电转液eFuel航空燃料研究与应用进展|氢气|液氢|生物质|电解槽|电转液|航空燃料研究

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采用电转液(PtL)工艺路线的燃料具有高环保性能，是前景广阔的可持续航空燃料（SAF）。现阶段由于成熟度较低，其产业发展仍需重大的技术与经济权衡。考虑到欧洲拥有更为成熟的市场，学习其大规模部署PtL工艺SAF并降低成本的方法，对于我国技术推广以及2060年前实现碳中和的目标至关重要。

什么是PtL航空燃料

“电子煤油”、“合成燃料”、“PtL”、“电子燃料（eFuel）”的概念常常混淆。电子煤油仅指PtL工艺生产的一种产品；合成燃料指来自生物质、天然气和煤的费托（FT）工艺生产的燃料。PtL有时也用于描述甲醇等电制液体燃料，但在本文中仅表示可生产大量碳氢化合物的途径，是eFuel的一种，产品的物理与化学性质与传统喷气燃料相似。

PtL是从电厂（2030-2040年）或空气（2050年）中捕获碳，从可再生能源中获得电力，通过水电解生产绿氢，经人工合成的液态碳氢化合物。生产系统包括空气捕获（DAC）装置、海上风电场、碱性电解槽和炼油厂等。碳转化效率、氢转化效率和电转液效率分别为88%、39.16%和25.6%。

PtL工艺流程/图源空客官网

PtL的生命周期评估（LCA）显示其全球变暖潜能值（GWP）为21.43g CO2eq/MJSAF。在95%的置信区间内，随机蒙特卡洛（Monte Carlo）LCA显示SAF的GWP低于英国航空业强制减排 50% 的阈值。随着相关技术的成熟，GWP的标准差会越来越小。因此，PtL是比其他SAF生产技术可持续性更高的选择。

2022年，PtL技术成熟度（TRL）普遍达到5-8级，引领大规模部署提上日程。技术上的下一阶段就是实现TRL 9——工业化规模压缩二氧化碳。

与传统航空煤油相比，PtL寿命周期内减排超过95%，且可以直接使用，不需要对飞机大幅度改动、甚至重新设计。与生产SAF的其他工艺相比，PtL的最低航空燃油售价（MJSP）更高、盈利空间更大，这也使它成为实现国际民航业温室气体（GHG）净零排放的重要杠杆。

PtL——生产“未来的SAF”

2023年11月20日，欧盟可再生能源指令（RED II）生效。部分仍用于公路运输的SAF第一代生物航空燃料，如油料作物，达不到RED II 规定的GHG排放阈值。此前，政策制定者已逐步淘汰粮食和饲料原料，将SAF原料限制在废弃生物质。废弃生物质资源又无法满足许多国家的需求量，必须从其他地区进口，导致生物基SAF的运输密集型特质，虽然现阶段可用，却不满足国际上可持续航空战略的要求。因此，多元化的 SAF 供应链势在必行。

考虑到原料可用性和可持续性之间的关系，提倡将PtL等e-fuel作为有前途、可扩展的SAF生产途径。如今，生产SAF主要有四种工艺：酯类和脂肪酸类加氢（HEFA）、甲醇合成喷气燃料（ATJ）、费托合成（FT）、电转液（PtL）。

HEFA是现在的主要市场，已实现商业化。ATJ和FT是两种合成碳氢化合物的途径，FT生产的SAF与50%传统喷气燃料的混合物已获得ASTM认证，可以直接用于飞机——从当下实用性考虑，FT优于ATJ。

本文所探讨的PtL仍在发展阶段，由于过去五年内太阳能与风能生产成本的急剧下降，引起了航空业的广泛关注。采用的直接空气捕集(DAC)技术使工厂位置的选择高度灵活，对于采取可靠存储方案的DAC，全球每年二氧化碳去除量的上限为10Gt(占比约25%)。当使用可再生能源驱动时，DAC是一种净负二氧化碳排放技术，可以去除现在交通体系中排放的二氧化碳。相关研究表明，将二氧化碳从空气中分离到中等纯度的能量消耗相当于从高浓度二氧化碳烟气中分离的标准。当务之急是从技术、经济和环境的角度评估适合PtL的集成动力和喷气燃料系统，以实现量化可行的目标。

能源机制方面，PtL采用集成热技术，最大限度地提高工厂能源效率。能源分配到炼油厂（喷气燃料等）和电解槽（氢气和区域供热），工艺流信息发送到AEA（Aspen Energy Analyzer）模型，再经手动输入DAC和电解槽的能量需求，DAC在解吸阶段吸热运行。系统本身满足加热要求，无需安装外部热源。

欧洲的e-fuel方案

欧洲的方案涵盖气态氢（机场现场电解产生或来自北非）、PtL（来自中东和北非）、液氢（来自中东）。从中东和北非地区进口的燃料通过船舶（PtL和液氢）或管道（氢气）运往欧盟。PtL 燃料直接输送到机场，氢气则在机场附近液化。

对比长距离进口液氢，管道运输氢气再液化将显著降低成本。大型机场比支线机场附近的液化厂容量更大（2040年前，支线机场的氢气液化厂产能达到8吨/天，大型机场达到127吨/天），产能的增加使耗电量和支出大幅度下降，因此，机场规模越大，氢集聚性越高，液氢的经济价值越高，成本越低。

2050年欧洲液氢和PtL发电潜力

支线机场的液氢成本在2350美元/吨（2040年），大型机场的在1615美元/吨（2050年）。PtL成本为2043美元/吨，其中，电力成本占56%以上，对产品价格有极大影响。

PtL燃料生产过程费用明细

考虑到：

英国2022 年海上风电价格已达到较低水平（0.037英镑/千瓦时或0.043欧元/千瓦时）。
DAC与逆水煤气变换（RWGS）反应器的成本不确定性最高，但十年内DAC成本将降至55欧元·tCO2-1（同期全球碳捕集成本27.4欧元·tCO2-1）。
工厂规模增加约 5 倍时，MJSP 可降低 15%

寻求其他理想的可再生能源、提高电解槽效率、DAC技术迭代、PtL工厂的大规模建设将显著降低电力成本。

PtL高度依赖海上风电的上游排放，而间歇性是太阳能、风能的重要属性之一，因此需要相应的存储方案来平衡发电与消耗之间的关系。目前的最优解是将电网网络作为虚拟存储系统：

生产电力过剩时，将电力注入电网；发电量较低时，系统从电网取电
风电场年平均发电量等于整个 PtL 系统的总电力需求
电网年耗电量（及其固有排放）通过风电场多余电力的注入来抵消

欧美政策支持

SAF达到最低GHG减排阈值时，美国通货膨胀削减法案2022 (IRA)为生产商抵免税收。IRA同时为绿氢的主要消耗——可再生电力提供补贴，显著降低了PtL成本。

欧盟排放交易体系（EUETS）中的补贴价格过低，无法激励航空公司采用 SAF；因此，于2023年10月修订通过可再生能源指令（Renewable Energy Directives）和ReFuelEU航空法规（RefuelEU Aviation Initiative）强制增加 SAF 在欧洲喷气燃料组合中的最低份额，以此为PtL 创造市场。

但即使在最乐观的估计下，预计SAF成本也不会降低至化石燃料的水平，因此，政府后续提供碳信用额等激励措施至关重要。

PtL航空燃料的优势

PtL适用于不同比例的SAF，50% FT途径合成的PtL已满足ASTM标准（ATJ途径尚未），可以直接投放于所有的航空基础设施，不需要对飞机进行大幅度改动、甚至重新设计
无需机场附近基建的投入，PtL可以从原产地直接输送到机场进行使用
PtL是生产eFuel的重要途径，为绿色航空打破生物质限制，实现完全碳中和带来希望。加拿大Duxion Motors公司已于今年11月初启动eFuel发动机（ejet engine）测试，其突破性的高功重比，给大型飞机上的应用提供了可能
PtL航空燃料打破了高海拔地区对生产的限制，促进风能与太阳能富集地区的经济增长
2022年全球新增风电装机78GW，2023和2024年全球新增风电装机预计为115GW/125GW，且海上风电增速更快。国内外陆上机组价格下降，风电产业链的快速发展导致产能增速，将拓宽PtL的应用前景
与生物航空燃料相比，PtL对水资源消耗更少（主要在产氢和炼油厂）、对土地需求更低

PtL研究与生产的国际动向

第一个PtL工厂在2021年已建成，生产现在飞机所使用的航空煤油“JetA1”，其中原油就是利用电力从原材料二氧化碳和水，辅以合成工艺生产的。

2023年3月14日，德国航空航天中心（DLR）从德国政府拿到1270万欧元的初步拨款，建造“世界上最大的PtL研究设施”。

PtL技术平台/图源：DLR官网

10月，Teesside SAF项目在英格兰东北部建立首个专注于PtL航空燃料生产的炼油厂。该地区风能充足，陆地和海上风电场装机容量分别达10 GW 和8.5 GW；2030年，海上风电场装机容量将达40 GW。英国石油公司（BP）在该地区建造的60MW电解制氢设施将在2025年完工，并计划在2030年规模达500MW。

汉莎航空、DLR、空客、MTU航空发动机公司与慕尼黑机场签署PtL研究合作意向书，称其为“未来技术”，有“规模化的前景”。在2023年6月的巴黎航展前，空客CEO福里接受采访时曾表示，空客正在与合作伙伴合作研究加速e-fuels的发展，并希望在本世纪30年代以合理的价格进入市场。

壳牌公司交付了140吨SAF，其中，挪威航空的购买量相当于丹麦奥尔堡和哥本哈根之间最繁忙航线上 100 架航班的燃料。早在2023年四月，挪威航空就与Norsk e-Fuel 合作，在挪威北部的 Mosjøen 建造PtL设施，以建设全面零排放e-fuel生产厂。

2023年11月29日，美国航空与生产PtL的Infinium公司、主营碳消除的Graphite公司建立新的合作伙伴关系，签署2025年的燃料承购协议。同时，Infinium宣布得到了Breakthrough Energy Catalyst的投资支持，将致力于PtL等e-fuel的生产。

中国航空工业发展研究中心王美廷