在欧盟燃料政策要求下，1G-乙醇合成及船用发动机应用的技术与监管评估

《Sci》：Technical and Regulatory Evaluation of 1G-Ethanol Synthesis and Use in Marine Engines Under EU Fuel Policy Requirements

　　

欧盟委员会决定在《可再生能源指令II》（RED II）下将汽油中乙醇的体积掺混上限设定为10% v/v（E10），并在RED III中引入更严格的可持续性标准，进一步强化了这一决定，标志着全球乙醇产业的关键转折点。到2023年，全球乙醇年产量已达到约116–118 bn L，其中美国占52%，巴西约占28%。第一代（1G）乙醇在道路运输部门内的扩张日益受限，需要确定替代市场以吸收多余产量。RED III强调部署先进生物燃料和非生物来源可再生燃料（RFNBOs），要求到2030年实现温室气体排放减少14.5%或可再生能源占比达到29%，从而鼓励部门多样化。海事部门成为容纳过剩乙醇的一个有前景的出路。然而，监管不一致仍然存在：ReFuel EU排除基于农作物的生物燃料，而Fuel EU Maritime允许经认证的选项。航空仍仅限于先进生物燃料。同时，国际海事组织（IMO）的政策，包括MEPC 83和84，引入了排放定价和生命周期评估框架，促进低排放燃料，但未明确认可乙醇的竞争力。本研究评估了在这些约束下乙醇在船用发动机中的利用。

论文解读：

欧盟可再生能源指令（RED II）设定汽油中乙醇掺混上限（E10）为10% v/v，RED III进一步收紧可持续性标准，导致第一代（1G）乙醇在道路运输部门面临市场饱和。尽管全球乙醇产量2023年达到约116–118 bn L，但2G纤维素乙醇产量长期在40万–86.2万吨间波动，无法填补缺口。同时，ReFuel EU Aviation排除农作物生物燃料，而Fuel EU Maritime允许经认证的1G乙醇，形成监管不对称。为此，研究人员开展综合评估，分析政策、市场、发动机技术、生命周期影响，以确定乙醇在船用发动机中的可行利用路径。该论文发表在《Sci》。

研究人员整合了政策框架分析（RED III、ReFuel EU Aviation、IMO MEPC 83/84）、市场数据（OECD-FAO、IEA、UFOP）和发动机台架测试（John Deere 4045发动机）结果，评估了预混充量操作（PCO）和预混燃料操作（PFO）两种双燃料模式，并进行了生命周期和敏感性分析。结论表明，海事部门是当前欧盟政策下1G-乙醇的唯一合法出路；PFO模式在中等负载（350 Nm）下可实现75%乙醇替代率，且循环变动（COV_IMEP）低于2%；乙醇直接燃烧的井到尾流（WtW）效率约为93%，远高于醇制航煤（ATJ）路径的48–52%。

关键技术方法方面，研究人员采用多源数据融合方法，市场数据来自OECD-FAO《农业展望2024–2033》、IEA生物能源国家报告2024和UFOP市场评估，并采用德国BAFA高频月度数据。发动机测试基于Müller & Günthner的四缸柴油机（John Deere 4045，4.5 L排量），在多种负载下比较PCO和PFO模式，结合废气再循环（EGR）策略。生命周期分析参考Zhang等对382艘货船的混合LCA研究，以及Liu等基于GREET的巴西甘蔗乙醇数据。通过敏感性分析量化了船舶制造和储存损失对碳强度的影响，范围在2.3–4.3 g CO₂eq/MJ，远低于传统船用燃料的91 g CO₂eq/MJ。

研究结果按以下方面展开：

E10掺混墙与替代市场：德国2025年1–9月生物乙醇掺混率仅约7.75%，未达到理论上限，证实了物理掺混墙的约束。全球乙醇产量与贸易量差距扩大，预计2033年产量155 bn L，贸易仅12.4 bn L，过剩压力需海运吸收。

乙醇合成与船舶推进：PCO模式在低负载（175 Nm）下可通过70%替代率，但在高负载（525 Nm）下因爆震受限；PFO模式在中等负载下保持75%替代率且稳定性佳。乙醇与甲醇基础设施兼容，且能量密度比甲醇高34%，已有125个港口具备储存能力。在MEPC 84上，EEDI认证范围扩展至双燃料液体燃料发动机。

监管不对称：ReFuel EU Aviation完全排除农作物生物燃料，而Fuel EU Maritime允许认证乙醇，道路运输受7%上限约束，形成“航空禁止、道路受限、海运许可”的结构，使海运成为唯一出路。乙醇直接燃烧避免了ATJ转换的45–50%能量损失。

供应链与市场整合：全球80%乙醇由美巴生产，巴西Renova Bio认证提供可持续性基准。北欧国家高可再生能源份额主要依赖生物柴油和HVO，而非乙醇，显示乙醇必须寻求非道路应用。经济上乙醇碳强度为15–55 gCO₂eq/MJ，价格约650美元/吨，低于绿色甲醇。

战略意义与建议：政策方面需统一认证标准、协调港口设施；行业方面建议船东在低负载使用PCO、高负载使用PFO；研究机构需开展长期耐久性测试和一体化认证试点。

总结讨论与结论表明，RED III的严格可持续性要求和ReFuel EU Aviation对农作物生物燃料的排斥，已将1G-乙醇从道路运输市场挤出。2G乙醇商业化停滞，全球1G乙醇过剩约116 bn L。海运部门成为EU政策下主要的允许目的地。技术验证了PFO模式的高替代率，生命周期分析显示60–80%的温室气体减排，且无需转换损失和新基础设施。乙醇能量密度比甲醇高34%，兼容现有甲醇加注设施（125个港口），经济上具有竞争力。ISO/TC28/SC4/WG18正在制定乙醇船用燃料标准，将提供监管确定性。总之，政策约束、技术就绪度和经济优势的汇聚，确立了海事吸收作为2025–2035年过渡阶段的结构性路径。