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SAF加速航空业向“绿”飞行

作者:本刊记者 慕沐 | 作者单位:中国石油企业

2024年12月10日,日内瓦—国际航空运输协会(IATA)最新可持续航空燃料(SAF)产量预期报告显示:2024年,SAF产量达到100万吨(13亿升),是2023年产量50万吨(6亿升)的两倍。SAF占全球航空燃料产量的0.3%,占全球可再生燃料的11%。

IATA分析显示,为了到2050年实现二氧化碳净零排放,需要3000至6500多家新的可再生燃料工厂。这些还将为其他行业生产可再生柴油和其他燃料。在最佳情况下,30年期间建造新设施所需的年平均资本支出约为每年1280亿美元。

11月13日,美国能源部(DOE)发布最新《商业扩张之路》报告,该报告强调了可持续航空燃料(SAF)在航空业脱碳方面的近期潜力。指出,SAF市场天花板高、刚性强:不同于船舶、工业领域降碳,SAF是航空领域降碳的唯一路径。也是双碳赛道为数不多千亿刚性TAM(技术接受模型)机会。其增长驱动力本质由全球性的民航公约及国际法支持,无关地缘属性,市场空间及增速均具备确定性。

相比传统航空燃料,可持续航空燃料(SAF)可以减少80%以上的二氧化碳排放,是全球航空运输业于2050年实现净零碳排放的关键。国际航空运输协会(IATA)和航空运输行动小组(ATAG)承诺,航空业到2050年实现净零排放。实现净零排放对航空业的绿色发展至关重要,应用可持续航空燃料将成为航空业脱碳的主要手段。

据统计,自2008年以来,全球已有超过45家航空公司、40万架次航班使用了生物航空燃料。根据国际航空运输协会的预测,到2025年,全球可持续航空燃料的使用量将达到700万吨;预计到2030年,这一数字将进一步增长至2000万吨。

首个“地沟油航班”开启SAF产业发展历程

航空业是全球十大温室气体排放行业之一。作为国际贸易中最重要的运输方式之一,航运业承担了全球超过80%的贸易量,也因此成为了“碳排放大户”。据国际海事组织(IMO)统计,航运业每年排放约10亿吨二氧化碳,约占全球二氧化碳总排放量的3%。

据国际航空运输协会预测,如果不采取减碳措施,到本世纪中叶航空业温室气体排放将占全球排放总量的22%。航油燃烧约占总排放量的79%,SAF对传统化石航油的替代是减碳的关键。

尽管电动飞机有着广泛的应用潜力,但在商用飞机的使用场景,目前还没有能和燃油系统相提并论的动力系统。使用生物质航油的优点是,不需要对飞机及发动机进行改装。

生物航油是以多种动植物油脂或其他生物质材料为原料,采用加氢脱氧等技术生产出来的航空燃料,从原料生产、航油炼制和使用全生命周期角度考虑,较化石航油可以降低80%以上的温室气体排放,且无须改变飞机和机场基础设施。国际民航组织、国际航空运输协会等机构,均将生物航油的大规模使用作为航空业减碳的有力措施。

生物航油从实验室走向商业,经历了较长的尝试和发展阶段。

2011年10月7日,英国汤普森航空公司推出首个“地沟油航班”,标志着生物航油的首个商业化应用。这一时期,生物航油的推动力量主要在欧洲,各国处于试验性的商业化飞行阶段。

以此为推动力量的生物航油,2011—2016年在欧洲进入试验性的商业化飞行。欧盟在2012年通过征收航空碳税将民用航空领域纳入碳排放交易体系。此举虽然引发了国际社会的强烈反对,虽然这一做法违反了规制气候变化的《气候变化框架公约》和《京都议定书》,也违反了规制民用航空的《芝加哥公约》,但仍然警醒了全球意识到航空业脱碳的必然趋势,并将目光聚集到生物航油的试验应用上,促使各国将目光聚焦到生物航油的试验应用上。美国、荷兰、中国等相继开展生物航油试验生产和飞行,但SAF市场尚未建立,产业总体处于孕育阶段。

2016年,国际民航组织提出国际航空碳抵消及减排机制(CORSIA),这是第一个全球性的行业市场减排机制,并明确从2027年开始具有强制性。在需求和使用侧,航空公司在碳排放收紧政策、补贴激励政策以及自身对环保、社会和治理的要求下,加快使用生物航油以降低碳排放。

众多国际知名航空公司纷纷加大对生物航油的采购和使用,如美国大陆航空、德国汉莎航空、荷兰皇家航空、日本全日空航空等纷纷加大对生物航油的采购和使用;一些机场为了降低碳排放,提出“低碳机场”“近零碳机场”的概念。在生产和供应侧,传统油品生产商和新兴企业为抢占市场。英国石油、皇家荷兰壳牌公司、道达尔公司、NESTE、SKYNRG、中国石油、中国石化、三聚环保等纷纷加大对生物航油的研发、投资和生产,以抢占这一前景广阔的绿色能源市场,加快对生物航油产业的投资和布局。在这一时期,生物航油的技术路线不断创新、原料范围不断扩大,生产和消费量不断升高,生物航油产业进入快速的发展阶段。

2012—2019年,全球生物航油产量整体呈上升趋势。受疫情影响2020年全球生物航油产量较2019年有所下降。2022年全球生物航油产量为1914千桶油当量/天,较2021年同比增长5.8%。

同产量变化趋势相同,2012—2019年,全球生物航油消费量整体呈上升趋势。受疫情影响2020年全球生物航油消费量出现下降,2020—2023年消费量规模逐渐恢复增长。2022年全球生物航油消费量为1933千桶油当量/天,较2021年同比增长4.9%。

近年来,全球生物航油行业市场规模逐年增长,2023年市场规模接近1200亿美元,同比增长4.4%。未来,随着生物航油技术的提升以及应用领域的拓展,市场规模将进一步扩大,预计到2030年行业市场规模有望超过1700亿美元。

生物航空燃油是一种以可再生资源为基础的航空燃油,又称可持续航空燃料(SAF),被认为是国际航空脱碳的最有效手段,目前全球19个国家/地区已经实施了商业SAF加油业务以应对气候危机,一些国家/地区已强制使用SAF混合物。

挪威是世界上第一个在2020年实施0.5%的国家。法国也将在2022年实施1%到2023年实施1.5%。欧盟(EU)已经提出了中长期目标,例如从2025年开始实施SAF混合义务,2025年实施2%,到2030年实施6%,到2040年实施34%,2050年实施70%。

在亚洲,新加坡考虑在2026 年实现1%,印度在2027年实现1%,而日本已经宣布在2030年承诺10%。从2024年8月30日起,大韩航空在国内机场为国际民用航空组织(ICAO)认证的国内SAF加油,并开展定期国际航班。

我国是亚洲第一、世界第四个拥有自主研发生物航空燃油技术的国家。目前,我国已初步形成了生物航空燃油生产、认证、应用体系。我国首套年产10万吨生物航空燃油装置,在镇海炼化成功进行规模化生产。

据《中国先进生物燃料发展展望》报告指出,预计到2030年,中国先进生物燃料产量将达2398万吨标煤,需求量将达2746万吨标煤,实现碳减排超5000万吨。到2050年,先进生物燃料产量达到3.4亿吨标煤,需求量3.12亿吨标煤,实现碳减排近6.4亿吨。

航空燃油:飞机的“能量之源”

像鸟儿那样在空中自由飞翔,是人类长期以来一直梦牵魂萦的向往,并为实现这一美好的愿望进行了长期的前仆后继的探索。

19世纪70年代以后随着石油开采、提炼技术的成熟,汽油、柴油取代煤气成为内燃机燃料。因此内燃机经历了煤气内燃机到汽油、柴油内燃机的发展过程。借助于内燃机带来的巨大动力持久支持,美国莱特兄弟制造出了第一架依靠动力系统进行载人飞行的飞机“飞行者”1号,实现了人类首次持续的、有动力的、可操纵的飞行。而这次飞行的动力供给就是柴油,柴油使持续的动力飞行成为了现实,实现了航空器动力升空自主飞行。

飞机发动机对燃料的依赖性极大,要求也很严格。对所有航空燃料基本使用性能的共同要求,就是它们应具有适当的挥发性和良好的流动性、燃烧性、安定性、洁净性、不腐蚀所接触的金属并与所接触的非金属材料相容等。航空工业中所使用的油料分为航空煤油和航空柴油两种。航空煤油是一种轻质燃料,主要用于喷气式飞机的发动机,具有高能量密度、较低的凝固点和闪点等特点。而航空柴油则主要用于螺旋桨发动机,具有较低的氮氧化物排放和噪音等级。

全球航油供应市场一直是“几家跨国供应巨头+本土供应公司”的格局。一般而言,由于航油业的半垄断属性,各国的国家石油公司或国家航油公司负责各自国内的航油供应,但壳牌航空、BP航空、道达尔、世界燃料公司等凭借其全球资源和市场优势,在全球各地开展航油供应。由于目前仅欧美等发达经济体航空公司使用生物航油,则由壳牌航空、BP航空等欧美航油公司供应。

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对于航空公司来说,燃油费是花销的大头,通常可以占航空总成本的1/3左右。以常见的A320或737为例,每小时飞行通常需要消耗燃油2.5—3吨。数据显示,2022年7月份航空煤油进口到岸完税价格预计为9173元/吨,而在2021年7月这一数字约为4569元/吨,一年时间内涨幅超过100%。

按照产业界的定义,绿色航油是指从非化石资源而来的C8—15液体烃类燃料,其受到青睐的因素体现在相比于传统的航空燃油,绿色航油除了可降低二氧化碳、氮氧化物等温室气体和污染物排放,其在燃料效率、能效比上也有较大的优势。

根据美国环球油品公司的生命周期分析,生物航油的温室气体排放量比石油基航空燃料减少65%—85%。在使用过程中显示出更高的能量密度,可使飞机在消耗更少燃料的基础上飞得更远,其闪点、凝固点、稳定性以及燃烧热等航空燃料所有关键性指标,均满足甚至超过现有的航空燃料标准和规范。

与传统航油比较,生物航油最显著的挑战是成本高。据了解,现阶段,国外的生物航油售价在2500美元/吨到3100美元/吨不等,差不多是当前石油基航油的4倍左右。

当前,生物航油产品的定价既在成本端受原料价格波动的影响,也在销售端受化石航油价格的影响,而石油价格同时影响原料端和销售端的价格。当石油价格升高时,一般情况下会带动棕榈油等油脂价格走高,给生物航油产业成本带来压力,同时石油价格和化石航油价格可能出现背离,使增加的原料成本难以转嫁出去,抑制生物航油的生产积极性。高企的化石航油价格会拉高生物航油价格,提高生物航油生产和供应侧的盈利能力,带动产业发展。

目前,在政策影响和行业扩张的阶段,生物航油产业对价格的敏感度还远不明显,即使在原材料端价格高企、化石航油价格低迷的阶段,生物航油企业为了占据市场也会加大投资布局、提高产量。理论而言,碳价和生物航油消费量应该呈正相关关系,碳价越高,为了降低购买碳汇的成本更应使用生物航油,但企业会对碳价和生物航油的额外成本进行比较。总之,在市场环境下,生物航油产业的发展将受原料、石油、被替代品和碳排放价格波动的共同影响。

随着人们对环境保护和可持续发展的重视,航空工业也开始积极探索可持续发展的道路。一方面,航空工业开始研究生物质作为航空燃料的可行性,并不断推进生物质航空燃料的研发和应用。另一方面,航空工业也在努力提高燃油的利用率,减少碳排放和噪音等级。例如,燃油添加剂的使用、航班路径的优化等措施都可以有效地降低碳排放和噪音等级。

航空运输业碳排放主要来自飞机航空燃油燃烧,与电力、汽车等行业相比,民航领域极高的投资成本、较长的研发应用周期以及超高的安全性要求,航空业绿色转型的步伐明显偏慢,使用传统航空燃料带来的温室气体排放逐年增加。

在发展初期,与传统化石航油产业相比,生物航油虽然具有绿色环保、可持续发展的优势,但在经济性上远不及化石航油,完全依靠市场培育难度很大,因此,政策是驱动生物航油产业发展的关键力量。

欧美国家均出台了鼓励生物航油产业发展的政策,如美国自2004年起在就业法案推出掺混抵税补贴政策,每掺混1加仑可再生燃料即可获得1美元税收抵免补贴。欧盟提出“多倍计数(Multiplier)”措施,即低碳和可持续燃料的“碳减排效力”可以多倍计算,以此激励使用可持续燃料。英国从2021年初开始,规定新的和现有SAF项目都可以申请1500万英镑的可持续发展基金份额。这些鼓励措施进一步提高了生物航油产业参与者的积极性。

绿色加油 中国航空业减碳提速

据央视新闻消息,2024年6月5日,两架国产商用飞机加注中国石化自主研发的生物航空燃油(生物航煤),完成首次飞行任务。这两架飞机是一架国产ARJ21支线飞机和一架国产C919大型客机,它们分别从山东东营机场和上海浦东机场起飞,经过1个多小时的飞行后,平稳着陆。

据悉,本次试飞所使用的航空燃油是由中国石化镇海炼化用俗称“地沟油”的餐余废油加工而成。虽然人们每当提到“地沟油”都是避之不及的,但是它摇身一变却开启了我国绿色航空燃油时代。

三个月后,9月18日中国民航部门启动可持续航空燃料(SAF)应用试点。我国在绿色低碳发展的道路上迈出的这一步,意在探索可持续航空燃料的实际应用,并进一步推动民航业的绿色发展。根据试点计划,第一阶段为2024年9至12月。主要参与单位为国航、东航、南航以及北京大兴机场、成都双流机场、郑州新郑机场、宁波栎社机场。第二阶段为2025年全年。参与单位将逐步增加。为确保安全,试点期间所用可持续航空燃料均已获得中国民航局适航认证,中国民航局指导中国航油严格油品质量管控。这项政策不仅显示了中国在国际航空领域的责任感,也为探索绿色燃料打下了基础。

飞机能喝“地沟油”是航空业减排的现实需要。出于国家能源安全的考虑,我国早在2006年便由中国石化开始研发生物航油,次年中国石油也进入该领域。

2009年,中国石化启动生物航煤的研发工作,2014年取得了我国第一张生物航煤适航证,并先后进行过国内航线从上海至北京的商业飞行,国际航线从北京至芝加哥的跨洋飞行。我国成为亚洲第一个、世界第四个拥有自主研发生物航煤技术的国家。此后,在中国石化的总体部署下,镇海炼化开始进行大规模工业化生产的准备。2020年8月,中国首套生物航煤大型工业化装置在镇海炼化建成。

据中国石化镇海炼化炼油四部技术员朱刘津介绍,与传统炼油最大的不同,地沟油的炼制过程非常复杂,最大难点在于“地沟油”里含有大量脂肪酸类化合物,含氧量高,氧分子直接影响炼化装置催化剂的活性和稳定性。此外,它杂质含量很高,反应非常剧烈,对设备技术要求很苛刻。为此,中国石化自主开发了专用催化剂和工艺,并在镇海炼化建成我国首套生物航煤工业装置,通过过滤、反应、分离等一系列步骤,如今已能将地沟油稳定地转化,实现生物航空燃油的批量化生产。

2022年5月,镇海炼化分公司油脂加氢(HEFA)路线生物航煤产品通过可持续生物材料圆桌会议(RSB)认证。这一认证是我国生物航煤产品获得的第一张全球可持续性认证证书,表明镇海炼化生物航煤装置原料、生产工艺及产品均符合RSB生物燃料可持续发展的基本原则与标准。

在强调“不与人争粮,不与粮争地”的政策导向下,我国发展生物航油的主要原料是餐厨废油、地沟油等。据经济日报报道,从原料角度,“地沟油”供应充足,用“地沟油”做生物燃料,与其他生物燃料原料相比更环保。在国内,一座千万人口城市,每月餐余废油实际回收量约1万吨,年回收量约10万吨。从全球生物柴油的原料看,大豆油占比约67%,其次是玉米油和菜籽油。用可供人类食用的油脂来做燃料,既不环保也不经济,还影响全球粮食安全。而中国生物柴油原料主要为废弃食用油,属于先进生物燃料。

2020年我国提出“双碳”目标,“生物经济”首次被写入“十四五”规划。《民航“十四五”绿色发展规划》提出五年间累计消费生物航油5万吨,2025年完成使用2万吨,2021年国家统一碳市场建立并将航空业纳入减碳行业,中国航空业减碳步伐提速。

2022年ICAO第41届大会上,中国政府同意通过到2050年航空业实现零碳目标的决定及CORSIA机制,2023年3月民航局在山东威海举办首届民航绿色展,进一步凸显了中国航空业绿色发展的承诺和决心,生物航油产业在中国的发展步入快车道。

2023年10月,工信部、科学技术部、财政部、中国民用航空局等四部门联合印发《绿色航空制造业发展纲要(2023—2035年)》,指出绿色化发展是实现航空产业可持续发展的必然要求,是提升航空制造业未来竞争力的核心关键。《纲要》提出,到2025年,使用可持续航空燃料的国产民用飞机实现示范应用。基于成熟的可持续航空燃料应用情况,在国产民用飞机上开展不同掺混比例的试点验证。积极开展可持续航空燃料在国产民用飞机上使用的标准、体系和规范建设。

2023年12月,国家发改委公布《产业结构调整指导目录(2024年本)》,鼓励发展生物燃油(柴油、汽油、航空煤油)等非粮生物质燃料生产技术开发与应用,可持续航空燃料原料高效收储运技术与设备研发与应用,可持续航空燃料生产与应用。

2024年7月31日,中共中央与国务院发布了《关于加快经济社会发展全面绿色转型的意见》,明确强调要“加强可持续航空燃料研发应用”,“到2030年,运营交通工具单位换算周转量碳排放强度比2020年下降9.5%左右”。

数据显示,截至目前,今年中国民航全行业总周转量、旅客运输量较2019年同期,分别增长14.5%、11.2%。民航运输机队吨公里碳排放和机场每客碳排放,分别下降至0.869千克和0.285千克。

中航协负责人表示,从现在到2030年,是全球航空运输业绿色低碳发展相关政策布局的关键时期,而我国航空业仍处在发展阶段,挑战严峻,为此中航协提出了民航降碳的建议。

一加快发展可持续航空燃料。可持续航空燃料涉及领域广、产业链条长、高技术性突出,能够催生新产业、新模式、新动能。建议加快规模化部署全生产链条,加快实施政策引领和资金支持。

二提升空域运行效率。由于我国航线趋窄率偏高,每年因绕飞增加消耗的燃油,会产生更多的二氧化碳排放,因而中航协建议,促进空域的多用户融合深度发展,释放更多的民航可用空域资源,提高空域使用的效率。

中航协此次提出的建议还包括,加强航空减排市场机制的建设、完善碳排放相关政策标准,设立民航低碳转型基金和积极参与全球航空碳排放治理。

我国是航空大国,航空业体量居世界第二,仅排在美国之后。航空业的绿色转型是一个长期复杂的过程,在全球碳减排和我国提出“双碳”目标的大背景下,航空业减碳具有必然性,生物航油涵盖农业、能源、民航、环保多领域,对其产业在中国的发展既不能操之过急,也不能松弛懈怠,必须坚持稳字当头,稳中求进。随着技术进步、政策完善以及市场需求的增加,中国在可持续航空燃料领域有望形成更为完善的生态体系。

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2025年, 第1期
刊出日期:2025.01
单月刊,1984年创刊
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主办单位:中国石油企业协会 中国石油企业协会海洋石油分会
国际标准刊号:ISSN 1672-4267
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