrained flow gasification）生产合成气、水电解（water electrolysis）加氢和甲醇制航煤（Methanol-to-Jet）作为转化技术的SAF生产过程链的技术经济性能的影响。氢气被添加到合成气中以实现全碳转化。评估表明，技术性能参数（如能量效率）仅轻微依赖于原料及其组成，而对经济性的影响更大，因为更多因素（如气化资本成本和原料价格）发挥作用。不同工厂规模的结果表明，大型工厂显著受益于规模经济（economy-of-scale）效应，甚至超过原料选择的影响。生产成本为2.96-3.91 �/L，取决于规模和原料，其中不同原料和相同工厂容量的配置生产成本变化高达6%。CO2减排成本估计为800–1350 �/tCO2。总体而言，分析表明，原料的可用性和高满负荷小时的稳定运行对于最小化生产成本至关重要。
**研究背景与问题**
航空业每年排放超过800 Mt CO
2，且排放预计到2050年急剧上升。可持续航空燃料（SAF）因其可替代化石煤油而不需修改基础设施，成为脱碳关键路径。目前SAF生产主要依赖Biomass-to-Liquid（BtL）技术，但生物质原料有限且存在供应冲突。Power-and-Biomass-to-Liquid（PBtL）过程通过添加氢气提高碳转化效率，但不同生物质原料对过程设计和技术经济性能的影响尚未系统评估。现有研究多关注单一原料，缺乏多原料横向对比。为此，研究人员在《Applied Energy》发表论文，系统性评估五种原料（沼渣、污水污泥、松木、秸秆、山毛榉木）和三种规模（100 MW、200 MW、500 MW）对使用气流床气化（EFG）、固体氧化物电解（SOEL）和甲醇制航煤（MtJ）的PBtJ过程链的技术经济性能影响。
**主要关键的技术方法**
研究人员采用Aspen Plus V14进行全过程建模，包括：基于实验数据的秸秆和山毛榉木烘焙模型、气流床气化（EFG）的平衡模型（1400°C、30 bar）、固体氧化物电解（SOEL）模型（85%能量效率）、甲醇制航煤（MtJ）过程（含甲醇合成动力学模型、MTO动力学模型和烯烃齐聚固定分布模型）以及电加热改革器模型。热集成通过Matlab夹点分析优化。经济评估采用TUM Chair of Energy Systems Techno-Economic Analysis（CESTEA）方法，基于2023年成本基准，特定设备成本根据原料组成和工艺条件单独缩放。原料来源包括EU理论潜力数据。
**研究结果**
**4.1 技术评估**
通过六项技术指标（碳效率η
C、能量效率η
E、能量产率EY、单位氢需求HD、产品产率PY、电气化比ER）分析100 MW配置，发现不同原料的η
C为89%–91%、η
E为50%–53%，差异很小；预处理（烘焙）配置的η
E略高。氢气添加（SN=2）削弱了合成气组成差异的影响；产物分布稳定（50%柴油、34%航煤、16%汽油）。
**4.2 经济评估**
固定资本投资（FCI）因原料不同偏差达20%，其中气化成本差异最大；松木FCI最低，污水污泥最高。生产成本（LCOP）为2.96-3.91 �/L，同规模下不同原料间变化≤6%；规模从100 MW增至500 MW降低LCOP达20%。电力成本占比26%–35%，原料成本占比≤5.7%。将产品按能量分解为生物基（Bio-SAF）和电动基（e-SAF）后，e-SAF更贵（3.85-4.62 �/L），但低于其他RFNBO途径。
**4.3 整体讨论**
敏感性分析显示满负荷小时数、利率和电价是LCOP最敏感因素；高满负荷小时数依赖于气化炉稳定运行。CO
2减排成本（考虑污水污泥中24%化石碳）为800-1350 �/tCO
2，远高于当前EU碳价（100 �/tCO
2），需要补贴和低价电力。原料组成变化（如高灰分）会降低性能但可能被低价抵消；大规模工厂可行性受原料可用性限制，秸秆和木质残体可满足EU 2030航煤需求，而沼渣和污水污泥仅适合小规模。
**总结讨论与结论**
讨论部分强调：
- 气化炉可用性高度依赖原料，高灰分原料（如污水污泥）可能因渣特性导致停机，降低满负荷小时数。
- 过程建模假设的理想条件（如平衡气化、固定SOEL效率）与实际运行有偏差，但综合对比仍具参考价值。
- 经济评估精度约±30%，但统一方法确保公平比较。
**研究结论（翻译）**
本研究比较了基于沼渣、污水污泥、松木、秸秆或山毛榉木的15种Power-and-Biomass-to-Jet（PBtJ）过程案例，考虑100 MW、200 MW和500 MW原料供应。详细过程建模和热集成推导出质量和能量平衡，经济性能通过TUM CESTEA方法估算。技术性能仅略微受原料选择影响，能量效率为50%–53%，碳回收率为89%–91%。使用烘焙预处理（山毛榉木和秸秆）的配置比未预处理配置实现更高能量效率。水平化生产成本（LCOP）为2.96-3.91 �/L，同规模下不同原料间最大差异为6%，而规模经济效应从100 MW到500 MW可降低成本高达20%。在100 MW规模下，松木因最低资本成本达到最低成本；在200 MW和500 MW规模下，污水污泥因原料处置收入实现最低成本。然而，考虑到污水污泥中的化石碳分数，其CO
2减排成本（1000-1350 �/tCO
2）高于其他配置（800-1100 �/tCO
2）。基于能量将LCOP分为电动和生物两部分显示，电动部分始终更贵，而生物基SAF生产也更受益于规模经济效应。经济敏感性研究表明，满负荷小时数、利率和氢气生产成本（电解资本成本和电价）是最具影响力的因素。高工厂占用率只有通过稳定的气化炉运行才能实现，这对基于生物质的工厂可能具有挑战性。总之，生产成本主要由原料的可转化性和可用性决定。由于本研究仅考虑甲醇制航煤（Methanol-to-Jet）转化路线，未来研究应直接比较其他PBtJ路线（如Fischer-Tropsch合成和乙醇制航煤（Ethanol-to-Jet）），以评估它们对性能的影响，并为扩大可再生航煤生产提供更好指导。
