韩国国内可持续航空燃料的物理与经济极限：一项空间明确的前瞻性技术经济与生命周期分析

《Biomass and Bioenergy》：Physical and economic limits of domestic sustainable aviation fuel in Korea: A spatially explicit prospective techno-economic and life-cycle analysis

　　

•在一个优化模型中实现工厂选址、原料竞争和能源系统变化的统一求解。•在全面动员下，韩国生物质能满足7.65%的全国喷气燃料需求。•其中仅4.68%的需求成本低于进口燃料，因此2035年仍需依赖进口。•将废弃食用油从生物柴油中转移用于SAF，在1%强制掺混比例下会使SAF成本上升210%。•2040年后转向进口的主导因素是进口燃料价格，而非国内供应能力。引言航空业约占全球二氧化碳排放量的2%至3%，且由于长途飞行难以电气化，是交通领域中最难实现脱碳的部门之一[1]。可持续航空燃料(SAF)作为一种可直接替代现有航空燃油、兼容现有飞机和加油基础设施的燃料，被广泛认为是该部门近期减排的主要途径[2,3]。然而，SAF的产量规模和原料多样性远低于目标：实现净零排放的路径要求SAF产量从2022年到2030年每年增长57%，而目前狭窄的原料基础仅能减少航空排放量的1.47%[4]。制约规模扩张的瓶颈在于原料的可获得性和分配，而非技术本身，且二十多年的可再生能源义务表明，扩大生物燃料使用会引发粮食价格、土地利用和原料竞争方面的争议[5]。因此，只有在考虑将某种原料从其现有用途中转移所产生的竞争影响时，SAF的可行性评估才是完整的。SAF可由多种原料和转化路径生产，其技术经济学和全生命周期排放已得到广泛研究。已有工作综合分析了生物原料和路径开发策略[6]、供应链要素[7]、各路径的特定产量和技术成熟度[8]、废弃生物质的原料潜力[9]，以及集成路径的技术经济学与全生命周期分析[10]。SAF的减排成本与潜力[11]、可再生生物喷气燃料的环境与经济问题[12]，以及加氢酯类和脂肪酸(HEFA)及木质纤维素路径的技术经济学[13]也已得到综述。近期的协调统一技术经济学研究尤其提高了跨路径比较的可靠性。Farooq等人对116项技术经济学分析进行了统一，表明假设和估算方法的差异会误导路径比较，并提出了最低喷气燃料售价的标准化排名，其中HEFA最低，其次是水热液化(HTL)、费托合成(FT)和醇制航空燃料(AtJ)，而电转液(PtL)则远高于其他路径[14]。Yang和Yao对美国背景下六种路径的温室气体和成本不确定性来源进行了元分析[15]，Wu等人结合机器学习分析了SAF生产的技术经济学不确定性[16]，Chireshe等人比较了原料-技术-供应链组合（包括物流）的成本效益[17]。在路径层面，Dossow等人在专家级水平上量化了电气化生物质气化-FT的资本和运营成本[18]，Seiple等人在美国对低成本湿垃圾和市政垃圾的HTL和气化路径进行了空间化、明确的选址，表明燃料信用额主导了工厂位置、规模和性能[19]。对于基于氢气的PtL路径，已量化其在道路、航运和航空中的可行性[20]、基于电力合成气生产煤油的成本[21]、FT升级配置之间的比较[22]，以及区域性基于CO?的SAF的协调统一技术经济学[23]，并提出了源自湿垃圾的挥发性脂肪酸路径的净零潜力[24]。这些研究为各路径的成本和排放提供了基准，但大多假设原料供应不受限制。在此背景下，仍存在三个空白。第一，空间显式的SAF优化虽然近期研究活跃，但尚未与原料竞争相结合。Greene等人在美国县级分辨率下地理细化并比较了微藻SAF和可再生柴油[25]，Limb等人通过全生命周期分析、技术经济学、地理空间分析和进化优化，在县级层面放置了九种专用种植原料，确定了土地利用、成本和排放之间的权衡[26]。Bianco等人研究了在炼油厂附近共址纤维素乙醇-AtJ设施的位置策略[27]，Li等人研究了反映原料质量变异性的空间供应链优化[28]，Kamath等人研究了气化-FT生物精炼厂的选址和规模决策[29]，基于地理信息系统(GIS)的生物质资源空间分布评估构成了此类空间优化的数据基础[30]。然而，这些研究将原料视为无竞争资源，并未内生化与现有用途的价格竞争。第二，原料竞争虽被认可，但很少被整合进空间SAF模型。Venturini等人表明残余生物质存在竞争性用途，使其价值和分配成为核心问题[31]，Carlson等人研究了在美国中将有限生物质竞争性分配给难以电气化的交通燃料的优化[32]，El-Houjeiri等人通过减排成本比较了废弃生物质在两种用途（碳移除与燃料替代）之间的分配[33]。Kar等人通过统一的全生命周期评估和技术经济学比较了19种生物能源路径，按边际减排成本量化了生物质的最佳用途[35]，Langholtz等人表明生物质碳移除和生物燃料可以是互补而非竞争关系，取决于市场条件[35]。Stewart等人指出了低碳燃料政策中刚性碳强度核算未反映原料空间变异的盲点[36]。因此，竞争与空间分别被单独处理，在单一空间显式优化中结合两者的案例十分罕见。第三，对于拥有自身炼油能力的能源进口国如韩国的分析极为稀缺。一项韩国全生命周期评估发现废油SAF优于化石燃料但无法满足强制掺混需求，需要原料多样化，但该研究非空间化、静态化，仅限于全生命周期评估，并明确将技术经济学和展望作为后续工作[37]。另一项全国尺度研究分析了结合氨载氢与未利用木材气化的混合SAF，但聚焦于工艺集成，未涉及原料分布、竞争或背景系统演变[38]。类似的全国原料约束也出现在其他进口案例中，如印度尼西亚农业残余SAF[39]。回答这三个问题需要技术经济学分析与全生命周期评估的结合，而非单独依赖任何一方，因为二者决定同一可行性问题的不同方面。掺混强制比例将通过最经济的产量来满足，因此限制国内生产的不是物理禀赋，而是成本上限，只有将原料、转化、资本和物流传递至交付价格的技术经济学核算才能定位该上限。所生产产量是否符合强制比例要求是另一项独立测试，因为合格性由全生命周期碳强度阈值定义，一条成本低但未能达到阈值的路径将毫无贡献。全行业评估表明，所需的燃料规模扩张主导了航空业所有其他可用减排杠杆[40]，而对已宣布路线图的审计发现，持续存在的障碍并非技术成熟度，而是与化石煤油之间的成本差距以及必须弥合这一差距的政策工具[41,42]。对单一生物质路径同时运行两种核算的研究表明二者耦合之紧密，因为降低成本的残余物选择可能增加排放，反之亦然[43]。对于能源进口国而言，这种耦合超越其国界，因为在国外生产的合成燃料的交付成本由可再生资源的品质和电解槽的学习曲线决定[44]，采用该燃料会在进口经济体内部重新分配成本[45]。因此，评估韩国能生产什么，意味着在同一优化模型中同时运行空间分辨的成本核算和监管碳强度核算。本研究在单一框架内填补了上述三个空白。在方法论方面，前瞻式全生命周期评估已被确立为一种反映背景能源系统未来演变的方法[46]，其方法学原理和生成去化石背景数据库的工具已共同发展[47,48]，近期已扩展至将演变的电网和氢能碳强度纳入国际航空碳抵消与减排机制(CORSIA)全生命周期核算[49,50]。供应链优化已被作为多目标混合整数线性规划(MILP)应用于第二代和第三代生物燃料[51]，进口兜底的作用已通过基于氢的PtL的潜力与风险[52]及其综合技术经济学与全生命周期评估[53]得到研究，优化基础近期已扩展至嵌入神经网络的超结构优化[54]以及电动SAF集中式与分布式最优规模决策[55]。本研究将这些方法结合，在单一模型中整合了：(i)一个空间显式的设施选址MILP，将区域原料禀赋分配给炼油枢纽；(ii)一条将机会成本内生化的供给曲线，反映与现有可再生能源配额制(RPS)和可再生能源燃料标准(RFS)用途之间的竞争；(iii)一个预测集合，将兜底价格、电网和氢能碳强度(CI)预测至2030–2050年。本研究的贡献有五方面。第一，在方法论上，在一个混合整数优化模型中同时解决了空间显式性、原料竞争的机会成本和前瞻性核算，而此前工作分别处理这些维度。第二，研究表明国内生物质SAF存在两个不同的上限，一个是物理上限（占喷气燃料需求的7.65%），另一个是较低的、约束性的经济上限（占同一需求的4.68%），因此2035年预期的7–10%强制掺混比例无法仅靠国内生产实现，进口SAF是结构性前提而非后备方案。第三，量化了一个悖论：原料竞争成本随强制掺混比例下降而上升，在1%强制比例下最低喷气燃料售价溢价达210%，因为廉价的废弃食用油(UCO)已完全被生物柴油承诺，颠覆了早期SAF采用成本低廉的观点。第四，结构敏感性识别出国内与进口边界的唯一主导变量是进口合成SAF的交付（兜底）价格，而非国内原料或物流；将该价格在139、153和192美元/GJ之间移动会整体改变国内限制，因此有效的政策杠杆是进口价格管理，而非国内补贴。第五，从时间维度看，2030年的国内主导格局在2040年后转向进口主导，且不受电网脱碳情景（NDC、CN2050、延迟）影响，韩国电网碳强度在物理上排除了国内绿色PtL，因此兜底燃料必须进口。节选片段问题定义与范围模型形式源于韩国案例的三个结构性特征，每一特征都排除了更简化的建模方式。首先，原料按类型地理聚集而非均匀分布：废弃食用油集中在都会区和城市省份，林业残余物在森林覆盖的内陆省份，稻草残余物在两全罗道，而牲畜粪便和食品废弃物分散且在任何地区都不占主导（第4.2节）。全国汇总模型会平均化这些Facility-location MILP：目标函数与约束条件模型最小化年度系统总成本。min X,Y,B Z = c_PtL·B + Σ_r,f,t,j u_{r,f,t,j}·X_{r,f,t,j} + Σ_{j,p,s} κ_{p,s}·Y_{j,p,s}其中 Z 为年度总成本（美元/年），c_PtL 为兜底方案的单位成本（美元/GJ），B 为兜底供应（GJ/年），u_{r,f,t,j} 为国内供应的交付单位成本（美元/GJ，式(6)），κ_{p,s} 为规模为 s 的工厂的年化固定成本（美元/年，式(12)）。强制掺混需求由国内供应与兜底供应共同满足。Σ_r,f,t,j X_{r,f,t,j} + B ≥ m·D其中 m 为掺混强制比例，D 为需求。结果结果涵盖两个上限（第4.1节）、强制比例响应与国内向进口转变（第4.2节）、原料竞争作为最大成本驱动因素（第4.3节）、成本构成转变（第4.4节）、结构敏感性（第4.5节）、碳强度（第4.6节），以及2030–2050前瞻展望（第4.7节）。两个上限的政策含义：可触及与不可触及的强制比例范围韩国国内生物质SAF面临两个不同的上界：物理上限（占喷气燃料需求的7.65%）和经济上限（占同一需求的4.68%）（第4.1节），在政策设计中起约束作用的是经济上限：成本最小化市场绝不会选择成本高于进口兜底方案的国内产量，因此物理上存在的2.97%喷气燃料需求被搁置，其中三分之二来自FT木质转化层，其余为牲畜粪便，其交付成本结论本研究通过在一个混合整数优化模型中耦合空间显式设施选址优化、内生化的原料竞争机会成本和前瞻性核算，评估了韩国生物质SAF的生产潜力。得出五点结论。第一，国内生产面临两个上界：物理上限（占喷气燃料需求的7.65%）和约束性经济上限（占同一需求的4.68%），因此2035年预期的7–10%强制掺混比例超出两者，无法仅靠国内生产实现。作者贡献声明Soonho Hwangbo：写作—审阅与编辑、写作—原稿撰写、验证、监督、资源、项目管理、调查、资金获取、形式分析、概念化。

Nahyeon Kim：可视化、软件、方法论、数据整理。利益冲突声明 作者声明他们没有任何可能影响本文中报告结果的竞争性经济利益或个人关系。Soonho Hwangbo | Nahyeon Kim