可持续集成式drop-in燃料生产——一种基于整体优化的方法

《Energy Advances》：Sustainable integrated drop-in fuel production – a holistic optimization-based approachOpen Access

　　

使交通运输部门脱碳需要可再生的drop-in燃料，以应对持续存在的内燃机以及难以电气化的重型和非道路应用。然而，可再生燃料的规模化部署受到生产经济性、资源效率、生命周期排放和严格的发动机兼容性要求之间复杂且往往相互竞争的相互依赖关系的阻碍。研究人员提出了一种基于整体优化的设计框架，该框架集成过程、产品和能源供应，用于优化面向汽油和柴油发动机的可再生drop-in燃料生产。研究人员考虑了包括生物质制液体（Biomass-to-Liquid, BtL）、发酵和电转液（Power-to-Liquid, PtL）路径在内的全面路径组合，并同时优化化学过程、燃料组成和能源系统。研究人员证明，在混合集成过程概念中组合路径始终比独立燃料生产路径（例如PtL）实现更高的成本和资源效率，同时满足drop-in使用的燃料性质。严格的热集成提高了能源效率，并且假设可再生电力组合和绿色氢的可获得性，相对于化石基准将温室气体排放减少20倍。此外，高资源效率使得与木质纤维素乙醇生产相比具有较低的成本溢价（22–39%）。研究人员的分析表明，可再生氢和电力供应是燃料成本和排放的主要驱动因素，其影响超过生物质等其他原料。此外，研究人员量化了放宽燃料性质规范的经济潜力，并展示了在集成生产工厂中联产多种燃料如何在车队水平上为燃料生产带来优势。这些发现强调了采用整体方法识别可行且资源高效的可持续燃料生产路径的必要性。

**论文解读：可持续集成式drop-in燃料生产——基于整体优化的方法**

全球交通部门脱碳面临严峻挑战：内燃机车辆在未来数十年仍将大量存在，而重型运输和非道路应用难以完全电气化。因此，可再生的drop-in燃料（可直接替代汽油/柴油的合成烃类燃料）被视为补充电气化、实现近中期脱碳的重要方案。然而，其大规模部署受制于三方面相互耦合的问题：生产成本与资源效率、全生命周期温室气体（GHG）排放、以及满足严格内燃机兼容性规格的燃料配方。现有研究多聚焦于单一路径或特定化学过程，缺乏系统级的整体设计与多路径协同分析。为此，研究人员在《Energy Advances》发表论文，提出了一个基于整体优化的设计框架，同时集成过程设计、燃料配方和能源系统设计，以识别高效、低排放的可再生drop-in燃料生产概念。

该框架构建了包含109个反应、206个分离步骤和43个混合步骤的过程超结构，覆盖从生物质、绿色氢和直接空气捕获CO₂出发的多种路径（如发酵、气化、费托合成、甲醇制汽油等），共产生68种候选燃料分子；同时构建了包含多种能量载体（化石天然气、可再生天然气、绿氢、电力）和转换技术（锅炉、燃气轮机、热泵等）的公用工程系统超结构。二者通过热集成转运模型耦合，并结合基于纯组分性质与混合规则的燃料性质预测模型（采用欧洲EN228汽油标准与EN15940柴油标准）。在此基础上建立以特定生产成本（USD/GJ）和全球变暖影响（GWI，kgCO_2,eq/GJ）为双目标的非线性优化模型，采用ε-约束法和全局求解器BARON求解，固定年产能为2.77×10⁶ GJ燃料。

研究结果显示：（1）**集成式drop-in燃料生产**：成本最优的汽油和柴油过程均比化石基准减排95%（即因子20），但生产成本分别为化石燃料的约2.5倍和2倍；与木质纤维素乙醇相比，成本溢价分别为39%和22%，但碳效率达64–77%，远高于乙醇的38%。柴油燃料主要由长链烷烃（约79 wt%）和醇（约20 wt%）组成，汽油则含醚类、芳香烃、异构烯烃等。热集成可节省76–88%的外部加热和60–79%的冷却需求。（2）**质量与能量集成的影响**：对比有无能量集成，发现能量集成将汽油过程能量效率从39%提升至54%、柴油从43%提升至61%，且显著降低成本和排放。混合路径（如发酵+气化+e-fuel组合）优于任何单一路径；与独立的完全可再生路径（如甲醇制汽油MtG、高/低温费托合成、氢甲酰化费托HyFiT）相比，集成框架的过程成本更低、排放更少，且只有集成过程的燃料能完全满足drop-in规格。（3）**原料价格与电力相关排放的影响**：氢价从3降至1 USD/kg可使燃料成本下降约14%，并促使更多采用e-fuel路径；生物质和CO₂价格影响较小。若使用绿色氢，即使电力来自欧洲2023年电网，汽油和柴油仍分别可实现70%和80%的GHG减排；但若氢来自非可再生电网，则减排优势几乎消失。（4）**燃料性质界限的影响**：放宽汽油最低RON或提高最大氧含量可显著降低成本（氧含量从3.7 wt%提高至8 wt%节省约12%）；提高柴油最大烯烃含量（从1 vol%至10 vol%）可降低成本约8%，而降低DCN下限无成本收益。（5）**多燃料生产工厂**：在车队级比较中，多燃料工厂联产汽油和柴油优于多个单燃料工厂的线性组合；例如40%汽油份额时，多燃料工厂成本更低，热集成节省近90%外部热需求，整体能量效率达60%。

最后，研究结论强调：通过同时优化分子燃料组成、过程配置和能源系统，整体优化框架可识别出比独立过程更高效、更低成本的可再生drop-in燃料生产概念，同时满足发动机燃料规格。绿色氢供应是决定环境效益的关键因素；在完全可再生电力条件下，燃料生产相对化石基准可减排95%。燃料规格与法规对过程经济有决定性影响，因此未来标准制定需兼顾成本与可行性。该研究证明，实现可持续燃料生产必须采用系统级整体方法，将过程设计、能源系统和燃料配方视为相互关联的整体。