雪晶，王紅秋，王雙慶

1.中國石油天然氣股份有限公司石油化工研究院；2.中國石油大學（北京）

0 引言

自工業(yè)革命以來，全球化石能源燃燒產(chǎn)生的CO2排放量累計高達 2.2×1012t［1］，約占溫室氣體排放總量的四分之三，被認為是造成全球氣溫升高的重要因素之一。因此，推動能源部門實現(xiàn)凈零排放，是應對全球氣候變化的關鍵抓手和國際社會的普遍共識［2］。實現(xiàn)凈零必然導致能源系統(tǒng)的深刻變革，清潔能源將發(fā)揮更加重要的作用。生物液體燃料作為典型的可再生能源，產(chǎn)業(yè)化進程開展較早、應用最廣泛，但近年來發(fā)展趨緩，在全球凈零目標驅(qū)動下，生物液體燃料在未來能源體系中將扮演怎樣的角色以及如何能更好的發(fā)揮作用值得思考。

1 新形勢下生物液體燃料發(fā)展面臨的機遇

1.1 多國政策利好，未來能源體系呈多元化趨勢

凈零目標下各國紛紛出臺相關政策加速推進可再生能源發(fā)展，生物燃料作為目前使用最廣泛的可再生能源，其發(fā)展得到了國際上一致鼓勵［3-4］。歐盟發(fā)布《歐洲綠色協(xié)議》，提出全面實施歐洲能源聯(lián)盟戰(zhàn)略，建立安全、可持續(xù)和有競爭力的低碳能源體系；法國先后發(fā)布《綠色增長能源轉型法案》《能源與氣候法案》；阿聯(lián)酋發(fā)布《2050迪拜清潔能源戰(zhàn)略》；印度、巴西、歐盟分別制定了“陽光計劃”“酒精能源計劃”；中國明確提出建設清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系，實施可再生能源替代行動，并先后發(fā)布《生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》《關于擴大生物燃料乙醇生產(chǎn)和推廣使用車用乙醇汽油的實施方案》等政策。盡管2019年煤炭、石油、天然氣占了世界一次能源消費的80%，但預計2050年將下降至60%～20%［5］。結合各國的政策傾向及其能源結構目標，未來的世界能源格局將呈現(xiàn)多種能源相互競爭、互為補充、共同發(fā)展的多元化格局，煤炭、石油、天然氣、可再生能源四分天下。

1.2 交通領域減排需求迫切，未來生物液體燃料重點應用場景更加明晰

截至2020年底，交通領域總能耗在全球終端能耗中占比約28.8%，自1990年來其產(chǎn)生的CO2排放已增長68%，在所有能源消耗類別中增速最快，其中道路運輸排放約占四分之三［6］。提高能源效率以及尋找石油的清潔替代產(chǎn)品已成為交通領域脫碳的關鍵。除了通過持續(xù)提高傳統(tǒng)內(nèi)燃機的熱效率、應用高品質(zhì)燃油清凈劑以及推動交通電氣化等手段減少石油燃料污染物排放［7-10］，利用生物液體燃料替代部分石油也成為交通領域碳減排的重要選擇。盡管電氣化是交通領域的重要發(fā)展方向，但在遠距離航空、船運、重卡領域需要更高的能量密度，仍對燃料的熱值具有更高需求，與其他可再生能源形式相比，生物液體燃料是更好的選擇。世界能源機構預測在2017—2040年，交通運輸業(yè)的能源消耗所帶來的增長可能將會超過25%，其增量中重型卡車占比最大［11］。預計到 2050年，生物燃料在運輸部門最終能源消費總額中的貢獻將從2016年的3%增加到 20%［12］。

2 生物液體燃料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及趨勢

全球范圍內(nèi)應用及研發(fā)最廣泛的生物液體燃料主要包括燃料乙醇、生物柴油和生物航煤。2020年全球生物燃料（主要為燃料乙醇和生物柴油）總產(chǎn)量為6.1×108桶，消費地區(qū)主要集中在美國、巴西、印度尼西亞、中國、德國、法國等國家［5］（見圖1）。

圖1 2020年全球生物液體燃料消費主要分布情況

2.1 燃料乙醇

玉米、小麥、甘蔗、木薯等均可經(jīng)發(fā)酵、蒸餾、脫水制得乙醇。從原料加工的難易角度看，糖類工藝最為簡單，其次為玉米等淀粉類原料，但此類原料存在“與人爭糧”的問題，且人工種植因素在燃料全生命周期中帶來的碳排放影響存在爭議。巴西和美國由于具有天然的甘蔗、玉米原料優(yōu)勢，燃料乙醇生產(chǎn)始終位居世界前兩位，2020年美國消費量占全球總量的35.9%，巴西占23.5%。全球范圍內(nèi)燃料乙醇在汽油中的添加比例多為不到10%（見表1）。

表1 全球主要燃料乙醇消費地區(qū)添加比例規(guī)定[13-14]

E10乙醇汽油（乙醇摻混比例為 10%）在美國已基本實現(xiàn)全境覆蓋，目前正逐步開始使用E15乙醇汽油（乙醇摻混比例為15%）。巴西燃料乙醇添加比例全球最高，已推出高標號的 E85和 E100乙醇汽油，全國平均比例為27%。由于糧食基乙醇全生命周期內(nèi)對氣候變化的影響更大［15］，因此纖維素原料將是未來燃料乙醇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢，但由于技術難度大，目前總體處于商業(yè)化初期，提高乙醇收率、降低成本是關鍵。科萊恩公司開發(fā)了 sunliquid?技術，可在穩(wěn)定的條件下以高收率將纖維素和半纖維素分解為可發(fā)酵糖；生物催化劑的工藝集成降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)過優(yōu)化的發(fā)酵生物可同時將C5和C6轉化為乙醇。2021年10月，科萊恩建成全球首家sunliquid?技術商業(yè)化纖維素乙醇工廠，加工量為25×104t秸稈，年產(chǎn)5×104t纖維素乙醇。

2.2 生物柴油

第一代生物柴油（FAME）和第二代生物柴油（HVO）均以菜籽油、大豆油、棕櫚油、餐飲廢油等為原料，其中美國多以大豆油為原料，歐洲國家多以菜籽油為原料，東南亞國家以棕櫚油為原料，中國以餐飲廢油為原料。由于柴油車是歐洲乘用車市場的重要組成，因此生物柴油在歐盟國家發(fā)展最快。其中，德國對柴油征收約600美元/t的消費稅，而對于生物柴油稅收減免后的稅額僅為237美元/t［16］，生物柴油消費得到極大帶動，2020年消費量首次超過中國，位居全球第三，約占全球消費總量的3.9%［7］。法國是歐盟生物柴油消費量第二大的國家，年均增長率近20%。美國生物柴油總產(chǎn)能約為890×104t/a。巴西正在新建及擴建的生物柴油工廠共21家，建成后產(chǎn)能將增至1 100×104t/a。印度尼西亞2020年啟動B30生物柴油計劃，年消費量目標為834.34×104t［17］。

第一代生物柴油由于成分與石化柴油差異較大，盡管可提高柴油十六烷值，但并不能完全替代石化柴油，需按照一定比例添加，常見添加比例為10%以內(nèi)。東南亞國家正在嘗試逐步提高添加比例，馬來西亞生物柴油摻混率已由 7%提升至 10%，并計劃在2025年前進一步提高至30%。第二代生物柴油組成已是烴類，結構和性能更加接近石化柴油，使用時不受添加比例限制，且其生產(chǎn)工藝與生物航煤幾乎一致，生產(chǎn)靈活性更強，目前新建生產(chǎn)裝置多為第二代生物柴油工藝路線，代表著未來生物柴油產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向。在2020年全球生物液體燃料產(chǎn)量萎縮的情況下［18］，第二代生物柴油產(chǎn)量逆勢增加 12%［4］。

2.3 生物航煤

近幾年，中國航煤消費需求呈現(xiàn)逐年增長趨勢［19］。生物航煤是近年來發(fā)展最快的生物液體燃料，是典型的可持續(xù)航空燃料（SAF）。動植物油脂、纖維素、生物質(zhì)糖、微藻等均可用于生產(chǎn)生物航煤。歐洲國家和美國的生物航煤生產(chǎn)走在前列，2008年至今，全球已經(jīng)有超過45家航空公司的37×104架次航班使用了生物航煤［20］，不少煉油廠正在改造成為兼產(chǎn)生物航煤與第二代生物柴油的工廠。2021年，Total公司將法國Grandpuits煉油廠改造成原料加工量40×104t/a，最多可產(chǎn)17×104t/a生物航煤、12×104t/a HVO和5×104t/a可再生石腦油的綜合煉油廠。Phillips 66正將一家規(guī)模為600×104t/a的煉油廠改造成生物煉油廠，70%產(chǎn)品為第二代生物柴油，20%為生物航煤，10%為生物汽油。此外，美國Marathon公司規(guī)模達100×104t/a的北達科他州煉油廠和 800×104t/a的加州馬丁內(nèi)斯煉油廠、HollyFrontier公司的 Cheyenne煉油廠、Diamond Green公司洛杉磯諾科市煉油廠均將建為生物煉油廠。據(jù)國際航空運輸協(xié)會（IATA）預計，2030年SAF使用量將從2025年的700×104t/a上升到2 000×104t/a，主要生產(chǎn)企業(yè)包括 Neste、Gevo、Amyris、World Energy、Fulcrum等。

由于生物航煤不含芳烴，而芳烴含量有利于提高潤滑性，且對飛機發(fā)動機密封膠密封性具有一定影響，因此生物航煤需與化石航煤調(diào)合使用。目前已有7種技術路線通過認證可生產(chǎn)生物航煤，分別是費托合成制備生物航煤、油脂加氫脫氧制備生物航煤、糖發(fā)酵加氫制備生物航煤、輕芳烴烷基化制備生物航煤、低碳醇制備生物航煤、催化水熱裂解噴氣燃料和微藻加氫制備生物航煤路線［21］，除了糖發(fā)酵路線制得的法尼烷作為生物航煤組分使用時添加上限為10%之外，其余路線生產(chǎn)的生物航煤添加上限均為50%。目前，德國、法國、挪威、芬蘭已明確提出 SAF添加目標（見表 2）［22］。由于多數(shù)路線生物航煤價格遠高于化石航煤［23］，為了增強生物航煤的市場競爭力，開發(fā)低成本技術是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

表2 歐洲國家生物航煤添加比例規(guī)定

3 生物液體燃料發(fā)展的制約因素

生物液體燃料是最早實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、應用最廣泛的可再生能源形式，卻在本世紀初經(jīng)歷十余年發(fā)展熱潮之后逐漸歸于平緩。近年來，其發(fā)展速度及投資熱度更是不及風電、光電等。Biofuture Platform、IRENA、IEA等多家機構曾在不同范圍內(nèi)調(diào)查影響生物燃料發(fā)展的因素，普遍認為政策的不確定性、原料供應的不穩(wěn)定、經(jīng)濟上缺乏競爭力等是重要影響因素。

3.1 政策上存在不確定性

生物燃料市場長期以來對政策依賴性較強，利潤空間很大程度上取決于稅收減免、混合義務或不同種類的授權。而生物燃料煉油廠從技術開發(fā)、商業(yè)計劃、到工程設計、供應鏈建立、施工生產(chǎn)等，至少需要5～10年的時間，投資回收期通常需要長達10～30年。而單項的政策激勵往往難以保持幾十年不變。以美國為例，作為有力推動生物燃料發(fā)展的國家，美國2005年發(fā)布可再生燃料標準（RFS），要求煉油廠每年必須在汽柴油中混配規(guī)定數(shù)量的可再生能源（主要是生物燃料），但近年來持續(xù)擴大豁免范圍，繼2016年豁免48家煉油廠部分添加義務之后，2019年又豁免 31家，直接導致多家生物燃料生產(chǎn)商宣布減產(chǎn)。

3.2 經(jīng)濟上競爭力不強

原料成本和運輸成本高是生物燃料競爭力不強的重要原因。燃料乙醇生產(chǎn)中，玉米、小麥轉化率約30%，原料費用占總成本約80%；秸稈雖然價廉，但轉化率不足15%，運輸成本超過總生產(chǎn)成本的35%。全世界生物燃料普遍存在與化石燃料相比經(jīng)濟競爭力不強的問題。以2019年為例，生物柴油在各主要推廣國家或地區(qū)生產(chǎn)成本多已超過600美元/t［24］（見表3），而當年中國的化石柴油出口價為574.4美元/t［25］。

表3 2019年世界主要生物柴油推廣國家生產(chǎn)成本

朱青［26］分別對玉米、木薯、秸稈原料燃料乙醇成本進行分析，在中國燃料乙醇定價模式下，木薯、玉米燃料乙醇生產(chǎn)企業(yè)可以獲利，而纖維素燃料乙醇與化石燃料相比仍不具有競爭力。對于生物柴油，脫酸精煉后的餐飲廢油原料約5 000元/t，轉化率按90%計，原料成本占總成本70%以上。生物航煤若以餐飲廢油為原料，轉化率約30%；若以小桐子油為原料，毛油7 000～9 000元/t，轉化率約50%，僅原料成本均已遠超石油航煤市場價。

3.3 原料供應缺乏保障

一是生物質(zhì)資源不由生物燃料生產(chǎn)企業(yè)掌握。穩(wěn)定的原料供應對于生產(chǎn)企業(yè)至關重要，而非糧生物質(zhì)多是農(nóng)林業(yè)殘留物，或是在不適合作物生長的邊際土地上種植的能源作物、餐飲廢油、屠宰場下腳料等，通常并不掌握在燃料生產(chǎn)企業(yè)手中，且存在資源分散和間歇性供應的問題。生產(chǎn)企業(yè)多未獲得長期供應協(xié)議，需與農(nóng)民、林糧部門等主要生物質(zhì)供應方建立聯(lián)系，或?qū)で蠡旌显弦源_保持續(xù)供應，而原料品種范圍的擴大往往使預處理成本增加。

二是生物質(zhì)原料存在競爭性用途。例如，農(nóng)林業(yè)剩余物可用作肥料、固體燃料、動物飼料等，木屑、秸稈可被用作生產(chǎn)刨花板、中密度纖維板，廢棄油脂也可用作生產(chǎn)肥皂、洗滌劑、油漆、清漆、樹脂、塑料和潤滑劑等。這些分散的生物質(zhì)資源由于缺少長期協(xié)議約束，流通去向更易受價格影響。

三是易于利用的非糧生物質(zhì)資源量有限。歐洲環(huán)保非政府組織Transport & Environment曾指出，即使將歐洲所有可持續(xù)的非糧生物原料都用來生產(chǎn)航煤，也只能滿足歐洲整個航空領域約11.4%的能源需求。歐洲石化協(xié)會的研究［27］也證明了這一觀點，認為如果沒有新的、有效的供應鏈，內(nèi)陸煉油廠將難以獲得穩(wěn)定的生物質(zhì)資源，使得當前歐洲的動植物油脂難以滿足更大規(guī)模發(fā)展的需求。

3.4 技術進展相對緩慢

與風電、光電的技術發(fā)展速度相比，生物液體燃料突破性技術發(fā)展相對緩慢，例如纖維素乙醇技術、微藻生物燃料技術等，多年來始終徘徊在中試、示范階段。即使發(fā)展較快的生物航煤技術，由于不同的目標產(chǎn)品往往對應不同的路徑，而每一轉化途徑又有特定的原料質(zhì)量要求、技術和操作挑戰(zhàn)，以及相對應的一套副產(chǎn)品加工路線，因此任何一種技術的應用都格外慎重。以生物航煤為例，目前多采用貴金屬催化劑，例如Neste、UOP公司的Pt負載分子篩催化劑，Topsoe公司的Ni-W負載酸性載體催化劑等，催化劑成本高，且對原料的酸值、水分、氯含量等有嚴格要求，否則極易失活。因此大豆油、小桐子油、餐飲廢油等不同的原料意味著不同的預處理方式，往往對應著不同的工藝要求，這對以多種復雜原料為來源的煉油廠是一挑戰(zhàn)。

4 生物液體燃料的作用及未來發(fā)展

盡管生物液體燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展遇到瓶頸，但與其他可再生能源相比，生物液體燃料不僅擁有環(huán)境友好性能，還具有突出的熱值優(yōu)勢、發(fā)動機及煉油廠裝置適應性優(yōu)勢，是補充替代石油產(chǎn)品最簡單有效的能源形式。發(fā)展生物液體燃料對于助力碳減排、補充石油需求、保障能源安全都具有積極作用。

4.1 生物液體燃料在未來能源體系中的作用

一是性能與石油產(chǎn)品接近，可部分替代石油需求。性能方面，生物液體燃料最接近石油，特別是生物液體燃料熱值高，更適合遠距離、重型交通工具需求。E10乙醇汽油單位體積熱值僅略低于汽油，生物柴油熱值略低于柴油，生物航煤熱值更是高于化石航煤，均遠高于液氨、鋰電池、氫氣等新能源形式，也高于天然氣（見圖2）。混合性能方面，汽油中添加燃料乙醇可降低汽油中的芳烴，保留汽油辛烷值，并提高發(fā)動機扭力輸出、熱力效率和燃燒效率；在柴油中添加生物柴油循環(huán)能量效率幾乎不變，且性能指標更優(yōu)；生物航煤燃燒性能更好，煙點更高。此外，幾種生物燃料與現(xiàn)有石油產(chǎn)品的輸送體系、物流、包括發(fā)動機等基礎設施匹配性較好。

圖2 不同燃料體積熱值對比

二是助力石油產(chǎn)品減少溫室氣體排放，緩解環(huán)境污染。添加10%的乙醇可減少溫室氣體近30%［28］，據(jù)統(tǒng)計，僅 2018年，燃料乙醇幫助美國減少約5 000×104t CO2排放，相當于一年減少1 170×104輛汽車運行，或關停 13個火力發(fā)電廠［29］。添加生物柴油可減少約78%的CO2、46%的CO、50%～60%未燃燒充分的碳氫化合物及68%的PM10排放［30］。以廢棄油脂為原料生產(chǎn)的生物航煤全生命周期碳排放量比化石航煤可減少約57%，據(jù)IATA預測，2050年航空業(yè)65%的減排量將由SAF貢獻。

三是各地原料分布差異小，有利于能源安全保障。由于生物質(zhì)資源在全球范圍內(nèi)分布差異遠遠小于原油，因此對于保障當?shù)厝加筒糠中枨缶哂兄匾饬x。例如，燃料乙醇曾在美國“能源獨立”進程中發(fā)揮了一定作用。1981年，美國生物燃料在交通燃料中占比 0.03%，2001年為 0.54%，2014年為4.76%，2019年達到 5.5%［31］。E10乙醇汽油自 1970年開始在美國市場使用以來，至今已占美國汽油總消耗量的98%以上。

4.2 對中國發(fā)展生物液體燃料產(chǎn)業(yè)的啟示

目前，國內(nèi)燃料乙醇得到較廣泛的應用和推廣，但生物柴油及生物航煤的規(guī)?；袌錾形赐耆纬伞Ｒ后w生物燃料是未來能源體系中不可或缺的一部分，歐美已提前布局并加快發(fā)展。中國需要有針對性地從原料保障、技術攻關和配套政策方面入手，提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟競爭力，助力產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。

一是規(guī)范原料供應渠道，保障非糧原料的可持續(xù)供應。對于秸稈、木屑等農(nóng)林業(yè)廢棄物原料，探索建立農(nóng)林工跨行業(yè)聯(lián)盟，協(xié)調(diào)農(nóng)林業(yè)廢棄物的可持續(xù)供應。對于餐飲廢油及其他廢棄油脂，進一步完善全鏈條管理體系，加強從收集到運輸、生產(chǎn)、使用全過程的閉環(huán)監(jiān)管，在廢棄油脂產(chǎn)生較為集中的地區(qū)加快推廣使用。

二是加快核心技術攻關，持續(xù)增強技術經(jīng)濟性。一方面，加快纖維素原料、餐飲廢油高效轉換及副產(chǎn)物高值化利用工程化技術開發(fā)，包括高效纖維素酶技術、非貴金屬催化劑技術等；另一方面，強化對工藝靈活性、裝置兼容性的研究，提高工藝對原料的適應性，裝置對技術的兼容性，形成原料多元化、工藝靈活化、裝置智能化的生物液體燃料生產(chǎn)體系，更好地適應未來能源發(fā)展需求。

三是完善配套政策，推動形成規(guī)?；镆后w燃料市場。生物航煤作為先進生物燃料的代表，早期市場的形成離不開政策扶持。稅收方面，可進一步完善生產(chǎn)企業(yè)增值稅退稅政策。將現(xiàn)行的對銷售自產(chǎn)的以廢棄動物油和植物油為原料生產(chǎn)的生物柴油、工業(yè)級混合油增值稅即征即退70%標準提高至100%退稅。應用方面，完善碳排放權管理，鼓勵使用添加生物液體燃料，并分階段明確生物液體燃料的添加要求，推動形成規(guī)?；纳镆后w燃料市場。