美國可持續航空燃料大挑戰路線圖分析

■ 王翔宇 劉金超/ 中國航發研究院

美國將可持續航空燃料（SAF）確立為實現航空業2050年凈零碳排放目標的最大依托。通過擴大原料供應、創新制備技術、構建完備供應鏈、支持政策制定、促進市場應用和增進溝通交流，進一步加快SAF的研發、生產和部署。

為了減少航空溫室氣體排放，航空業正在尋求將開發新的飛機和發動機技術、改進空中交通管理以及推廣SAF等多種舉措結合起來。作為基于可再生生物質或廢棄資源制備的替代燃料，SAF不但具有與常規航空燃料類似的特性、可與現有機隊兼容，還能夠降低至少50%的全生命周期內碳足跡，為中短期航空業低碳發展提供了極為關鍵的解決方案。2022年9月，美國能源部（DOE）、運輸部（DOT）和農業部（USDA）聯合發布可持續航空燃料大挑戰路線圖，描繪了美國SAF的發展目標與愿景，圍繞擴大SAF供應和應用、降低SAF成本和增強SAF可持續性三項重點任務，從六大行動項出發，系統論述了政府和行業如何采取一致行動構建完備的SAF產業生態、消除SAF產業鏈整合中的障礙，助力航空業凈零碳排放宏偉藍圖的達成。

SAF發展戰略行動項

擴大原料供應

原料供應系統創新發展的核心在于提高生物質的產量和可持續性，這是優化SAF供應鏈并降低成本和技術不確定性的基礎。有必要對各類生物質原料的供需情況和可持續指標進行全面的梳理和掌握，評估分析其資源儲備和可用性條件?？紤]到短期內生產SAF可能主要依賴加氫酯和脂肪酸（HEFA）工藝，需要協調動植物脂肪、油和油脂類原料的來源渠道，加大對油料作物種植的扶持力度。待醇噴合成（AtJ）工藝成熟普及后，生物質供應的重心則可能會轉移到淀粉基和糖基等纖維素類原料。不過，即便如此也很難滿足航空業巨大的能源需求，自始至終都要強化對其他各類廢棄物和殘留物的收集能力。

可持續航空燃料大挑戰路線圖總體構架

此外，生物質的處理和運輸不僅形式多種多樣，也往往需要根據當地生物質基礎設施、制備工藝和分銷網絡進行調整。例如，油料作物的粉碎或提取應在接近SAF生產前進行，獲取的油脂類生物質可直接用于生產活動，而木質纖維素原料不但需要在資源當地進行致密化和減濕操作來降低運輸成本，同時還需要經過很多預處理步驟才能真正轉化為SAF原料。通過了解原料組成、結構和行為如何影響生產系統性能，可以進一步提高原料處理系統的可靠性，使原料供應和SAF制備之間的接口銜接更加順暢。

創新制備技術

顯而易見，SAF的生產不可能只依賴某一種制備工藝，多種技術路徑不僅能夠擴大原料庫從而提升SAF供應鏈的彈性，不同分子類型的烴類產物也有助于優化SAF的理化表現使之更接近常規航空燃料。截至2021年10月，美國材料與試驗協會（ASTM）已經批準了9種SAF制備工藝，其中AtJ工藝可能是2030年前后SAF產量大幅提升的關鍵，目前的研發重點在于降低生產過程中的碳排放，包括將碳捕獲和封存技術與乙醇生產相結合，減少發酵后乙醇分離/濃縮所需的能量，以及提高AtJ催化劑對雜質和水的耐受性。

預計未來SAF供應鏈不會由單一能源供應商進行垂直整合，在SAF成品交付之前會存在某種意義的“生物質中間體”，可以是纖維素糖類，也可以是發酵或合成的醇類，還可以是來自熱解反應的各種生物油脂。這些“生物質中間體”足夠穩定，能夠從一個市場實體儲存和運輸到下一個市場實體進行進一步處理，體現了SAF制備過程中的專業再分工。當然，隨著技術的不斷發展必然會有越來越多的更加先進、碳強度更低的SAF制備工藝出現，進行詳細完備的工藝風險和工藝成熟度評估也將越發關鍵。

構建完備供應鏈

SAF供應系統既包括生物質原料收集、處理和分配到SAF生產設施的全流程，也涉及成品燃料運輸到機場所需的各種配套支持。目前的SAF供應鏈還很不成熟，市場主體的運營活動分散且呈現明顯的區域性，同時根據燃料認證要求SAF必須與常規航空燃料混合應用，二者供應系統之間的協調配合也應引起重視。通過吸納所有的利益相關方建立行業組織，更好地促進交流、凝聚共識、統一部署，有助于SAF產業各方面力量的整合。

為了使行業組織能夠有效進行場景評估和選項分析，科學的供應鏈模型和決策支持工具不可或缺，建模量化的對象包括但不限于原料可用性、基礎設施選址和建設、制備工藝經濟性、適航許可要求、全生命周期碳成本等。除了通過知情決策分析供應和生產方案的商業可行性，還需投入大量資金啟動大規模的驗證，覆蓋從生物質收集到SAF交付，再到燃料加注并完成飛行活動的整個供應鏈。從歷史的經驗看，這種試點示范非常有必要，能夠切實避免在商業階段付出更高的時間和經濟代價。

支持政策制定

除了供應鏈模型外，支持政策制定、評估政策效果并最大化SAF的社會、經濟和環境價值，同樣離不開相關統計信息和方法工具，基于技術經濟和產能潛力重點分析現有政策和擬議政策的作用和影響，展示未來政策的主要著眼點和引導方向，以破除SAF在生產和應用中的主要障礙。鑒于全生命周期排放水平是SAF政策的核心出發點，具有高可信度、可操作性且與國際標準一致的碳排放計算方法顯得至關重要，這也將是碳定價和碳交易的基準，而SAF對空氣質量和氣候變化的非二氧化碳影響、原料生產過程中作物多樣性伴隨的環境共同收益（如土壤改良）等也是頂層政策關注的對象。

從保障供給的角度來說，應形成明確的激勵措施清單，建立專門的融資渠道為SAF項目提供服務，根據實際產量對能源供應商進行補貼，確保產能越大售價越低，盡快釋放SAF的產能；從提振需求的角度來說，可出臺SAF的政府采購機制，探索政府部門和軍方購買SAF以帶動市場需求和商業應用的可能性。航空公司組團集體采購，承諾在規定的時間以一定價格購買一定數量的SAF，邀請能源供應商以最低價格投標實現市場的統一供應，這可能會是未來SAF產業政策所努力營造的一種市場格局。

促進市場應用

加快燃料安全測試和審批、擴大合格燃料的范圍對于SAF供應能力的提升是顯而易見的。目前ASTM D4054認證標準能夠涵蓋各種航空燃料規格和屬性，飛機和發動機制造商的燃油試驗數據已成為審查迭代的一部分，不過針對SAF的多層審查流程仍舊有進一步簡化的空間，同時，在規范中允許SAF和常規航空燃料的最大體積混合比例從50%上升到100%，即完全使用SAF完成飛行任務。這不但需要能源供應商、裝備制造商和監管機構的密切協調，也需要從SAF的理化特性角度進一步研究100%SAF對現有機隊零部件的影響，如那些不含芳香族化合物的SAF能否滿足燃油系統的密封指標。

在進行100%SAF測試的同時，探究SAF所帶來的額外性能或飛行生產率增益對其市場應用也具有顯著的促進作用。例如，未來SAF的質量或體積能量密度可能高于常規航空燃料，有助于實現更長航程的飛行；SAF可能具有更好的熱穩定性，可以降低燃料系統換熱器的設計要求從而減輕飛行質量。而在100%SAF普及應用之前，能源供應商往往根據ASTM的規定將SAF和常規航空燃料混合后通過公路或鐵路運往機場，運輸能力有限，而SAF多種多樣的規格和組分不具備利用現有管道實現大規模長距離運輸的條件，打通SAF應用的最后一環、將SAF更高效安全地集成到燃料配送體系中尤為關鍵。

增進溝通交流

透明、準確和客觀地展示SAF的環境、氣候和經濟效益是增進公眾支持與了解的重要手段。無論是種植原料的農民還是乘坐使用SAF航班的旅客，如果沒有廣泛而又積極的群眾基礎，想要增加產量并說服航空公司擴大應用將面臨巨大的挑戰。特別是由于SAF供應鏈的復雜性，很容易出現不正確或誤導性的信息，并迅速傳播左右公眾的看法。通過定期進行新聞動態發布、傳達SAF發展的公共利益，避免由于過時信息或片面數據導致批評和誤解，進一步建立與公眾溝通的渠道以尋求新發展格局下社會觀念的改變。

SAF相關溝通磋商還涉及非政府組織、原料供應商和其他利益相關團體，通過交流全球各地的產業信息和實踐案例，以減少來自農業和林業的全生命周期碳排放，最大限度降低對環境和社會影響。此外，每兩年對可持續航空燃料大挑戰路線圖進行一次更新，采用協調一致的方法跟蹤原料和SAF的生產使用情況，評估執行進展、經驗教訓和現實效益從而指導后續的工作。需要專門的跨領域協作機制進行信息的收集和整合，形成的公共數據庫可為任何感興趣的群體使用，這將對那些暫時未能納入SAF產業系統的中小機場的可行性分析提供重要的參考和幫助。

SAF發展戰略展望

根據2021年年底美國聯邦航空局（FAA）發布的《航空氣候行動計劃》，大規模生產和使用SAF已成為美國政府在2050年前實現凈零碳排放目標唯一的可行方案、最具影響力的中近期國家戰略方向?？沙掷m航空燃料大挑戰路線圖重申了“電能和氫能動力技術僅限于短途飛行的小型飛機，預計在2050年之前不會對航空碳減排做出顯著貢獻”的論述，并為SAF的發展設定了雄心勃勃的目標，2030年SAF產能將比2021年增長600倍，從0.17億L急劇攀升到114億L，年化增長率達到122%，2050年的供應水平則在1300億L以上，不但能夠完全滿足美國國內航空燃料的需求還具備一定的出口能力，對應的產業配套需求則包括400多個專業SAF生產工廠和10億t生物質或從大氣中捕獲的二氧化碳原料。隨著制備技術的進步和轉化效率的提升，美國能源部生物燃料技術辦公室（BETO）認為這些原料可能足以生產1800億L以上的SAF。

可持續航空燃料大挑戰路線圖行動項和工作重點

在能源生產制造環節，SAF可能存在巧婦難為無米之炊的現實情況，無論是油脂類初級生物質還是來自廢棄物和生產殘留物的生物質大都存在一定的供應周期，如果找不到解決原料需求的合適辦法，那么SAF產業的一切發展都無從談起。從某種意義上說，美國政府力推SAF的最大底氣就在于擁有極為發達的農業基礎和海量生物質原料的供應潛力，原料供應、能源制備和航空運營將密切結合起來，這不僅是綠色航空產業鏈協同發展的要求，也是衡量全生命周期碳減排效果的基礎。然而，對于其他國家或地區而言，SAF的發展定位到底在哪仍需審慎設置。

一般認為主要能源作物的增長潛力已經確定，來自農業和林業的殘留物也不會大幅增加。歐洲航空業《目標2050》援引的數據顯示，到2050年全球可利用生物質的含能量為67～160EJ，保守估計對應的生物燃料總產能在20000億L左右。雖然看起來并不是一個很小的數字，但要知道這些生物燃料可能要供應熱電、塑料、公路、海運和航空等各個國民經濟部門。國際清潔交通委員會（ICCT）曾預計，到2050年全球9%的生物燃料可能會流入到航空業，按照上面的估算結果則對應為1800億L，此時美國規劃的產能則相當于全球的70%以上。即便如此，1800億L 也僅為2019年燃料需求的一半，隨著航空市場的擴張，2050年航空燃料的消耗量可能會超過8000億L，若機隊100%采用SAF則缺口在三分之二以上。

考慮到不同國家生物質資源的差異，未來綠色航空發展路線之爭絕不是一個簡單的航空產業自身的技術問題，背后所涉及的最大優勢發揮與系統性利益博弈至關重要。除了降低碳排放以外，美國政府還在努力宣傳SAF在農業的額外收益（農民可以在淡季種植生物質原料獲取高額回報）、環境改良與保護（多樣性的生物質原料可以改善土壤和水質水量，控制水土流失）和提升飛機性能（SAF中較少的芳香族物質含量有利于清潔燃燒）等方面的好處，能夠創造更多的就業機會和經濟價值。不過，針對航空公司SAF的現實運營經濟性問題，或者說隨著SAF產能的擴大能否同步快速降低運營成本，路線圖中并沒有給出答案，SAF和常規航空燃料的價格差距走勢在業界仍舊有很大的爭議。

由于燃料成本占據了整個民航業運營成本的25%～40%，SAF的溢價會直接影響航空公司的競爭力和收入。更為重要的是，目前以歐盟排放交易計劃（ETS）和國際航空碳抵消和減少方案（CORSIA）為代表的那些市場導向的政策舉措給出的碳價格尚不足以為SAF的推廣應用提供更強大的外部激勵。在可持續航空燃料大挑戰路線圖構想的產業生態中，原料生產商（提供生物質原料）、能源供應商（制備）、航空制造商（測試和審定）和航空公司（運營）各司其職、環環相扣，但都離不開美國農業部、能源部和交通部的一攬子政策法規的協調和支持，未來可能還需進一步的立法行動、具體的資金補貼來降低整個行業轉向SAF的成本和風險。這將是一個持續、長久和實質性的支持和行動的方案，也有望成為業界堅定擴大SAF生產與應用信心的基礎。

結束語

我國生物質原料分布廣泛、整體可利用量大，無論是新建SAF產能還是對現有生物柴油產能進行改建，都不會有根本性的障礙。不過在制備技術方面，已投產項目或示范項目中只有HEFA工藝被運用，更能利用我國纖維素基生物質原料優勢的AtJ制備路線的技術儲備還需加強；在市場需求方面，由于沒有強制性的SAF應用指標，國內航空公司并不急于推動SAF，除了少量試航外沒有公開明確的SAF商業飛行計劃；在產能投資方面，SAF市場規模尚小，政策信號不明晰時中石化、中石油等大型能源供應商較難做出中長期的SAF生產布局與產能擴張決策。

為了進一步明確SAF對航空業脫碳減排的重要意義、消解市場參與者對于SAF前景的疑慮，應參照可持續航空燃料大挑戰路線圖，盡快出臺符合我國資源稟賦和國情現狀的SAF頂層戰略，通過一系列政策導向和資金支持促進新型制備工藝的研發，加快適航和可持續性認證流程，擴大SAF的生產與應用規模，推動產業上下游市場參與者的交互合作，使SAF能夠和電動航空器、氫能航空器等航空碳減排路徑協調發展、互相補充，共同為我國綠色航空的未來貢獻力量。