■ 王翔宇/中國航發(fā)研究院

可持續(xù)航空燃料對于未來航空產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)低碳發(fā)展具有重要意義。在各國政府機構、航空公司、燃料供應商和航空原始設備制造商紛紛努力促進可持續(xù)航空燃料普及應用的同時，相關產(chǎn)業(yè)也面臨著降低制備成本、提升供應能力、明確組分特性以及簡化認證流程等諸多方面的困難和挑戰(zhàn)。

可持續(xù)航空燃料（SAF）一般指由各種可持續(xù)重復獲得的原料（生物原料或合成原料）經(jīng)過化學反應生成的航空煤油替代品。雖然SAF并不像電能或氫能那樣有望成為未來航空業(yè)低碳發(fā)展的最終解決方案，不過其燃燒時產(chǎn)生的二氧化碳可借助原料生產(chǎn)得以中和，在其他技術路線成熟應用之前對于航空業(yè)實現(xiàn)凈零碳排放這一短期目標具有極為重要的現(xiàn)實意義，也是可持續(xù)遠程飛行最可行的選擇。除了原料來源多樣、全生命周期碳排放顯著減少以外，SAF與航空煤油相比所產(chǎn)生的煙塵、氮氧化物和硫化物都會大大降低，也無須對當前的飛機/發(fā)動機結構進行根本性的重新設計。

從航空燃料到可持續(xù)航空燃料

航空燃料是由幾百種不同碳氫化合物組成的混合物，其組分從含8個碳原子的分子到含16個碳原子的分子不等。作為汽油和柴油的中間餾分產(chǎn)物，航空燃料的沸點與汽油有顯著重合、與柴油幾乎完全重合，相應的煉油廠商可根據(jù)市場條件和政策驅動有傾向性地選擇生產(chǎn)哪種產(chǎn)品，這也意味著目前SAF和可再生柴油存在較為激烈的產(chǎn)能競爭關系。為使SAF能夠被等同于航空煤油使用，可從性能、可操作性和兼容性對其進行描述。其中，性能主要包括質量能量密度、體積能量密度、顆粒物排放量和熱穩(wěn)定性等，決定了SAF為航空發(fā)動機布萊頓循環(huán)提供服務的能力；可操作性的出發(fā)點在于確保燃料在惡劣環(huán)境條件下（如低溫冷起動和高空再點火）的安全可用性，在美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）D4054標準框架下往往借助原始設備制造商（OEM）試驗設施進行認證；兼容性是指SAF應在不改變運輸條件和機場基礎設施的基礎上能夠直接應用到現(xiàn)有飛機和發(fā)動機產(chǎn)品上，不會對現(xiàn)有操作規(guī)范進行大的調(diào)整變更。

早期的SAF只包括正構烷烴和異構烷烴兩種組分，隨著化工技術的進步已經(jīng)擴展為正構烷烴、異構烷烴、芳香烴和環(huán)烷烴4個烴族，而傳統(tǒng)航空煤油中的其他組分（含氧分子、含雜原子分子、不飽和烯烴和金屬原子等）由于熱穩(wěn)定性差、冰點低、易形成污染物等問題已被SAF規(guī)格標準所剔除。正構烷烴和異構烷烴分子族通常占傳統(tǒng)噴氣燃料的55%～60%，前者雖可為SAF接受，但不符合ASTM D1655標準的冰點和閃點要求，也不提供獨特的性能屬性，而異構烷烴則具有質量能量密度高、熱穩(wěn)定性好、凝固點低等優(yōu)點。芳香烴能量密度較低，燃燒不像烷烴那樣清潔，是航空煤油90%顆粒物排放的來源，也極易造成燃燒室內(nèi)部結構的磨損。環(huán)烷烴則與異構烷烴相互補充，在滿足燃料能量密度要求的同時提供與芳香烴類似的密封膨脹功能?？梢哉f，目前通過在SAF中添加高質量異構烷烴來降低芳香烴的含量，并用環(huán)烷烴最終取代芳香烴的技術發(fā)展趨勢已較為清晰，既可最大限度減少污染排放又能進一步提升燃料的能量特性。

截至2021年年初，共有8種SAF生產(chǎn)工藝獲得了ASTM的認證，與航空煤油最大混合體積比例均不超過50%。作為當下商業(yè)上最為可行的制備SAF途徑，加氫酯和脂肪酸（HEFA）法通過將工業(yè)廢油和植物油等進行脫氧反應后加入氫可形成碳氫化合物，2017年其技術成熟度就已達到8～9級，未來含油的藻類也有望成為其原料。費托合成法是利用城市固體廢物的木質纖維氣化為一氧化碳和氫的混合物后進一步轉化為SAF，2019年其技術成熟度也在7級以上，是目前唯一獲批的可在燃料中加入芳香烴的制備工藝，能夠提供航空煤油中的全部組分，與當前航空發(fā)動機具有更好的兼容性。此外，還有醇噴合成法（糖、淀粉或水解纖維素發(fā)酵轉化為酒精后加工并升級為燃料）、催化水熱分解法（利用催化劑將生物質衍生的含氧化合物轉化為碳氫化合物的混合物）和糖類直接合成法（利用轉基因微生物將糖轉化為碳氫化合物或脂類）等，其生產(chǎn)工藝處于不斷的改進發(fā)展中。

3種不同組分的航空煤油性能比較（來源：美國能源部）

已獲得ASTM批準的典型SAF

促進可持續(xù)航空燃料普及應用

政府機構

SAF產(chǎn)業(yè)的培育離不開公共政策導向，這其中包括關于環(huán)境保護和燃料規(guī)格/質量的立法以及對于不同燃料的征稅和補貼等諸多方面，之前很多國家為滿足可持續(xù)發(fā)展目標而強制在汽車上推廣使用乙醇和生物柴油就是一個很好的例子。2016年歐盟出臺的第二期可再生能源法案（RED Ⅱ）已經(jīng)要求各成員國在2030年的SAF使用占比達到6.8%，歐洲航空業(yè)《目標2050》可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略則預期到2050年將其份額進一步提升到83%。同時，在歐盟排放交易體系（EU-ETS）下，若設置的碳排放配額價格高于SAF的成本，則必將對航空公司選用SAF起到積極的作用。早在2006年，由美國聯(lián)邦航空局（FAA）牽頭，代表美國航空公司、機場和OEM的3個協(xié)會共同發(fā)起的民航替代燃料倡議（CAAFI）就開始對SAF的應用可行性進行評估，2021年8月路透社報道稱美國政府正計劃到2050年讓航空公司使用100%SAF，以此作為白宮應對氣候變化的更廣泛努力的一部分。

航空公司

在認識到額外增加的運營成本可通過國家財政補貼以及票價附加費用得以平衡后，越來越多的航空公司開始對使用SAF表現(xiàn)出明顯的興趣，而除了運營成本以外，安全性和環(huán)保收益也是航空公司關注的重點。從2008年至2018年年底，全球約有30家航空公司使用SAF執(zhí)飛了15萬架次航班，到了2021年則有超過40家航空公司的30萬架次航班使用了SAF，待執(zhí)行的SAF采購協(xié)議則達到了500萬t以上。此外，航空公司也積極地與SAF制造商合作，例如，早在2015年美聯(lián)航就與Fulcrum生物能源公司合作，共同在洛杉磯建立了將城市固體垃圾轉化為SAF的工廠，計劃年產(chǎn)量為28萬t。2021年Alder 油料公司宣布獲得了美聯(lián)航和霍尼韋爾公司數(shù)百萬美元的投資，并與美聯(lián)航簽署了150億L 的SAF購買協(xié)議，是美聯(lián)航每年消耗燃料的40%，這也是目前航空史上最大的一宗SAF采購計劃。

耐斯特能源公司生產(chǎn)的SAF為飛機供能（來源：耐斯特能源公司）

燃料供應商

面對日益旺盛的市場需求，傳統(tǒng)能源巨頭紛紛向著高質量、大規(guī)模和低成本生產(chǎn)SAF的方向不斷努力，很多新興能源公司也順勢而為致力于推動SAF的商業(yè)化發(fā)展。據(jù)IASC航空產(chǎn)業(yè)鏈的相關報道，世界最大石油交易商之一的荷蘭皇家殼牌（Shell）公司表示，到2025年其SAF產(chǎn)能將達到200萬t，比2019年全球總產(chǎn)量還多10倍，占到該公司航空燃料銷售額的10%以上。芬蘭耐斯特（Neste）能源公司的轉型更為徹底，目前已經(jīng)在為舊金山國際機場提供SAF，隨著其在荷蘭鹿特丹的工廠即將投產(chǎn)，SAF的年產(chǎn)量將從目前的10萬t提升到2023年的150萬t。但也必須認識到，雖然目前獲得認證的SAF種類不少，但大多制備工藝并不成熟、距離市場應用仍有不小的差距，考慮到未來新工藝技術可用來制備更高質量的SAF并取代現(xiàn)有工藝，快速部署生產(chǎn)線投產(chǎn)可能存在較大的不確定性風險。

航空原始設備制造商

為使SAF能夠符合操作和安全標準、滿足適航審定要求，在ASTM D4054框架下由航空OEM主導的測試認證不可或缺。霍尼韋爾公司于2011年完成了HEFA燃料的測試，該燃料于同年7月被添加到ASTM國際燃料規(guī)范中；2013年，波音公司測試了加入HEFA燃料后燃油系統(tǒng)密封件的性能變化，對其特性有了初步認識；2015年，普惠公司開展了一系列支持ASTM認證的測試工作，測試對象涵蓋醇噴合成法、催化水熱分解法和糖類直接合成法等多種制備工藝；同年羅羅公司進行了發(fā)動機臺架試驗，以進一步了解燃油系統(tǒng)密封件在不同SAF下的性能。從2016年開始，GE公司也陸續(xù)對多種SAF的燃燒特性進行試驗，相關結果支持醇噴合成燃料以更高的比例與航空煤油混合。隨著空客公司、德國航空航天中心（DLR）、羅羅公司以及耐斯特能源公司聯(lián)手啟動了具有開創(chuàng)性的“替代燃料排放和氣候影響”（ECLIF3）項目，將SAF混合比例上限提升到100%后對發(fā)動機、燃油系統(tǒng)和飛機機體的影響成為未來測試的重點。

2020年年底，羅羅公司在其下一代“超扇”（UltraFan）發(fā)動機計劃的技術演示驗證機（配裝ALECSys稀薄燃燒低排放系統(tǒng)的遄達發(fā)動機）的地面測試中首次使用了100%的SAF。該燃料由美國世界能源（World Energy）公司生產(chǎn)，這家公司也是當時美國唯一一家實現(xiàn)SAF商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的供應商。波音公司在2021年2月承諾到2030年其民用飛機能夠獲得認證使用100%SAF進行飛行，并在下半年與羅羅公司合作開展了飛行測試，波音747平臺上的1臺遄達1000發(fā)動機使用100% SAF，另外3臺RB211發(fā)動機依舊使用航空煤油，近4h的飛行未出現(xiàn)任何工程問題，隨后羅羅公司確認到2023年所有遄達發(fā)動機都將與100% SAF兼容。幾乎同時，賽峰集團宣布全球首臺完全采用SAF的渦軸發(fā)動機馬基拉2（Makila 2）成功運轉，并于1個月后在空客公司的H225直升機上首飛成功，標志著旨在評估非混合SAF對直升機系統(tǒng)影響的飛行測試活動的正式啟動，其與GE公司合作研發(fā)的RISE計劃中的開式轉子架構發(fā)動機也將支持使用100% SAF。

道達爾能源公司生產(chǎn)的SAF為飛機供能（來源：道達爾能源公司）

使用100%SAF的遄達1000發(fā)動機在波音747平臺進行飛行測試（來源：羅羅公司）

可持續(xù)航空燃料發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

在政府和業(yè)界的大力支持下，SAF雖然已經(jīng)表現(xiàn)出了巨大的應用前景和市場潛力，但其發(fā)展也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

降低制備成本

據(jù)國際清潔交通委員會（ICCT）相關統(tǒng)計，SAF的生產(chǎn)成本約為航空煤油的2～8倍。其中，即便是當前相對成熟的HEFA工藝，產(chǎn)品的最低市場價格也相當于航空煤油的1.9～2.8倍，特別是注意到其他行業(yè)對豆油、棕櫚油、用過的食用油以及棕櫚脂肪酸餾出物這些HEFA生產(chǎn)原料的迫切需求與競爭，短期內(nèi)想要進一步降低HEFA的成本還有很大的困難。由于燃料成本占整個民航業(yè)運營成本的25%～40%，即便航空公司愿意以更高的價格購買一些SAF來支持其可持續(xù)發(fā)展，但這終究不是長久之計，盡快將SAF降到與航空煤油基本相同的成本是當下非常急迫的任務。一些燃料供應商已經(jīng)注意到了富含一氧化碳的工業(yè)廢氣和易于氣化的城市固體廢物的潛在利用價值，其相較于農(nóng)業(yè)生物質原料更易獲取也廉價得多。

賽峰集團對使用SAF的直升機發(fā)動機進行測試評估（來源：賽峰集團）

提升供應能力

2019年全球航空業(yè)共消耗了約3600億L燃料，預計未來還將以3%左右的年化速率不斷增長，而目前的SAF的年產(chǎn)量僅為5000萬L，不到總量的0.02%，即便不考慮價格的問題，在今后的幾年必須大幅增加SAF的產(chǎn)能才能滿足市場的需求。然而，各種獲得認證的SAF工藝都或多或少地面臨原料的長期可用性以及大規(guī)模生產(chǎn)的問題，工業(yè)廢物廢氣的來源極為有限，而生產(chǎn)其他生物質原料又需要占用大量的耕地和水資源。長期最可行的技術方案就是利用費托方法將工業(yè)途徑得到的氫（如電解）和大氣中二氧化碳合成用來制備燃料的碳氫化合物，但這也會帶來巨大的可再生電力需求缺口。此外，在全球范圍內(nèi)支持SAF的基礎設施體系也遠未成形，為使傳統(tǒng)煉油廠具備原料一體化處理能力，額外的投資必不可少，而若在現(xiàn)有供應鏈之外拓展SAF專業(yè)工廠，相應地也要配套建設管道運輸和分裝儲存系統(tǒng)。

明確組分特性

為確保減排潛力最大化，理想狀態(tài)下的SAF應無須與任何傳統(tǒng)燃料混合使用，但由于現(xiàn)在生產(chǎn)技術大多只是復刻了航空煤油中以正構烷烴和異構烷烴為代表的石蠟類組分，業(yè)界對SAF的性能特性到底能在多大程度上還原航空煤油還缺乏全面的認識，導致了SAF在商業(yè)使用中的混合體積被限制在了50%以下。波音公司的最新測試顯示在波音777飛機上使用100%HEFA燃料時，以前沒有接觸過燃料的密封件即便不需要芳香烴組分也能獲得可接受的性能，不過在充分的化工機理研究和令人信服的試驗證據(jù)出現(xiàn)前，業(yè)界對于老舊飛機/發(fā)動機系統(tǒng)中能否用環(huán)烷烴代替芳香烴仍持審慎的態(tài)度，而為了允許與航空煤油組分不同的SAF能單獨使用，未來發(fā)動機燃燒系統(tǒng)也可能會重新設計以保持最佳的運行性能。

簡化認證流程

ASTM D4054是評估新型航空燃料和燃料添加劑的核心標準操作規(guī)程，旨在確保使用替代航空燃料的飛機安全可靠地運行。整個測試由航空OEM主導，一般分為4個主要步驟，是一個反復迭代和異常嚴格的評估過程。這也導致了目前SAF的認證需要3～5年的時間、500萬美元以上的成本，全流程費用支出則高達1000萬～1500萬美元，耗費的大量燃料樣品對于很多新興燃料供應商也是一個沉重的負擔。減少認證時間并降低認證成本已經(jīng)勢在必行，2020年1月ASTM D4054快速認證附件得到批準，但通過該附件認證的SAF最大混合比例被限制在10%以下，后續(xù)仍有很多工作要做。當然也要注意到，雖有簡化ASTM認證流程的空間，但隨著技術的不斷進步，對SAF性能規(guī)范的要求只會收緊而不是放寬。

ASTM D4054測試主要步驟（來源：美國能源部）

結束語

2021年10月，《中共中央、國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》發(fā)布，為碳達峰、碳中和這項重大工作進行系統(tǒng)謀劃、總體部署，明確了在提高非化石能源消費比重、降低二氧化碳排放水平等方面的發(fā)展目標。在這一大背景下，伴隨著我國民航運輸市場需求的快速增長，政府機構、航空公司、燃料供應商和航空OEM等方方面面應通力協(xié)作，充分認識SAF對于我國航空產(chǎn)業(yè)未來實現(xiàn)低碳發(fā)展的重要意義，及時將SAF的研究與推廣應用納入頂層發(fā)展規(guī)劃，積極參與SAF國際認證標準的制定，加快SAF生產(chǎn)新技術研發(fā)以及工業(yè)生產(chǎn)裝置建設，解決原料、技術與產(chǎn)能難題，形成完備的SAF產(chǎn)業(yè)體系，為應對風險挑戰(zhàn)、搶抓發(fā)展機遇做好充分準備。