资源约束下的木质纤维素农林剩余物增值化用于可持续航空燃料生产：一项综合技术经济与生命周期评估

《Industrial Crops and Products》：Resource-constrained valorization of lignocellulosic agricultural and forest residues for sustainable aviation fuel production: An integrated techno-economic and life cycle assessment

　　

●在韩国生物质供应限制下，研究人员评估了来自稻草和废木材的可持续航空燃料（SAF）。●木片：177.5吨/天SAF，成本1176美元/吨；稻草：80.1吨/天SAF，成本1944美元/吨。●副产品信贷使全球变暖潜势（GWP）净值为负，范围为-0.57至-0.58吨CO₂当量/吨SAF。●2030年需求可通过木片满足；2035年需要3.2%的稻草混合。●e-SAF（电制可持续航空燃料）混合比例高达65%时，在可行市场价格内达到接近零的全球变暖潜势（GWP）。

航空业脱碳面临重大挑战，主要因其对高能量密度液体燃料的依赖，尤其是在中长途运输中。电池电动和氢能航空技术存在能量密度低、存储基础设施不足及经济可行性差等限制，因此可持续航空燃料（SAF）作为可直接替代传统航空燃料的“即用型”燃料受到广泛关注。然而，SAF的大规模部署受限于原料供应有限、生产成本高以及政策激励不一致等结构性挑战。现有研究多基于理想化条件，忽略了生物质资源的空间分布、季节性变化及与其他行业的竞争，导致对经济性能的低估。为此，本研究针对韩国国情，开展系统级分析，整合国家统计数据中的生物质可用性和供应约束，评估SAF的供应潜力、经济性和环境性能。研究人员设计了基于化学链气化（chemical looping gasification）和费托合成（Fischer-Tropsch synthesis, FT）的集成SAF生产流程，以木片和稻草为代表原料，并考虑e-SAF（electro-SAF）路径作为补充。研究得出以下结论：木片基SAF产量为177.5吨/天，平准化成本为1176美元/吨；稻草基SAF产量为80.1吨/天，成本为1944美元/吨。通过副产品信贷，全球变暖潜势（GWP）呈负值（-0.57至-0.58吨CO₂当量/吨SAF）。基于需求分析，2030年SAF需求仅靠木片即可满足，而2035年需混合约3.2%的稻草。e-SAF路径成本高达7096美元/吨，但GWP可达-4.02吨CO₂当量/吨，在2040年绿色氨价格下降情景下，经济可行混合比例可达16–65%，接近零排放。该研究为韩国等生物质资源有限的国家提供了实际部署路径，强调原料多样化与e-SAF补充的重要性。论文发表在《Industrial Crops and Products》。

研究人员为开展研究用到以下主要关键的技术方法：1）基于AVEVA PRO/II软件的过程模拟，建立化学链气化、费托合成及升级反应模型，以确定物质和能量平衡；2）技术经济分析（TEA），计算平准化成本，包括资本支出（CapEx）、运营支出（OpEx）及副产品信贷，并采用韩国国家统计数据中的生物质资源（稻草和废木材）作为样本队列来源；3）生命周期评估（LCA），使用Ecoinvent数据库，采用避免负担法量化全球变暖潜势（GWP），并考虑CO₂利用信贷；4）资源评估，基于韩国国家统计的生物质潜力，考虑收集性、可及性及运输成本；5）敏感性分析，评估电价、液化天然气（LNG）价格、绿色氨价格及CO₂价格等参数对经济和环境性能的影响。

**3.1 质量平衡与SAF生产性能**
通过过程模拟与质量平衡分析，研究人员发现木片基SAF产量为177.5吨/天，生产1吨SAF需约15.0吨生物质；稻草基SAF产量为80.1吨/天，需约19.0吨生物质。稻草因有机含量低、无机物比例高，导致碳转化效率较低，且灰分产量（1.6吨灰分/吨SAF）远高于木片（0.1吨灰分/吨SAF），表明木片碳利用效率更优。

**3.2 生物质基SAF的技术经济与环境性能**
技术经济分析显示，木片基SAF平准化成本为1176美元/吨，稻草基为1944美元/吨，运营支出（OpEx）占主导地位，其中原料成本分别占68%和76.6%。木片供应成本以运输为主，稻草则因分散性和低堆积密度，装载和储存成本更高。生命周期评估（LCA）表明，采用避免负担法后，木片和稻草基SAF的全球变暖潜势（GWP）分别为-0.58和-0.57吨CO₂当量/吨SAF，远低于国际民航组织（ICAO）的可持续性基准（3.45吨CO₂当量/吨SAF），满足减排要求。

**3.3 e-SAF路径的技术经济与环境性能**
e-SAF路径的平准化成本约为7096美元/吨，运营支出中原料成本（绿色氨和CO₂）占70.4%，资本支出相对较小。生命周期评估显示，在考虑CO₂利用信贷后，e-SAF的全球变暖潜势（GWP）为-4.02吨CO₂当量/吨e-SAF，表明环境效益显著，但当前经济可行性受限。

**3.4 国家SAF需求可行性**
基于韩国2030年和2035年强制混合目标（5%和10%），研究人员将SAF需求与原料供应潜力对比。结果显示，2030年需求（17,284–28,806吨/年）可完全由木片基生产满足；2035年需求（42,807–61,153吨/年）仅靠木片可满足约96.8%，需补充约3.2%的稻草（33,965吨/年），此时系统成本升至1201美元/吨SAF，全球变暖潜势（GWP）仍为-0.58吨CO₂当量/吨SAF。

**3.5 敏感性分析**
经济敏感性分析表明，电价波动对木片和稻草基SAF平准化成本影响最大（最大增幅超320%），LNG价格影响较小（低于30%）。e-SAF路径对绿色氨价格高度敏感，当价格从887美元/吨降至400美元/吨（2040年预测）时，成本显著下降，CO₂价格影响微弱。环境敏感性分析显示，采用质量、能量和经济分配方法时，生物质基SAF的全球变暖潜势（GWP）在0.23–0.33吨CO₂当量/吨SAF范围内，e-SAF路径的GWP始终为负（-1.87至-2.87吨CO₂当量/吨SAF），均满足ICAO标准。基于2023–2024年废木材统计数据的敏感性分析表明，原料可用性变化对总体SAF生产潜力影响可忽略。

**3.6 SAF与e-SAF混合分析（2040年目标）**
考虑到e-SAF成本高，研究人员评估了混合比例对平准化成本和全球变暖潜势（GWP）的权衡。在2040年绿色氨价格降至400美元/吨的假设下，经济可行的e-SAF混合比例为16–65%，此时混合燃料的GWP接近零排放。该路径作为生物质基SAF的补充，可克服国内生物质资源限制，实现长期脱碳目标。

**3.7 战略意义**
通过SWOT分析，研究人员指出化学链气化技术已达到中等技术成熟度（TRL），但仍需改进原料变异性、氧载体耐久性及系统集成。生物质供应受实际可用性限制，进口面临检疫法规约束。燃料密度限制要求与传统航空燃料混合以实现近期部署。综合而言，原料多样化、循环资源利用及生物质基SAF与e-SAF的跨路径整合是韩国SAF持续部署的关键策略。

**总结讨论部分**：讨论强调了生物质基SAF作为近期过渡选项的重要性，而e-SAF在可再生能源和绿色氢成熟后将发挥更大作用。混合分析展示了从SAF到e-SAF的过渡路径，并指出SAF仍是现有航空机队的主要脱碳选项，氢能航空为长期补充方案。此外，绿色氨供应策略（进口 vs. 直接生产）影响成本和环境性能，需进一步评估。

**研究结论部分翻译**：本研究提出了一个基于国内可用木质纤维素生物质的SAF生产系统集成评估，整合了国家生物质资源和供应约束。分析考虑了原料特性和可用性，评估了实际燃料生产潜力，并探讨了e-SAF作为补充路径的作用。结果表明，SAF生产性能更多受原料特性和供应条件控制，而非工艺配置。在相同工艺条件下，木片和稻草的SAF产量分别为177.5吨/天和80.1吨/天，差异达两倍。每吨SAF的生物质需求分别为15.0吨和19.0吨，凸显了碳转化效率和原料组成的关键作用。经济方面，木片和稻草的平准化成本分别为1176和1944美元/吨SAF，其中68–76.6%的总成本归因于原料。环境方面，总全球变暖潜势（GWP）约为0.51–0.54吨CO₂当量/吨SAF，应用副产品信贷后降至-0.57至-0.58吨CO₂当量/吨SAF，满足国际可持续性基准。基于需求的分析表明，2030年SAF需求可仅由木片满足，而2035年木片仅能满足约96.8%的需求，存在供应限制。通过引入稻草，需求可得到满足，稻草混合比例约为3.2%，系统成本升至约1201美元/吨SAF，GWP仍约为-0.58吨CO₂当量/吨SAF。尽管e-SAF路径生产成本高（约7096美元/吨e-SAF），限制了其独立经济可行性，但考虑CO₂利用信贷后，其净GWP可达-4.02吨CO₂当量/吨e-SAF。基于参考成本范围，2040年经济可行的e-SAF混合比例约为16–65%，此时GWP接近零排放。总体而言，SAF生产的可扩展性主要由原料可用性和特性决定，而非工艺设计。在国内生物质资源有限的国家，单一原料不足以确保稳定供应。因此，结合多样化木质纤维素残余物与在经济可行范围内补充使用e-SAF的策略，被认为是SAF部署的实际路径。