一种用于可持续航空燃料技术前沿的动态监测框架

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：A dynamic monitoring framework for sustainable aviation fuels technology frontiers

　　

杨立山|胡玉洁|王洪雷

贵州大学管理学院，中国贵州贵阳，550025

摘要

航空业面临着日益增长的减排压力，可持续航空燃料（SAF）是关键的解决方案之一。本研究提出了一个可重复使用的预见框架，整合了专利分析、主路径分析和自然语言处理（NLP）技术。研究结果表明：(i) SAF具有强大的创新潜力，美国和中国是其核心枢纽；(ii) 加氢酯化脂肪（HEFA）是短期内最佳选择，而酒精-to-jet（ATJ）和费托合成（FT）具有更大的长期潜力；(iii) 确定了八个核心技术集群：生物质转化为柴油、生物衍生石蜡性质调控、从植物/动物脂肪和油中生产燃料、改善冷流性能、催化剂优化、生物可再生燃料混合物、生物衍生燃料组分以及氢化催化剂回收；(iv) 识别出四种潜在的颠覆性技术：多样化原料开发、原料收集/处理、催化升级以及产品纯化/分离；(v) 人工智能（AI）、生物酶催化和耦合集成等跨学科技术是常见的突破方向。该框架为全球航空业的脱碳提供了技术投资、政策制定和研发优先级的支持。

引言

航空业是全球碳排放和空气污染的重要来源（Bergero等人，2023年）。由于航空旅行需求的快速增长，航空业在应对气候变化方面面临独特挑战（Sacchi等人，2023年）。到2050年，航空业需要减少18亿吨碳排放。预计其中62%的减排将通过使用可持续航空燃料（SAF）来实现（国际航空运输协会，IATA，2023a年）。因此，SAF是解决航空业环境问题的最佳替代方案（能源研究所，2022年）。SAF无需对飞机设计或机场基础设施进行任何修改即可使用，并且能显著降低碳排放——与传统航空燃料相比，可减少约80%的碳排放（IATA，2023b年）。

然而，推动SAF技术进步的紧迫性已不再仅仅是环境方面的问题——它现在已被纳入全球性的强制性政策中。国际民用航空组织（ICAO）的《国际航空碳抵消和减排计划》（CORSIA）要求航空公司抵消超出2019年水平的排放量，实际上为传统喷气燃料设定了碳价格（ICAO，2026年）。欧盟的ReFuelEU指令要求到2025年SAF的混合比例达到2%，到2050年提升至70%（欧洲航空安全局，EASA，2026年）。日本推出了税收优惠措施，并设定了到2030年SAF使用比例达到10%的目标，而泰国正在制定税收激励框架（日本航空，JAL，2026年）。中国在其第十四个五年计划中将绿色航空燃料确定为关键发展方向（中国民用航空局，CAAC，2021年）。这些政策共同引发了巨大的需求，单一种技术路线无法满足所有需求，迫使行业同时加速开发多种生产途径（Bube等人，2024年；Gagliardi等人，2024年；Ozkan等人，2024年）。

目前，主要有四种SAF生产路线：加氢酯化脂肪（HEFA）、气化/费托合成（FT）、酒精-to-jet（ATJ）和电力转液体（PtL）。由于技术成熟度较高，大多数商业生产商选择了HEFA，而其他三种路线的技术准备程度仍较低（Cui和Chen，2024年）。

实际上，现有技术存在一系列问题。例如：(i) 多相催化反应和高放热反应。每种技术路线至少包含一个多相催化反应步骤、高放热反应以及庞大复杂的反应系统（Meurer等人，2024年；Song等人，2023年）。因此，对其反应过程的热管理往往具有挑战性。有效散热对于保持催化活性和选择性在所需范围内至关重要（Fache等人，2020年）；(ii) 催化剂稳定性和反应选择性。过程中的催化剂对杂质和污染物敏感，产物种类繁多，成分复杂，需要具备高活性和稳定性（Goh等人，2022年；Misra等人，2023年；Stone等人，2022年）；(iii) 复杂原料的处理。原料来源的多样性增加使得预处理变得更加困难（Klein等人，2024年；Marangon等人，2024年；Song等人，2023年）。现有的SAF缺乏传统飞机和发动机所需的芳烃成分（Anuar等人，2021年）。面对众多未解决的技术挑战，企业必须不断创新以开发新产品（Cho和Kim，2014年；Qu和Mardani，2023年）。这导致了技术复杂性和多样性的增加（Schulze等人，2022年）。因此，政策要求以及现有技术的根本局限性使得克服这些固有技术障碍成为必要，而非可选项。

面对这种技术复杂性和外部政策的紧迫性，技术预见对于战略研发规划至关重要，有助于政府和企业获得先发优势（InterregEurope，2023年；Li等人，2019年）。专利数据是实现这一目标的理想资源，因为它涵盖了全球约85%的技术创新信息（Wang，2009年）。与通常反映基础研究且缺乏即时商业应用的科学出版物，或可能无法代表主流趋势的试点工厂公告不同，专利提供了结构化、连续且法律定义明确的商业导向研发活动记录（J. Acs和Audretsch，1989年）。专利形成的引用网络可以重现技术发展的演变路径，使其特别适合识别主导创新趋势和潜在突破点（Bhatt等人，2023b年）。

因此，本研究构建了一个基于Derwent专利数据库的框架，以实现SAF技术前沿的动态监测。该框架对于政府和企业的战略技术研发（R&D）规划至关重要，有助于在未来全球竞争中获得先发优势。研究的总结图示见图1。本研究分为五个部分，下一部分将介绍相关文献以进一步说明研究的贡献。第三部分概述了本研究使用的方法论。第四部分讨论了研究结果。第五部分根据研究结果得出结论并提出政策建议。

部分摘录

文献综述

在SAF领域，大多数现有研究侧重于技术路线的静态比较以及经济和环境绩效的评估（Bell等人，2025年；Bhatt等人，2023a年；Farooq等人，2025年）。

最近的几项综述从技术、经济和环境角度比较了SAF生产路线。Mohanty等人（2025年）综合了100多项研究，指出HEFA、FT、ATJ和PtL路线可以实现50-90%的温室气体减排。

方法和数据

本研究提出的框架旨在支持定期重新分析。本文使用1963年至2024年的数据集进行了单一示范应用。首先通过数据挖掘技术选择多个专利信息指标，分析不同工艺路线的适用性，然后了解每种工艺的发展趋势和应用前景。其次，基于专利引用关系，应用主路径分析方法。

结果与讨论

结果部分包括：i) 分析专利发展趋势和前景，以揭示创新趋势、技术进步以及当前和未来的竞争动态；ii) 构建全球主路径并识别关键技术集群，以揭示专利技术发展的主要趋势和演变路径，同时确定对行业发展有重大影响的核心技术领域。

结论

本研究首先基于专利数据分析了SAF生产技术的演变趋势。其次，考虑到原料的多样性，系统地回顾了三种主流工艺路线的发展模式并评估了其发展趋势。然后，通过专利引用网络，识别出专利技术的主路径和关键技术集群。最后，利用专利文本数据和自然语言处理工具进行语义距离分析。

CRediT作者贡献声明

杨立山：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、资源管理、项目协调、方法论研究、数据整理。胡玉洁：撰写——审稿与编辑、监督、项目协调、数据整理、概念构思。王洪雷：监督、资金筹集、正式分析。