前瞻|SAF的合成过程将带来大量的绿氢需求

2024-07-02 15:42

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11类SAF，4大类工艺，其氢气需求量有差异

近期，国际上对绿色航煤的意愿逐渐加强，美国财政部和国税局发布了《通胀削减法案》可持续航空燃料（后文简称SAF或绿色航煤）税收抵免指南，欧盟在推进SAF标准制定，国际航协也开始创建SAF可持续航空燃料登记名录。

绿色航煤是使用可再生资源生产的低碳排放燃料。其原料来源可以是废弃食物油脂、垃圾、生物质、捕集二氧化碳等。相应地，根据其原料来源、工艺特点等，可以划分出多种技术路线。截至2024年7月，美国已通过允许了11种路线进行应用。

部分绿色航煤或需要外来氢气补充，而不同的技术路线，由于原料成分、工艺特点的不同，对氢的需求点、需求量有所不同。能景研究结合文献等对绿色航煤的技术路线进行了初步梳理，以供参考。

此外，由于各国、组织协会等的要求或标准不同，且以美国ASTM体系为代表的标准几乎每年都有新变化，暂不分析各技术路线的政策符合性。

01 绿色航煤：技术的关键在于产出含8~16个碳原子的碳氢化合物

航煤，学名“喷气燃料”，是一种有着严格标准要求的燃料。航空煤油需要考虑保障航空飞行的安全性、发动机的寿命等多种因素，在中国国标GB 6537-2018《3号喷气燃料》、美国材料与试验协会标准ASTM-D1655等标准中，提出了组成、馏程、燃烧性、流动性（冰点）、洁净性（胶质含量、水反应）、润滑性等10余项大类指标。

传统航煤为轻质石油产品，是由数百种碳氢化合物构成的复杂混合物。据美国DOE发布的报告，传统航煤中的组分大多含有8~16个碳原子，主要有4项，正烷烃、异烷烃、环烷烃和芳烃。4种组分成分各有优劣势，互补形成合格的航煤。其中，中间2项（异烷烃、环烷烃）为主要燃烧成分。

绿色航煤则主要来自可持续原料，仍要求以碳、氢为主。现阶段，出于发动机、飞行安全等考虑，中美均只允许在传统航煤掺用一定比例的绿色航煤。同时，对成分/原料来源等有严格要求，中国目前仅允许2类绿色航煤技术（费托与油脂加氢），两类均规定碳和氢元素占比要达到99.5%以上。

绿色航煤技术核心在于，如何从各种原料配合成一定比例的碳氢分子。能景研究总结其成分要求大概有以下几点，一是组成分子含8~16个碳原子（混合物），而氧原子含量很低；二是组成分子中，分子不能仅是直链，需要带一定的分支或成环；三是有一定比例的芳烃分子。

绿色航煤合成技术有十数种，主要为了得到4大类中间原料。绿色航煤的几种不同原料，废弃油脂、秸秆、固体废物、树木等，成分各不相同，配套的加工或预处理工艺也不相同，截至2024年7月美国ASTM体系已批准了11种技术路线。而不同原料经过处理后，最终都为了得到用于合成SAF分子的中间原料。这些中间原料主要有4种：油脂、合成气、醇、二氧化碳/氢等。

02 油脂或生物质加氢：利用天然多碳分子，每生产1吨SAF约需要0.03~0.06吨外供氢辅助

该类技术利用天然生物成分合成SAF。天然生物油脂分子等已经含有较多的碳和氢（主要15到18个碳），但是也带有氧、硫等原子。通过催化加氢等反应，可以脱除氧、硫等不需要的元素，同时进一步调整分子结构、调整碳原子数量，以达到最适合SAF的分子结构。

其原料主要来自动植物，对应多种生产工艺。原料方面主要有2大类，一类是餐饮废油、植物油、动物脂肪等油脂类，典型采用脂类和脂肪酸类加氢工艺（HEFA），对酯类成分进行提取然后加氢；二是木质纤维、秸秆等，采用催化水热解(CHJ)工艺，先催化分解成小分子，如烯烃、苯等数十种成分，然后加氢。根据IRENA数据，国内年地沟油产量约558-1000万吨，按此约对应SAF产能200-500万吨。

该类技术需要多次加氢处理，大多需要外部加氢辅助。该技术中天然分子的脱氧需要氢气，后续的分子结构调整等步骤也需要氢气。而所采用的原料，尤其是油脂类原料，自身不能生产氢气，因此需要外部供应。对于油脂加氢，大约每生产一吨SAF需要氢气约0.03~0.06吨左右（部分工艺或更低）。

03 合成气（费托合成）：先气化再合成，外供氢气需求视工艺情况，生产1吨SAF最高需要0.1吨氢左右

该类技术类似于甲醇合成、煤制油等技术。首先对含碳的固体原料进行气化，得到合成气原料（CO与氢气），再催化CO与H2反应，生成多碳的SAF分子。合成气中，碳/氢比（CO/H2）的理想比例在1︰2左右，一般在合成前还需要碳/氢比（CO/H2）调节步骤。

其原料主要来自农林副产物以及固体废物等。具体有秸秆、树木纤维、城市厨余垃圾等，由于不同原料成分不同，对应的预处理流程以及气化工艺存在差异，在后续合成气反应制SAF的步骤上差别较小。据中国产业发展促进会数据，我国秸秆可收集资源约为6.94亿吨，按此计算对应SAF近亿吨产能，但需要考虑生物质发电等的竞争。

不同工艺的外供氢气需求相差悬殊。从秸秆等原料得到的合成气一般碳多氢少（视工艺），如何调整碳/氢比（CO/H2）是关键。可以消耗CO与水蒸气反应生产氢气，此时几乎不需要外供氢气；也可以完全采用外供氢气调整，某典型的秸秆制SAF工艺每吨SAF需要氢气0.08到0.1吨。

04 二氧化碳加氢：捕集CO2再加氢气，每生产1吨SAF约需要0.1~0.4吨外供氢辅助

该技术利用CO2与氢气一步催化合成多碳分子。其最核心为碳捕集技术以及催化加氢技术，在催化作用下，CO2与氢气反应并逐渐聚合，生长成含多个碳原子的长链分子或环类。现阶段实验室中SAF产物的选择性已经达到80%水平。

其碳原料来自电厂、空气捕集、生物质等。二氧化碳主要通过碳捕集获得，来源可以为电厂、化工厂尾气，也可以来自生物质燃烧、生物乙醇厂废气等，后2者更易获得可持续认证。根据卓创资讯数据，2023年中国食用和工业乙醇行业总产能达到1367.9万吨，以此推算对应二氧化碳副产近1000万吨，对应SAF近300万吨左右。

氢为核心原料之一，外供氢气需求较大。该技术中氢气主要用在与CO2反应合成SAF，而且全部来自外供。来源可以为副产氢，电解水制绿氢等，需要保证合成的SAF满足碳排放标准。暂不考虑实际收率，从化学成分估算，每生产一吨SAF，约需要氢气0.1~0.4吨左右。