综述：碳衍生和生物基可持续航空燃料路径：用于航空脱碳的技术经济与生命周期比较综述

《Carbon Capture Science & Technology》：Carbon-Derived and Biomass-Based Sustainable Aviation Fuel Pathways: A Comparative Techno-Economic and Life-Cycle Review for Aviation Decarbonization

　　

航空业的快速增长加剧了对可规模化低碳燃料的需求，以支持长期脱碳。源自生物质、废弃物资源、脂类、醇类和捕获CO₂的可持续航空燃料（SAF）为减少航空相关温室气体排放提供了有前景的途径，同时保持与现有飞机和燃料基础设施的兼容性。本综述采用基于PRISMA的系统性评估方法，对关于SAF生产的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）研究进行了评估。评估的主要路径包括加氢处理酯和脂肪酸（HEFA）、费托合成（FT）、醇制喷气燃料（ATJ）、水热液化（HTL）、催化水热解（CH）、热解、基于挥发性脂肪酸的SAF以及电转液（PtL）。为提高可比性，可提取的经济数据被统一到共同的2026年美元基准（USD₂₀₂₆），并主要以USD₂₀₂₆/L表示。统一后的最低燃料销售价格范围约为0.64至6.26 USD₂₀₂₆/L，较低值通常与基于残余生物质的和成熟的转化路径相关，而基于直接空气捕获（DAC）的PtL由于可再生氢、电力和CO₂捕获需求，仍然是成本最高的路径。报道的生命周期温室气体强度范围从避免负担假设下的净负值到约137 gCO₂-eq/MJ，表明对系统边界、分配方法、氢源、电力碳强度和联产品处理具有高度敏感性。通过结合统一的TEA基准、考虑边界的LCA解释以及基于专利的前瞻性LCA视角，本综述为SAF路径比较、政策设计和未来投资规划提供了一个面向决策的框架。

1. 引言
气候变化已成为关键全球性问题之一，主要由温室气体（GHG）排放的持续上升驱动。航空业对全球经济至关重要，但2023年排放了约950 Mt CO₂，约占全球能源相关CO₂排放量的2.5%。传统化石喷气燃料本质上是碳密集型的，燃烧时释放大量CO₂，且在其供应链中产生额外排放。随着航空业持续扩张，对传统喷气燃料的依赖将维持高排放，并进一步挑战气候变化目标的实现。这突显了对可规模化可持续航空燃料（SAF）的需求，该类燃料可削减GHG排放，并与现有飞机和燃料供应基础设施兼容。许多国家已出台政策遏制航空碳足迹，包括美国CLEEN倡议、欧盟排放交易体系（ETS）以及国际民航组织（ICAO）的国际航空碳抵消和减排计划（CORSIA）。源自生物质、有机废弃物或可再生能源的SAF已成为有前景的替代燃料，其生命周期研究表明，与常规喷气燃料相比，许多SAF生产路径可减少约50–90%的净GHG排放，具体取决于原料和技术。尽管取得进展，但现有SAF评述通常缺乏统一的视角，且TEA和LCA结果往往因假设不一致而难以直接比较。因此，本综述采用基于PRISMA的方法，系统筛选和分析涵盖广泛原料和转化路径的同行评审TEA和LCA研究，通过汇编关键指标（最低燃料销售价格（MFSP）、生命周期GHG减排潜力、可实现产能和技术就绪水平（TRL））实现跨路径比较，并评估规模化障碍。

2. 系统综述方法
本综述遵循基于PRISMA的结构化筛选协议，在Scopus数据库中识别、筛选和综合关于SAF技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）的同行评审研究，检索时间范围为2015年至2025年。初始检索识别出800条记录，去重后剩737条进行标题和摘要筛选，最终获得309篇全文文章评估合格性。纳入标准包括与SAF生产路径相关且报告可提取的TEA或LCA指标。TEA研究需报告至少一项经济指标，如资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）、MFSP、原料成本等；LCA研究需报告生命周期GHG排放，并具有明确的功单位和系统边界（如门到门（GTG）、井到门（WTG）、井到罐（WTT）或井到尾流（WTW））。制定了标准化数据提取模板，确保一致性。

3. SAF生产的技术路径
SAF生产涉及多种先进技术路径，将可再生资源转化为喷气燃料沸点范围的烃类。初始处理方法包括电解、气化、脂质提取和发酵，以生产氢气、合成气、脂质、烃类或异丁醇等工艺原料，再通过费托合成（FT）、加氢处理酯和脂肪酸（HEFA）、水热液化（HTL）、直接糖制烃（DSHC）和醇制喷气燃料（ATJ）等工艺生产SAF。
3.1. 加氢处理酯和脂肪酸（HEFA）
HEFA工艺主要使用废烹饪油、植物油和动物脂肪等原料。包括从脂质丰富的生物质中提取油脂，然后通过催化加氢饱和碳-碳双键，再经水解释放游离脂肪酸（FFAs），最后通过加氢脱氧（HDO）或脱羧（DCO）反应去除氧原子，分别生成十八烷和十七烷。HDO需要更高的氢气需求、更高压力和300-600°C温度范围，常用硫化Ni-Mo或Co-Mo催化剂。HEFA是最成熟的SAF路径，可生产高质量滴入式混合组分，但受限于可持续脂质供应有限和竞争需求。
3.2. 醇制喷气燃料（ATJ）
ATJ工艺将短链醇（甲醇、乙醇、丁醇）转化为C8-C16范围内的长链烃，随后加工成航空燃料。醇类通过糖类原料发酵或木质纤维素生物质水解发酵产生，再经脱水、低聚和加氢步骤制成SAF。以异丁醇为例，在300-350°C下脱水形成异丁烯，再经低聚反应生成C4-C8烯烃混合物。商业化规模受限于醇类生产和纯化的高成本及催化剂性能。
3.3. 费托合成（FT）
FT技术从合成气生产液体燃料和化学品，分为低温（310-340°C）和高温（210-260°C）路线，分别侧重短链和长链产物。蜡状产物经加氢裂化生产石脑油、煤油或柴油。FT可将广泛碳原料转化为高质量滴入式喷气燃料烃类，可在工业规模上规模化，但受限于高CAPEX和系统复杂性。
3.4. 催化水热解（CH）
CH工艺将油脂原料转化为含直链、支链和环状烃的混合物，包括水热处理、催化水热解、加氢和分离步骤。预处理阶段在150-300°C和5-50 bar下消除杂原子形成游离脂肪酸，随后在高温高压反应器（CH反应器）中形成烃类。反应产生有机相和水相，水相含低分子量羧酸和甘油，可转化为烯烃中间体；有机相经脱羧、加氢和分馏得到精制燃料馏分。
3.5. 电转液（PtL）
PtL工艺依赖可再生电力（太阳能或风能）通过电化学过程将水电解产生氢气，同时从空气中捕集CO₂（直接空气捕获，DAC）或从生物源获得。氢气和CO₂用于制备合成石油产品，再经加氢裂化升级为煤油、柴油和汽油。PtL可提供非常低的井到尾流排放，但受限于高电力需求、依赖大量低碳氢气和CO₂来源，以及近期可再生电力和基础设施的有限可用性。

4. CO₂来源、碳效率及CCUS在CO₂衍生SAF路径中的整合
CO₂衍生SAF（主要为PtL和其他电燃料路线）不仅依赖可再生氢和低碳电力，还取决于CO₂原料的来源、纯度、可用性和核算处理。CO₂可来自直接空气捕获（DAC）、生物源点源和工业点源。DAC能耗高且成本较高，生物源提供较浓缩的CO₂流，工业点源CO₂的气候效益取决于碳是否化石来源。CO₂衍生SAF通常遵循两种转化路线：一是通过逆水煤气变换反应将CO₂转化为CO，再经FT合成；二是先转化为甲醇或二甲醚，再经甲醇制烯烃（MTO）、低聚、加氢等步骤。碳效率是关键指标，衡量进料碳保留在最终喷气燃料产品中的比例。与CCUS系统的整合对CO₂衍生SAF的可扩展性至关重要，但CO₂利用于燃料会延迟碳排放而非永久去除，因此应视为碳回收路径而非永久碳去除。

5. SAF生产路径的比较评估
在SAF路径中，HEFA在技术成熟度（TRL 8–9）和ASTM D7566批准（最高50%混兑）方面最为先进。ATJ和FT处于成功实施阶段（TRL 6–8），也获ASTM D7566批准。PtL混兑上限为50%，但TRL较低（5–6/4–6），源于高电力需求等。CH和DSHC可视为有前景，但TRL较低或变化较大（4–9）。HEFA短期内将主导市场，FT-SPK和ATJ份额将逐步增加；长期看，PtL、CH和DSHC的进步对实现减排和扩大原料来源至关重要。
5.1. SWOT分析
采用SWOT分析系统评估主要SAF生产路径的内部优势、劣势以及外部机会和威胁。HEFA优势在于最高成熟度、已认证和部署，劣势是脂质原料有限和氢气需求；机会包括拓宽原料范围和可再生氢降低碳强度，威胁是原料价格/供应冲击。ATJ优势通过醇中间体拓宽原料范围，劣势是多步升级增加CAPEX/OPEX和低碳醇供应瓶颈；机会包括纤维素/废弃物醇和改进催化剂，威胁是醇价波动和政策限制。FT优势在于合成气平台可处理废弃物/残余物，劣势是高CAPEX和复杂气化/净化；机会包括低成本原料和可再生电力/氢气混合，威胁是许可和供应链复杂性。CH优势在于转化多种脂质和良好喷气燃料性质，劣势是成熟度较低和操作严苛；机会包括升级高游离脂肪酸/低品质脂质，威胁是认证和规模化不确定性。PtL优势是不受生物质限制且可规模化，劣势是高MFSP和大量氢气/CO₂需求；机会是可再生能源和电解槽成本下降，威胁是绿色氢气竞争和电网约束。

6. 技术经济分析
经济分析是从初始技术向更高级阶段过渡的关键过程。SAF实施的主要经济障碍包括原料交付成本、加工成本和物流成本。原料成本和可获得性是决定SAF总生产成本的重要参数。低价值残余物（如甘蔗渣、玉米秸秆、城市固体废弃物等）通常更具成本效益。不同转化路径的经济性已被广泛评估。
6.1. TEA协调框架
为实现跨研究的一致比较，所有可提取经济数据被统一到2026年美元基准。对CAPEX使用化学工程工厂成本指数（CEPCI）调整，对OPEX和MFSP使用价格指数调整。协调后的CAPEX和OPEX以MUSD₂₀₂₆/yr或MUSD₂₀₂₆表示。文献综述显示，脂基HEFA路径对原料成本敏感，木质纤维素废弃物原料价格较低（50-80 USD/t）但转化更复杂。地理分布集中在美、巴、中、英等国。CAPEX变化大，FT、PtL、HTL和木质纤维素ATJ路径资本密集度高；OPEX受原料采购、氢气、电力和公用设施影响大。
6.2. 最低燃料销售价格（MFSP）
MFSP是临界参数，表示投资盈亏平衡的最低售价。协调后的MFSP范围从低于1 USD₂₀₂₆/L到超过6 USD₂₀₂₆/L。采用成熟技术和低成本残余物的路径（如HL、CH、FT、ATJ、热解、HEFA）MFSP较低；使用DAC CO₂的PtL路径MFSP最高。原料类别和转化技术的分类分布显示HEFA、FT和ATJ研究最多。地理分布显示研究集中在北美、欧洲、巴西和部分亚洲地区。与常规喷气燃料（约0.87–1.10 USD/L）相比，多数SAF路径仍存在显著成本溢价。

7. 生命周期评估
为改善LCA结果的可比性，所有可提取的GHG排放被转换为共同的能源基准（gCO₂-eq/MJ）。根据系统边界（GTG、WTG、WTT、WTW）进行分类，并与化石喷气燃料基线（89 gCO₂-eq/MJ）比较。结果显示，多数SAF路径相对于化石燃料可实现显著GHG减排，但减排幅度高度依赖于原料类型、转化路径、分配方法和联产品处理。部分研究显示净负值（避免负担）或超过100%的减排。还介绍了前瞻性LCA（prospective LCA）作为补充方法，特别指出基于专利的前瞻性LCA对新兴路径（如PtL和CO₂衍生SAF）的环境评估具有价值。

8. 可持续航空燃料的规范与认证
航空涡轮燃料主要受燃料质量规范约束，SAF还需通过可持续性认证。国际上，ASTM D1655和英国国防标准是主要标准。ASTM D7566是合成航空涡轮燃料的主要标准，规定了合格生产技术和混兑限值。主要SAF路径的混兑上限均为50%。可持续性认证通常验证合格标准、生命周期GHG核算方法和供应链追溯。CORSIA是推动SAF可持续性认证的关键计划。

9. 扩大SAF生产的主要障碍
9.1. 原料供应与规模化潜力
可持续原料的实际供应远小于潜在总量。浪费油脂仅能满足2050年SAF需求预测的5–7%，与其他部门的竞争加剧供应紧张和价格波动。原料策略需因地制宜，并与土地利用规划和国家政策协调。
9.2. 不一致的系统边界
TEA和LCA研究中系统边界、功能单位和联产品处理的不一致导致相同路径的成本和GHG估算出现较大差异，增加了投资和政策决策的不确定性。
9.3. 跨SAF路径的高成本离散性
不同技术-原料组合的生产成本离散性大。HEFA在低成本废油脂下相对经济，FT和热解路径成本变化更大，PtL成本因绿色电力和氢气成本高而显著偏高。没有单一技术能在全球范围内以低成本规模化生产，需优化特定地点的原料供应链。
9.4. 绿色氢气和电力瓶颈
先进SAF路径（PtL、FT加氢等）高度依赖可再生氢气和低碳电力。当前全球氢气产量有限且成本高，优先用于工业部门。大多数国家电力系统尚未充分脱碳，难以提供大量剩余可再生电力。这使得SAF部署与能源系统转型紧密相连。
9.5. 基础设施整合
许多机场缺乏储存、混兑和分配SAF的设施，增加了物流成本。需支持基础设施现代化和监管过渡，以确保SAF的无缝和可认证交付。

10. 结论
本综述提供了系统性的、数据驱动的SAF生产路径技术经济竞争力和生命周期GHG减排潜力评估。协调后的MFSP范围从0.644到6.26 USD₂₀₂₆/L，PtL路径成本最高。LCA显示SAF的GHG性能高度敏感于系统边界和假设。HEFA是近期最可部署的选项，FT和ATJ代表中期多元化路径，PtL提供长期脱碳路径。没有单一路径能单独实现航空脱碳，需要组合策略：近期HEFA部署、中期FT和ATJ规模化、长期PtL和CO₂衍生燃料开发。路径可行性不仅取决于MFSP，还取决于TRL成熟度、原料/资源约束和能源系统就绪状态。

11. 未来方向
未来的SAF研究应转向针对实际工业和区域条件的路径优化，包括提高氢效率、改善碳效率、降低可再生电力和氢气成本，并研究特定地区的原料组合。需要采用统一的TEA和LCA报告实践，包括成本年份、货币、系统边界、功能单位、分配方法等，并加强不确定性分析和区域情景建模。SAF商业化需要技术、基础设施、认证和政策的协调发展，政策机制应根据路径特定约束设计。应结合前瞻性工具（如基于专利的前瞻性LCA）进行早期评估，并采用组合策略实现可规模化的航空脱碳。