生命周期二氧化碳排放强度：电力转化为液态可持续航空燃料的不同方案及具体应用场景

《Advances in Applied Energy》：Life Cycle CO 2e Intensity of Power-to-Liquid Sustainable Aviation Fuel Scenarios and Specific Use Cases

西班牙PtL可持续航空燃料生命周期碳排放强度评估显示，使用生物源二氧化碳和可再生能源电力时，其CO?e强度可满足欧盟70%减排要求（28.2 gCO?e/MJ），但低于SBTi的1.5°C目标（3.3 gCO?e/RPK）。关键影响因素包括捕获技术（后燃烧/直接空气捕获）、电力来源（电网/可再生能源）及燃料生产流程。研究强调生物源CO?和可再生能源电力对减排至关重要，并基于Ryanair航班数据量化了不同PtL场景的CO?e/RPK（9-41 gCO?e/RPK）

　　
该研究系统评估了西班牙Power-to-Liquid（PtL）可持续航空燃料（SAF）的生命周期二氧化碳当量（CO?e）排放强度，结合具体场景分析其技术可行性与政策合规性。研究以雷诺（ReFuelEU）航空燃料法规为框架，重点探讨了四类二氧化碳捕获技术（化石源后燃烧捕获、生物源后燃烧捕获、高温直接空气捕获、低温固体吸附捕获）与两种电力来源（电网电、可再生能源自发电）的协同影响，并进一步分析了PtL燃料在真实航空运输场景中的减排潜力。

### 一、研究背景与核心问题
全球航空业年碳排放量达200亿吨，占温室气体总排放的2.5%。SAF被视为最关键的短期减排杠杆，但PtL技术因依赖可再生能源和复杂工艺，其排放强度存在显著差异。欧盟ReFuelEU法规要求2050年航空燃料中70%为SAF，其中PtL占比需达35%。然而，PtL的能源密集性和电力依赖性导致其实际减排效果受电网碳排放因子影响极大。研究核心问题在于：如何通过技术优化与政策协同实现PtL SAF的规模化应用，满足不同碳排放 reduction（CR）标准？

### 二、方法论创新与系统边界
研究采用全生命周期评估（LCA）方法，从第一性原理构建质量与能量平衡模型，突破传统软件模拟的局限性。系统边界覆盖PtL全产业链，包括：
1. **CO?捕获**：区分化石源与生物源捕获，量化溶剂（如MEA、KOH）及吸附剂（如固体碳材料）的全生命周期排放。
2. **氢能生产**：基于质子交换膜电解水（PEM）技术，计算可再生能源与电网电力的协同效应。
3. **燃料合成**：采用费托合成（Fischer-Tropsch）工艺，严格遵循ASTM D7566标准，确保SAF燃料认证要求。
4. **运输与使用**：模拟西班牙毕尔巴鄂至马德里机场的燃料运输路径，并计算航班的“收益乘客公里”（RPK）排放强度。

研究创新点包括：
- **动态能源分配**：针对高温捕获（如HT-DAC）需化石燃气发电、低温捕获（如LT-DAC）依赖大量电力的问题，提出分阶段能源耦合方案。
- **不确定性量化**：通过蒙特卡洛模拟（20,000次迭代）和敏感性分析，量化各参数（如电解效率、CO?浓度）对最终结果的影响范围，发现电力排放因子占比超过60%。
- **政策兼容性验证**：将ReFuelEU的70%减排目标（基准94 gCO?e/MJ，目标28.2 gCO?e/MJ）与CORSIA（10%减排）等国际标准进行交叉比对。

### 三、关键发现与对比分析
1. **排放强度范围**：
- **最高排放情景**：化石源后燃烧捕获（Fossil-PCC）+ 电网电，总排放达101 gCO?e/MJ，与化石航空燃料（89-94 gCO?e/MJ）相当。
- **最优排放情景**：生物源后燃烧捕获（Biogenic-PCC）+ 可再生能源自发电，总排放仅10.8 gCO?e/MJ，实现94%减排。

2. **技术路径对比**：
- **后燃烧捕获（PCC）**：利用燃煤/生物质电厂尾气，能耗较低（4.21 MJ/kgCO?），但需解决化石源CO?循环计数问题。生物源捕获（Biogenic-PCC）因CO?循环属性，燃烧阶段排放归零，总排放降低至31.5 gCO?e/MJ（电网电）。
- **直接空气捕获（DAC）**：HT-DAC（高温液相吸附）因依赖化石燃气发电，排放达35.6 gCO?e/MJ；LT-DAC（低温固相吸附）虽能源效率较高（35%），但电力需求占比达70%，总排放仍达41.5 gCO?e/MJ（电网电）。

3. **电力来源敏感性**：
- 可再生能源自发电使所有捕获技术的排放强度降低40%-90%。例如，LT-DAC在自发电模式下排放降至12.3 gCO?e/MJ，较电网电减少88%。
- 电网碳排放因子（如西班牙197 gCO?e/kWh）对PtL总排放影响显著，HT-DAC场景中电网电占比每增加10%，总排放上升约2.5 gCO?e/MJ。

### 四、政策合规性评估
1. **欧盟ReFuelEU标准**（目标28.2 gCO?e/MJ）：
- 仅生物源捕获（Biogenic-PCC）和直接空气捕获（HT-DAC、LT-DAC）在自发电模式下达标。
- Fossil-PCC因无法剥离化石源CO?，无法满足70%减排要求。

2. **国际对比**：
- **CORSIA标准**（10%减排，80.1 gCO?e/MJ）：所有PtL情景均达标。
- **UK mandate**（40%减排，53.4 gCO?e/MJ）：自发电Biogenic-PCC达目标，电网电LT-DAC（101.5 gCO?e/MJ）不达标。
- **美国IRA**（50%减排，44.5 gCO?e/MJ）：自发电HT-DAC（17.2 gCO?e/MJ）达标，但需额外补贴电网电场景。

### 五、经济性与技术挑战
1. **成本结构**：
- PtL SAF生产成本是传统航空燃料的10倍，主要因电解水（56 kWh/kgH?）、CO?捕获（4.21 MJ/kgCO?）及合成工艺（3.48 MJ/kgSAF）。
- 可再生能源自发电使总成本下降35%，但需解决储能配套（如电池组成本占比达22%）。

2. **技术瓶颈**：
- **CO?捕获能效**：HT-DAC能效仅28%，LT-DAC达35%，远低于传统能源（如PCC的37%）。
- **材料循环**：MEA溶剂再生率不足（仅50%），固体吸附剂需每2年更换（碳足迹增加15%）。

### 六、航空应用场景分析
以马德里-都柏林航线为例（平均航程1300 km，燃油消耗约5.16吨/班次）：
- **B737-800**：PtL SAF blend 50%时，排放强度降至51.7 gCO?e/RPK（基准为93 gCO?e/RPK）。
- **B737 MAX 8**：因燃油效率提升20%，排放强度进一步降至40.3 gCO?e/RPK。
- **100% blend**：Biogenic-PCC场景达9 gCO?e/RPK，但未满足SBTi 1.5°C目标（3.3 gCO?e/RPK）。

### 七、结论与建议
1. **减排潜力**：PtL SAF在自发电模式下可降低50%-90%排放，但需突破电解水效率（当前85%）与CO?捕获能效（HT-DAC仅28%）的技术瓶颈。
2. **政策协同**：需通过“可再生能源配额”（如西班牙绿电占比已达42%）降低电力成本，并建立PtL SAF碳抵消机制（如欧盟碳关税）。
3. **技术优化路径**：
- 推广生物源CO?（如生物质电厂尾气），可减少40%以上排放。
- 采用电化学CO?还原（eRWGS）替代部分燃气发电，降低总排放12%-22%。
- 开发高浓度CO?吸附剂（如MOFs），将LT-DAC能耗降低至现有水平60%。

### 八、研究局限与展望
1. **数据缺失**：固体吸附剂全生命周期数据不足（如碳足迹仅知范围1.0-3.1 kgCO?e/kg）。
2. **边界争议**：未计入航空器运营的间接排放（如维护、机场用电），可能导致低估10%-15%。
3. **未来方向**：研究混合能源系统（如生物质+风光互补）对PtL成本的影响，以及航路规划与PtL供应链的协同优化。

该研究为欧盟2050年航空碳中和路线图提供了关键数据支撑，显示PtL SAF在可再生能源普及条件下具备可行性，但需政策强制要求电网碳强度低于100 gCO?e/kWh（当前西班牙197 gCO?e/kWh）才能满足ReFuelEU标准。