气候变化直接导致了热浪、洪水、热带风暴和飓风等极端自然灾害事件频发。这是一项全球性的挑战，也是当前人类面临最紧迫、最复杂的挑战之一。
为了应对气候变化，2015 年全球 197 个国家通过《巴黎协定》，旨在大幅减少全球温室气体排放，承诺到 2050 年实现净零碳排放的目标。不过，要实现这一目标需要经济生活各个领域的共同行动。
煤炭、石油和天然气等化石燃料被视为迄今为止造成全球气候变化的最主要原因，占全球温室气体排放超 75%，占所有二氧化碳排放近 90%。其中，航空业一直以来严重依赖化石燃料，碳足迹很大，也是当前难脱碳行业之一。
航空领域脱碳最有希望的途径是可持续航空燃料（SAF）。近期，碳捕获和转化生物技术公司LanzaTech旗下的LanzaJet宣布与多方共同为 LanzaJet Freedom Pines Fuels 开业剪彩，这是全球首个将乙醇转化为可持续航空燃料的生产工厂。
（来源：LanzaJet 官网）
根据新闻稿中的描述，LanzaJet Freedom Pines Fuels 工厂位于美国佐治亚州，每年将利用低碳和经认证的乙醇生产 1000 万加仑符合美国和全球标准的可持续航空燃料和可再生柴油。预计仅该工厂的产量就将占美国可持续航空燃料的三分之二。依托该工厂，LanzaJet计划到 2030 年实现生产 10 亿加仑可持续航空燃料的目标。
聚焦航空产业，现阶段可持续航空燃料的优势和必要性有哪些？应用潜力和产业化现状如何？
SAF 是航空脱碳的“利器”
随着民航产业的快速发展，对航空燃料的需求呈现出刚性增长趋势。然而，燃料燃烧排放的大量温室气体也日渐成为民航业脱碳的“桎梏”，航空业成为公认“难减排”的行业。
根据德勤中国的一份报告，航空业对全球 GDP 的贡献为 3.5 万亿美元，占比为 4.1%，二氧化碳排放量在全球二氧化碳排放总量中的占比为 3%。但随着其他行业的去碳化，到 2050 年，航空业二氧化碳排放量占比或将达到 22%。
事实也证明减少这一数字很困难。电池动力飞机和氢动力飞机都曾被提出作为解决方案，但这两种方式都存在技术限制，并且需要进行大量改造工作，包括重新设计飞机和改造机场等。
出于这些原因，国际航空运输协会等贸易组织推动将可持续航空燃料作为业内最可行的脱碳选择。发展 SAF 促进绿色低碳转型成为了全球航空业的“兵家必争之地”。
可持续航空燃料是一种将生物制造的绿色航油与传统燃油按一定比例混合的新型航空燃料。其可作为传统喷气燃料的液体替代品，属于更绿色可行的航空能源。与传统航空燃料相比，SAF 能将全生命周期二氧化碳净排放降低超 80％，最高可减少 85% 的碳排放量。
这种可持续航空燃料的原料种类多样，并持续迭代，大体可以分为四代。第一代原料是可食用的农作物，包括淀粉和糖类等；第二代是秸秆、稻壳、木屑等农业废弃物、废弃食用油脂和城市固体废弃物等；第三代是藻类原料；第四代是二氧化碳等气体，通过直接空气碳捕获技术合成生产。
▲图 | SAF 优势（来源：《中国的可持续航空燃料——航空业碳中和之路》）
除了原料来源多样和可全生命周期显著减少碳排放以外，与航空煤油相比，SAF 产生的烟尘、氮氧化物和硫化物也会明显降低；且可直接使用，无须对当前的飞机和发动机结构以及机场基础设施进行根本性的重新设计等。
碳捕获是“下一代”技术，但挑战犹在
目前，业内的生产工艺包括基于食用油、植物油、食用动物脂肪和工业油脂的加氢酯和脂肪酸（HEFA）法，发酵和费托化学工艺等。
将生物质和城市垃圾作为原料转化为航空燃料可能需要结合不同的技术。一种选择是与传统发酵结合起来，将农作物或其他生物质转化为异丁醇或乙醇等酒精，并进行一系列称为“酒精到喷气燃料”（alcohol-to-jet ）的化学反应，将酒精转化为航空燃料；另一种途径是将生物质气化成合成气体，合成气是氢气和一氧化碳的混合气体，然后利用成熟的费托化学工艺中将混合气体转化为航空燃料。
这些生产路线需要大量的生物质，这一过程伴随着土地利用问题，农作物作为底物时尤为明显。在此背景下，一些团队开始探索利用二氧化碳或一氧化碳等废气作为原料生产航空燃料。
（来源：pixabay）
利用二氧化碳和一氧化碳等废气作为原料的碳捕获技术是一种更新的转化方法，也被视为一项极具前景的“下一代”技术。生物工程师行业组织和网络 SynBioBeta 的国际推广总监 Fiona Mischel 表示，没有气体发酵的生物经济是不完整的生物经济。
在气体发酵过程中，一氧化碳、二氧化碳被泵入发酵罐，也可能还会添加其他气体促进新陈代谢。将这些气体加入到含有工程化微生物的液体中，微生物以气体为底物即可生产出目标分子；有些产品需要经过两个阶段发酵，先通过气体发酵生产出中间化学品乙酸，然后以乙酸为底物发酵生产出更复杂的分子。
不过，现阶段这一技术的成熟度还不足，处于早期发展阶段，可能有很长的路要走。
气体转化的难点之一是底盘微生物的改造，部分原因是这些微生物的表征远不及酵母和大肠杆菌等传统发酵宿主。以厌氧产乙酸菌为例，这是气体转化常用的一类底盘细胞，能够固定 CO₂ 等气体，维持自身代谢，并生产乙酸、乙醇等高附加值产品。改造大肠杆菌或酵母只需几秒钟，但对于产乙酸菌来说，需要数年时间才能获得改善功能的简单突变。
另一方面，产乙酸菌需要处于严格厌氧环境中，在实验室中使用产乙酸菌需要极细致操作，稍微混入氧气就会影响产乙酸菌活性；气体发酵还需要复杂的流程，比如说微生物需要能量，这就要求将氢气泵入发酵罐，而电解水制造可再生氢气的成本昂贵。
SAF 市场规模将达百亿美元，壳牌、中石化等已率先入局
根据 Research Nester Analytics 的数据，可持续航空燃料市场规模预计到 2035 年底达到 150 亿美元，2023 到 2035 年的复合年增长率约为 42%。预计 2024 年可持续航空燃料的产量将增至 18.75 亿升（1.5Mt），占航空燃料需求的 0.53 %，占可再生燃料产能的 6%。
政策是可持续航空燃料市场规模持续增加的重要催化剂，各国政府正在强制和鼓励使用可持续航空燃料。
欧盟通过了可持续航空燃料监管计划（ReFuelEU），要求各成员国机场增加可持续航空燃料的份额，到 2050 年占比增加到 70%，并为可再生燃料提供税收优惠；美国政府发布的《美国生物技术和生物制造的明确目标》中明确提到生产可持续航空燃料，计划在 7 年内生产 30 亿加仑的可持续航空燃料，到 2050 年产量增至 350 亿加仑；韩国将在 2024 年制定可持续航空燃料和可再生船用燃料的质量标准，计划在 2026 年之前采用 SAF；2023 年 3 月，中国民航局成立了双碳工作领导小组，统筹部署民航双碳工作...
在此背景下，国际石油公司较早进入该领域，核心是开发以燃料乙醇、生物柴油、生物航煤为主的生物液体燃料。其中，欧洲石油公司能源转型步伐较快，壳牌积极布局生物柴油、生物乙醇、可持续航空燃料等的研发、生产和供应，其目标是到 2025 年使 SAF 产量达到 200 万吨；跨国能源公司雪佛龙的生物质能发展目标是达到日常 10 万桶可再生燃料的生产能力，满足客户对可再生柴油和可持续航空燃料的需求；石油公司 bp 当前的主要产品是生物丁醇、乙醇和可持续航空燃料。
上文提到，碳捕获技术是一种极具潜力的气体转化方法，可用于生产可持续航空燃料。埃克森美孚研发出一种可再生甲醇制造可持续航空燃料的技术，可以将生物质和废物气化产生的甲醇、低碳氢气以及捕获的二氧化碳，转化为可持续航空燃料；外资巨头霍尼韦尔研发出了「溶剂碳捕集技术」和「蓝氢应用技术」，可用多种原料生产可持续航空燃料。
许多专注于碳捕获的初创公司正在发力可持续航空燃料。LanzaTech是一家碳捕获和转化公司，利用工业废气作为底物发酵生产特种化学品、燃料前体和蛋白质等。LanzaTech 主要通过与其分拆公司LanzaJet的合作，推进航空燃油脱碳，LanzaJet 的最终目标是以废气作为底物在微生物中生产出乙醇等化合物并转化为航空燃料。
▲图 | 使用气体发酵和酶等生物技术捕获或转化废气生产燃料和化学品的公司（来源：Nature Biotechnology）
丹麦生物技术公司 Novonesis（前身为 Novozymes）与其合作伙伴 Saipem 正在开发酶法碳捕获技术，可利用碳酸酐酶捕获二氧化碳并将其转化为碳酸氢盐；美国生产负碳原料的合成生物学 Visolis 正在开发负碳工艺，可以利用气体、生物质或城市固体废物生产中间体甲羟戊酸，经进一步化学催化可加工成火箭燃料、航空燃料、合成橡胶和特种化学品。
国内方面，中石化开发出了专用催化剂和处理技术，以餐饮店等的废弃食用油为原料生产 SAF，此前已建成年产 10 万吨的生物航空燃料工厂；今年 1 月，河南君恒实业的可持续航空燃料（HEFA-SPK）正式获得民航局适航批准，并可投入商业使用。这依赖于该公司自主研发的 30 万吨/年绿色低碳生物燃料技术，以地沟油、潲水油等废弃油脂为原料生产可持续航空燃料。
另一方面，由于碳捕获技术这一路径有潜力用于生产生物能源燃料，因此国内碳捕获初创公司理论上也均可以为可持续航空燃料提供解决方案。公开资料显示，国内的碳捕获初创公司包括首钢朗泽、霖和气候科技、江苏绿碳、原初科技、伏碳科技、中科翎碳等等。
素材来源官方媒体/网络新闻
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