中国可持续航空燃料全生命周期碳足迹评估与需求预测

《Frontiers in Environmental Science》：Life cycle carbon footprint assessment and demand projection of China’s sustainable aviation fuel

　　

摘要专业翻译 为应对气候变化、实现中国双碳目标并推进航空业2050年净零排放路线图，可持续航空燃料（Sustainable Aviation Fuel, SAF）被视为中国航空业的核心减排路径。本研究构建了民用飞机预测框架，对2026年至2050年中国民用机队规模及SAF需求进行了预测。同时，采用生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）方法，系统评估了中国四种主流SAF合成技术——加氢处理酯与脂肪酸（Hydrotreated Ester and Fatty Acids, HEFA）、费托合成（Fischer-Tropsch, FT）、醇制航油（Alcohol to Jet, ATJ）及电转液（Power to Liquid, PTL）——的碳足迹。研究结果表明：HEFA技术具有长期低成本优势，PTL技术碳减排效果最为显著，而ATJ技术在成本与排放性能方面均无优势。2026年，HEFA合成路径碳足迹最低，为43.57 gCO2eq/MJ；其次为ATJ（53.48 gCO2eq/MJ）和FT（70.02 gCO2eq/MJ），减排率分别约为51%、40%和21%。PTL技术碳足迹最高，相当于传统航油（89 gCO2eq/MJ）的2.33倍。2030年至2045年间，HEFA技术为最优技术路线，FT和ATJ合成技术成本显著偏高。尽管PTL具有突出的脱碳潜力，但其生产成本远高于其他技术，经济性能较差。到2050年，PTL碳足迹将显著下降80%以上，降至32.28 gCO2eq/MJ；FT和ATJ碳足迹将分别下降约49%和40%，而相对成熟的HEFA技术碳足迹仅下降约21%。本研究所比较的四种技术路线在经济性能和碳排放方面的差异，本质上源于其原料体系、能量输入形式和转化反应机制的不同。未来，中国可持续航空燃料发展战略应充分考虑原料供应能力和各工艺流程特点，建立兼顾环境效益与经济效益的最优产业部署路径，从而推动民航业整体减排目标的实现。

论文解读

一、研究背景与问题提出

交通运输业是全球碳排放的重要来源之一，过去二十年间其碳排放增长迅速，已成为减排工作的重点领域。航空业作为交通运输中的重要碳排放部门，面临着巨大的碳减排挑战。国际能源署（IEA）数据显示，全球交通运输部门目前占人为碳排放总量的22%，其中航空业贡献约2.5%。国际航空运输协会（IATA）预测，若现有燃料体系不变，2021年至2050年全球航空客运市场的持续扩张将产生约212亿吨二氧化碳排放。

中国是航空碳排放的重要贡献国。2024年中国民航业碳排放超过1.2亿吨，约占全国碳排放总量的1%，约占全国交通运输部门碳排放的10.8%。随着民航运输规模持续扩大、机队和航线网络不断完善，航油消耗量和碳排放总量将保持持续上升态势。由于航空业对能量密度和运行安全性的严苛要求，电池、氢能等替代动力技术短期内难以实现大规模应用，这使得航空业的低碳转型面临比其他交通部门更为突出的技术挑战。

在此背景下，可持续航空燃料（SAF）凭借其与传统航油高度兼容的物理化学性质，无需对飞机发动机和燃料供应系统进行重大改造即可掺混使用，成为各国推进航空减排、落实净零目标的核心路径。据IATA估计，SAF预计将为航空业贡献65%的减排量。然而，现有关于SAF脱碳效益的环境与经济评估研究仍存在诸多不足：多数研究聚焦于单一或两种技术的独立评估，缺乏统一评估框架；对碳足迹、电费、制氢成本等关键参数变化的定量分析不足；对原料供应约束、技术成熟度、基础设施兼容性等大规模应用瓶颈的关注不够。

二、研究内容与主要结论

针对上述问题，研究人员开发了民用飞机预测框架，预测了2026年至2050年中国民用机队规模和SAF需求；同时采用生命周期评价（LCA）方法，系统评估了HEFA、FT、ATJ和PTL四种主流SAF合成技术的碳足迹及生产成本。研究结果表明：HEFA技术具有长期低成本优势，PTL技术碳减排效果最为显著，而ATJ技术在成本与碳排放表现上均无优势。2026年HEFA碳足迹最低（43.57 gCO₂eq/MJ），PTL最高（207.37 gCO₂eq/MJ）；到2050年PTL碳足迹降至32.28 gCO₂eq/MJ，成为四种技术中最低。2030至2045年间HEFA为最优技术路线，2050年PTL成为最优选择。该研究为中国民航业脱碳和未来最优SAF合成技术选择提供了科学决策依据。

三、主要技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：其一，基于1996年至2024年中国民航注册飞机数据（来源于民航局《民航统计年鉴》和《民航行业发展统计公报》），构建飞机类型分布模型和航油需求预测模型，并设置保守、基准、积极三种情景确定SAF掺混比例；其二，遵循ISO 14040和ISO 14044标准，采用从摇篮到坟墓的系统边界，以1 MJ为功能单位，运用SimaPro 9.0软件对四种SAF合成技术进行生命周期评价；其三，采用蒙特卡洛模拟（10,000次迭代）评估四种技术碳足迹的不确定性，生成95%置信区间；其四，综合中国电网碳排放强度、制氢碳强度及电力与氢气成本的动态预测数据，对2026年至2050年四种技术的碳足迹和生产成本进行动态评估。

四、研究结果

4.1 可持续航空燃料需求

基于中国航空运输发展需求、机队燃油效率和三种情景下的SAF掺混比例，研究人员估算了2026年至2050年中国SAF需求。中国民航燃油需求将从2026年的3200万吨上升至2040年的峰值6600万吨，此后保持在6500万吨左右。基准情景下，SAF在中国航空燃料结构中的占比将从2026年的1%跃升至2050年的83%；相应地，SAF需求将从2026年的42万吨增至2050年的5395万吨。保守情景下2050年SAF需求为3250万吨，积极情景下SAF将在2050年完全替代化石航油。

4.2 可持续航空燃料碳足迹

LCA结果显示四种SAF技术的碳足迹存在显著差异。2026年，HEFA合成路径碳足迹最低（43.57 gCO₂eq/MJ），其次为ATJ（53.48 gCO₂eq/MJ）和FT（70.02 gCO₂eq/MJ），较传统航油（89 gCO₂eq/MJ）的减排率分别约为51%、40%和21%。PTL技术碳足迹最高（207.37 gCO₂eq/MJ），约为传统航油的2.33倍，过高的电力消耗及发电和制氢的高碳强度是主要原因。随着2030至2050年中国发电和制氢碳强度逐步下降，四种技术的碳足迹差距将显著缩小：PTL碳足迹下降超过80%至32.28 gCO₂eq/MJ，FT和ATJ分别下降约49%和40%，而HEFA仅下降约21%。2030年前HEFA保持最低碳足迹且不确定性区间窄；2030年后FT碳足迹低于HEFA，2040年后ATJ超越HEFA，2050年后PTL低于HEFA。

4.3 可持续航空燃料成本分析

生产成本方面，HEFA技术成本最低（0.19元/MJ），接近传统航油价格；其次为FT（0.26元/MJ）和ATJ（0.44元/MJ）；PTL成本最高（0.75元/MJ），约为HEFA的3.9倍。从成本结构看，HEFA和FT的原料成本占总成本80%以上；ATJ原料成本占74%；PTL成本高度集中于二氧化碳捕集和制氢环节。2026年至2050年四种技术成本均呈逐年下降趋势，其中PTL降幅最大（达41%），主要受电力和制氢成本下降驱动；FT和HEFA成本下降缓慢；ATJ初始成本最高但降幅最小。

五、讨论与结论

讨论部分指出，四种SAF生产技术在经济和碳排放上的差异本质上源于原料体系、能量输入形式和反应机制的差异。HEFA以废弃油脂为原料，反应路径短、工业适应性强，具有长期成本优势，但受生物质原料碳基特性约束，减排潜力存在天然上限。FT技术反应条件苛刻、转化能耗高、原料预处理复杂，生产成本居高不下，碳减排效益中等。ATJ技术原料转化效率低、副反应多，综合性能为四种技术中最差。PTL以绿电和绿氢为核心能源与原料输入，通过电化学合成路径实现零碳原料转化，长期脱碳潜力巨大，但目前依赖高成本绿电和精密电解设备，前期能源和经济成本较高。

研究结论部分指出：中国民航燃油需求将从2026年的3200万吨增至2040年的6600万吨峰值，此后稳定在6500万吨左右；基准情景下SAF占比将从2026年的1%升至2050年的83%，SAF需求相应从42万吨增至5395万吨。碳足迹方面，2026年HEFA最低（43.57 gCO₂eq/MJ），PTL最高（207.37 gCO₂eq/MJ）；到2050年PTL降至32.28 gCO₂eq/MJ，降幅超过80%，FT和ATJ分别下降约49%和40%，HEFA仅下降约21%。成本方面，HEFA成本最低（0.19元/MJ），PTL最高（0.75元/MJ），2026至2050年四种技术成本均下降，PTL降幅最大。总体而言，HEFA保持长期低成本优势，PTL碳减排效果最为显著，FT和ATJ在成本和碳性能上均无优势。2030至2045年HEFA为环境和经济综合最优技术路线；到2050年PTL成为最优路线，综合效益优于HEFA。