电可持续航空燃料的集成工艺设计与技术经济评估

《Applied Energy》：Integrated process design and techno-economic evaluation of electro-sustainable aviation fuel (e-SAF)

　　

摘要

利用可再生电力和捕获的二氧化碳生产可持续航空燃料，仍受到高能源需求和巨大资本投入的限制。为评估这些挑战，本研究在Aspen Plus? V14软件中构建了一个集成型的二氧化碳转可持续航空燃料工艺，并对其进行了技术经济分析，该工艺包含四个子系统：二氧化碳捕获、碱性水电解、RWGS-FTS燃料合成，以及通过质子交换膜燃料电池利用尾气。该集成系统能够以每小时27.6吨的二氧化碳和3.84吨的氢气为原料，生产出每小时5100公斤的可持续航空燃料、柴油和石脑油，且各组分的质量、碳含量和能量均保持平衡。其中，电解器和二氧化碳捕获环节是电能消耗的主要部分，而质子交换膜燃料电池只能提供少量的净电能。该工艺的资本投入极高，总资本支出达542.95百万美元，其中电解器和二氧化碳捕获环节分别占54.5%和27.1%。年度运营成本为154.31百万美元/年，且这一数值与电价密切相关。因此，经过折现后的现金流成本为每公斤可持续航空燃料6.43美元。敏感性分析表明，电价和电解器的资本支出是影响成本的主要因素。阈值分析则显示，当电价低于0.054美元/千瓦时时，引入质子交换膜燃料电池就不再能带来净经济收益。这些研究结果强调了使用低成本可再生电力、改进电解和二氧化碳捕获技术，以及对集成系统进行综合评估的重要性，这些都有助于推动具有经济可行性的可持续航空燃料发展路径的建立。

引言

随着人类活动产生的二氧化碳排放量不断增加，全球变暖现象愈发严重，而化石燃料的燃烧仍是二氧化碳排放的主要来源。航空业因其依赖高能量密度的液体燃料，且在长途飞行方面短期内缺乏替代方案，所以实现脱碳尤为困难。2015年，航空业排放了约7.81亿吨二氧化碳，约占交通运输领域二氧化碳排放总量的12%，同时占全球二氧化碳当量排放总量的2.5%[1]。航空用喷气燃料A-1的年消耗量约为2400亿升[1]，而且随着航空需求的年均增长率约为4%，现有的节油技术仍不足以抵消航空业日益增长的碳排放量[2]。国际航空运输协会设定了在2050年前实现二氧化碳净零排放的目标，预计可持续航空燃料将承担其中65%的减排任务[3]。

为实现这些气候目标，需要大幅增加可持续航空燃料的供应量，从2023年的约0.5百万吨增加到2030年的至少46百万吨，再到2050年的360百万吨[3]。目前获得美国材料与试验协会认证的可持续航空燃料生产方法主要依赖于生物质原料，如城市固体废物、农业和森林废弃物、能源作物、油脂以及废油等[4]。然而，生物质的可持续获取能力存在地域限制，同时还面临着食品、能源和化工行业之间的竞争性需求。此外，欧盟RED-III计划以及“重新为航空业加油”法规等政策框架，也为非生物来源的可再生燃料设定了具体目标，以此保障其长期发展的可行性[5]。正因如此，利用可再生电力生产的二氧化碳衍生可持续航空燃料，也就是所谓的电子可持续航空燃料，作为一种具备可扩展性且可实现碳中和的替代方案，越来越受到重视。

电子可持续航空燃料是通过将捕获的二氧化碳与通过可再生能源驱动的水电解产生的绿色氢气结合而制成的。所需的二氧化碳可以来自直接空气捕集技术、生物源二氧化碳，或是工业排放源[6]。不过，越来越多的可持续发展框架倾向于优先使用大气中的二氧化碳和生物源二氧化碳，这样才能在产品全生命周期内实现更大幅度的温室气体减排[7]。此外，绿色氢气在减少交通、化工和能源领域的碳排放方面也发挥着重要作用[8]。但目前全球范围内，只有少量氢气是通过水电解方式生产的，大部分氢气仍然是通过蒸汽甲烷重整法从天然气中提取的[9]。这一现状凸显出有必要建立综合性的、基于流程图的基准分析模型，以便准确量化氢气生产需求，并将其合理地纳入后续的电子燃料合成性能和成本分析中。

在各类潜在的电子可持续航空燃料生产路径中，逆向水煤气变换配合费托合成工艺是一种被广泛研究和作为基准对比的工艺方案。在该工艺中，逆向水煤气变换反应会将二氧化碳和氢气转化为富含一氧化碳的合成气，随后再通过费托合成反应将这些合成气进一步加工成液态烃类产品。通过加氢处理、加氢裂化、加氢异构化以及分馏等工艺，还可以进一步优化费托合成产物，从而得到适合用作喷气燃料的烃类物质。近年来，氢气生产技术、二氧化碳捕获技术以及基于费托合成的铂金催化剂系统整合技术都取得了显著进展，这些都进一步提升了逆向水煤气变换配合费托合成工艺在电子可持续航空燃料生产中的应用价值[10]、[11]。尽管这种集成式的铂金催化剂系统在规模化生产和成本控制方面仍面临诸多挑战，但它仍然是一种具有实际应用价值的参考方案，因为它结合了成熟的费托合成技术，以及正在不断发展中的二氧化碳转合成气转化技术。因此，本研究选择逆向水煤气变换配合费托合成工艺作为基础，用以分析二氧化碳转可持续航空燃料系统中的工艺整合效果、能源利用效率以及技术经济可行性。

用于生产费托合成衍生航空燃料的铂金催化剂系统概念还相对较新，相关的商业应用经验也极为有限[12]、[13]、[14]。正因如此，相关研究主要沿着两个互补的方向展开。其一，工艺建模研究着眼于分析合成气生成、费托合成反应过程以及后续的产物升级或分离工艺等方面的技术可行性与设计要点[15]。其二，技术经济评估则是在假设特定的电力价格、二氧化碳价格以及融资条件的前提下，将这些工艺配置转化为具体的产品售价指标[13]、[16]、[17]。由于铂金催化剂系统需要大量的电能输入和巨额的资本投入，不同研究报告中得出的成本数据差异较大，因此，在解读产品售价时，必须充分考虑建模的精确度、系统的边界条件以及所依据的区域特定假设。

近期针对铂金催化剂系统电子可持续航空燃料生产技术经济分析的研究结果表明，电能需求以及与电解过程相关的资本成本是决定燃料最低售价的主要因素。不过，不同研究报告中给出的工艺效率和生产成本数值差异很大，这主要是由于系统边界设定、工艺整合策略以及建模假设的不同所致[12]、[17]、[18]。现有的研究大多侧重于整体工艺的可行性、反应器性能以及逆向水煤气变换配合费托合成工艺配置的成本估算，而在技术经济分析的范畴内，对于尾气的综合利用问题关注相对较少。因此，关于在系统中整合尾气能量回收技术所带来的技术经济影响，目前还缺乏足够的研究。

费托合成反应后的尾气中含有残留的氢气，这些氢气有可能被回收起来用于发电。但在许多铂金催化剂系统中，这些尾气要么被用于获取低品位的热能，要么就被直接排放而不加以利用。虽然以往的研究多集中在合成气预处理和工艺整合策略方面，但很少有研究探讨通过电化学方法回收尾气中的氢气所带来的系统级边际效益，以及这种回收方式在不同电价条件下去影响系统净电能需求、燃料最低售价以及系统整体可行性的程度。因此，本研究构建了一个集成模拟模型，用于分析通过逆向水煤气变换配合费托合成工艺，再结合尾气氢气回收以及基于质子交换膜燃料电池的发电方式来生产电子可持续航空燃料的全过程。该模型旨在评估在集成式铂金催化剂系统中实现内部能量回收所带来的能源和经济效益。本研究的主要贡献如下：

• 1)
  开发了一套完整的Aspen Plus铂金催化剂系统基准模型，可用于模拟二氧化碳转电子可持续航空燃料的生产过程，且该模型能够实现质量、碳含量和能量平衡的精确计算。
• 2)
  将该模型与尾气氢气回收以及基于质子交换膜燃料电池的发电技术相结合，构建了一个符合技术经济分析要求的统一分析框架。
• 3)
  分析了引入质子交换膜燃料电池对系统净电能需求、铂金催化剂系统效率、燃料最低售价的影响，同时还确定了该系统具备经济可行性的电价阈值。
• 4)
  明确了在台湾地区的特定经济环境下，影响铂金催化剂系统电子可持续航空燃料应用发展的主要技术经济因素。

章节摘录

工艺描述与配置

在稳态条件下，使用Aspen Plus? V14软件对捕获的二氧化碳转化为适合用作喷气燃料的烃类物质的过程进行了模拟。所设计的这种制液型工艺系统包含四个相互关联的子系统：二氧化碳捕获与预处理、可再生氢气生产、燃料合成，以及尾气利用。在燃料合成过程中产生的尾气中的残留氢气会被收集起来，然后在质子交换膜燃料电池子系统中转化为电能。整个工艺的拓扑结构及其相互连接关系如图1所示。该

系统性能分析

本节介绍了集成型二氧化碳转电子可持续航空燃料工艺配置在质量、碳含量和能量方面的平衡情况。这些分析对于评估各种物质转化路径、碳元素的利用效率以及整个集成系统中的能量分布情况至关重要，它们为后续的关键性能指标分析和技术经济分析提供了量化依据。此外，这些平衡关系还能揭示各个子系统之间的相互作用，帮助我们更全面地了解整个系统的运行状况

结论

本研究开发的集成型二氧化碳转电子可持续航空燃料铂金催化剂系统，在符合系统边界要求的工艺整合框架下具备技术可行性，但同时也显示出当前该系统在电能需求和资本投入方面存在较大压力，这些因素使得其在经济竞争力上相比传统化石燃料喷气燃料仍处于劣势。研究结果表明，该系统的经济可行性主要取决于可再生电力的价格、电解反应的性能以及二氧化碳捕获过程所需的能量，而质子交换膜燃料电池所能带来的经济效益则相对有限

作者贡献说明

阿贡·卡希奥诺：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、可视化分析、验证工作、方法研究、概念构思。 班基特·戈塔马：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、可视化分析、验证工作、方法研究。 维卡斯·维尔马：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、验证工作、方法研究、概念构思。 塔莉莎·菲洛菲亚·索潘迪：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、验证工作、方法研究、概念构思。 王伟成：文章撰写——

利益冲突声明

所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本项目得到了台湾地区国家科学技术委员会的资助，资助项目编号为114-2221-E-006 -156 -MY3。

阿贡·卡希奥诺|班基特·戈塔马|维卡斯·维尔马|塔莉莎·菲洛菲亚·索潘迪|王伟成

台湾台南市70101，国立成功大学能源工程国际学位课程