航空生物燃油的发展和挑战
摘要：随着能源危机日益严重，各国对温室气体排放要求更加严格，近年来，航空生物燃料得以快速发展。本文综述了航空生物燃油发展的背景，技术发展情况以及国际合作现状，从国家政策的高度分析了生物燃料未来发展中面临的各种挑战，提出了可能的解决方案。
关键词：航空生物燃油 可持续发展 生物燃油 碳足迹
过去几十年，航空运输业一直稳步发展，人员和物资空运每年以平均4.9%和5.1%的速度增长，全球航空业每年消耗15-17亿桶航空燃油[1]。国际民航组织（ICAO）预测，未来四十年，航空业仍将保持每年3.3～5.8%的增长速度（表1），到2040年，运营的飞行架次将是2010年的三倍（表2），对航空燃油的需求也将成倍增长[2]。
传统的化石航空燃料是航空业最大的排放源，据统计，2008年全球航空业排放的CO2虽然只占全球总排放量的2%，但是飞行器燃烧产生的温室气体基本排放在大气平流层，对环境的危害远远大于其他行业[3]。虽然，科学技术的进步，如提高航空发动机技术和燃料的燃烧效率，以及机场和空管系统运营的改进促使飞机的燃油效率比40年前提高了70%以上，对减小航空业对全球的环境影响起了重要作用，但航空业二氧化碳的排放仍将继续增加。按照航空业未来四十年的发展预测，如保持现有排放，即使是最乐观估计的技术和管理进步，预期的环境收益也不能抵消燃油消费带来的温室气体排放增长（图1）[4-5]。
为了弥补这两者之间的差距，同时解决日益严重的能源问题，可持续替代燃油就成为解决方案之一。替代燃油是利用可再生资源或废料生产的燃料，在生产到使用的整个生命周期内，可以显著地降低温室气体排放。生物燃油中的碳来源于生物界，又回到生物界，所以，生物燃油燃烧后的CO2排放被认为是中性的。使用生物燃料，只需要考虑原料生产、运输和使用过程中产生的排放。而从固体或气体工业废料中生产的替代燃油，通过化石碳的梯级使用，实现了碳减排。
1 航空生物燃油的发展
2009年ASTM国际③批准了以费托工艺（Fischer-Tropsch④）生产的航空生物燃油在民用飞机上的使用。2011年，ASTM又批准了以动植物油为原料通过加氢（HEFA）⑤工艺生产的航空生物燃料在民用客机中的使用。这类生物燃料完全符合航空燃油标准，可以安全储存，和现有系统兼容，能和传统燃油以最高50：50的比例混合使用，直接加注到飞机的燃油系统中。目前，以动植物油加氢生产航空生物燃油工艺已相当成熟，可以批量生产商用飞机生物燃油。
除费托合成和HEFA燃油外，还有其他生物燃油生产工艺路线等待ASTM批准。
①酒精制煤油（alcoho-to-jet）过程：用乙醇或丁醇作为中间产品，从淀粉和糖原料中生产喷气燃油级碳氢化合物。
②蔗糖制航空喷气燃料组分过程：通过发酵，将淀粉和糖原料直接转化成碳氢化合物。
这两种生产过程也可以使用木质纤维质做原料，比如木质生物量、草本作物或农业残余物等。这些原料都比植物油便宜，生产喷气燃油所需投入的资本较少。高温裂解和催化裂化是目前正在发展的一项技术，使用这项技术能生产出可精炼成喷气燃油的“生物原油”，精炼的方法和原油精炼类似。未来，会出现更多的工艺将现有的各种原料转化成生物燃料，航空燃油的供应也将更多元化。不同地区可以根据当地情况选择效率最优的技术。
2011年9月到2012年6月间，超过18个航空公司（如法国航空、荷兰航空、美联航、中国国航等）使用替代燃油完成了1500架次的商业飞行，其中包括部分定期航班，如德国汉莎航空公司在2011年的汉堡到法兰克福航线上使用。在北美、欧洲、中东、拉丁美洲、南美洲和亚太地区，航空公司和机场达成了有关可持续生物燃油的协议，使生物燃油真正实现了全球化应用。图2展示了目前开展行动的地区。
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图2 航空替代燃油倡议
2006年，美国航空业者提出了“商用航空替代燃料倡议”（CAAFI），这是推动航空生物燃油发展的第一个世界性倡议。倡议支持ASTM批准航空生物燃油的使用，支持燃油部署的各种政策行动。倡议为航空业者提供了工具和指引，将生产商和客户连到一起，简化了生物燃油在市场中的部署。美国还是西北高级可再生能源联盟（NARA）和中西航空持续生物燃料倡议（MASBI）地区倡议的所在地。欧盟启动了“航空替代煤油项目”（ITAKA），支持生物燃油规模化生产，在正常航班运营中测试生物燃油的使用。德国“可再生能源航空项目”（AIREG）和西班牙的“Bioqueroseno”，也都在推动可持续生物燃料工业的发展。墨西哥（Plan-de Vuelo），巴西（SABB）和澳大利亚/新西兰也启动不同的国家级项目，积极探索各种可用生物燃料，评估国内航空生物燃油的发展。阿联酋和卡塔尔开展了项目，研究使用“下一代”原料，如盐生植物和微藻类，生产航空燃油的可能性。主要的飞机制造商，波音、空客和巴西航空工业公司，也参与到部署生物燃油的合作项目中[6-7]。
2 航空生物燃油发展面临的挑战
过去三年，航空生物燃油的发展取得显著成效。然而，在定期航班运营中，生物燃油的使用仍很有限，生物燃油的商业化生产还没有全面启动。
生物燃油发展的主要障碍是它和传统航空燃油之间的价格差异。目前的生产水平下，航空生物燃油的出厂价格是普通航空煤油的1.5～2倍[8]，利用最成熟的HEFA技术生产的航空生物燃油的价格与传统航空煤油相比也缺乏竞争力（图3）[9]。
由图可知，航空生物燃料价格居高不下的原因之一是：仅仅原料的生产成本就已经与汽油成品的价格相近。生物燃料原料的种植生产，从品种引入到渗透销售市场，需要几年的时间，因此对农场主和生产商来说，风险太大，不如种植原有经济作物稳妥。原料的产量除受土地、天气等自然条件限制外，还要随新技术的发展和应用才能达到最佳状态。如要建立畅顺的销售渠道，更是需要几年的时间，所有这些，都让农场主和生产商顾虑重重。另外，航空生物燃料对原料的需求不但要与传统的食品和饲料行业竞争，还要与其他产出收益和利润更高的行业竞争，如化妆品、专用化工产品、塑料等等。同时，航空业还面临着与公路运输业的不平等竞争。因为相比公路运输用生物燃料（如乙醇和脂肪酸甲醇），航空生物燃油的生产过程更严格，生产成本更高。而且航空燃油还要继续升级，以满足喷气燃料的技术要求。
除了价格，提供可持续的航空生物燃料来源及提高生物燃油的产量也是航空业长期使用生物燃油要面临的难题。2011年7月，德国汉莎航空公司开始在汉堡到法兰克福航线上使用50%的生物燃料，然而到2012年1月，就因为耗尽库存，又没有其他可用供应，而停止使用生物燃油。如果不能提供长期稳定的供应，生物燃油的商业使用就无法实现。
航空公司面临全球竞争，要严格控制成本。现阶段，如果没有激励措施和有效的价格机制来体现使用生物燃油的环境效益，航空公司就不会购买生物燃油。销售市场有限，不能形成一定的经济规模，整个生物燃油供应链上的公司，无法证明他们自身的生存能力，也就无法筹措到所需的发展资金。目前，某些最有前景的生物燃料技术仍在研发之中，市场化的时间和可能的回报都不确定。即使新技术研发成功，还要在有效规模上证实技术可行，完成必须的批准流程。要实现这一点，就必须有相应的示范性项目，建造大型的商用设施，实现规模生产，而这类示范项目的投资要2-5千万美元，因此高额的资金成本就成为技术启动的严重障碍。目前，相比其他更成熟的可再生能源，如风能和太阳能，航空生物燃油的投资风险高的多，对投资者和债券投资人缺乏足够的吸引力。2008年，随油价的上涨，清洁技术和生物燃油投资急剧增加，然而到了2012年，清洁技术的投资就减少了33%[10]。
航空生物燃油的发展离不开各国政策的支持。然而，目前大多数国家的再生能源政策都向公路运输业倾斜：资助更多公共研究，在汽油和柴油中强制加入生物燃料，对公路运输生物燃料减税，补贴额外增加的成本。在传统燃料中强制加入生物燃料，利用已有的成熟商业模式，促进生物燃料迈入商业化阶段，在公路运输行业中，这一措施已经证实有效。但是对于航空业来说，生物燃油还没有发展到这个阶段，因此强制生产还为时尚早。许多国家使用补贴和减免税有效地促进了公路再生能源的发展。然而，对国际航空而言，这个做法没有用，因为航空燃油没有税。但对征收燃油税的某些国内市场，这个方法还是可行的。此外，政府的航空生物燃油政策不明朗，激励持续性无法保证，政府支持受政治因素和财政预算限制，都使得投资人对投资航空生物燃油缺乏长期信心。
最后，确保航空生物燃油可持续发展也是个挑战。在航空业内大规模使用生物燃油，需要考虑可持续发展的三个核心要素：环境、社会和经济。此外，还要考虑发展生物燃油可能带来的其他间接影响，比如，对全球食品市场和耕地的影响。国际航空在世界范围内运营，具有全球化特性，但各个国家和地区却有着不同系统和规则。这些系统和规则会给可持续发展带来挑战。只有加强国际协调，定义双边互认机制，才能促进生物燃油的商业化发展。
3 可能的解决方案
未来的一段时间内，航空公司要继续证明生物燃油的可行性，航空业要推广燃油的使用，减少航空业的碳足迹，就必须找出应对上述挑战的解决方法。
要在航空业内发展生物燃油，首先要建立长期的市场远景，解决当前存在的与传统燃油之间的价格差异，开展经济可行的商业生产。商业化生产的前提是标准的批准，各国可以用补贴、税务激励等形式来鼓励、支持新技术、生产过程、原料供应的研发，促进关键环节的发展，如积累测试数据，评估燃油和发动机的性能，以此加速ASTM国际和环保组织对新技术、新工艺的批准流程，尽早实现新技术的市场化应用。同时，各国也可以通过资助示范项目支持生产阶段的规模化发展，用大规模生产来降低生产成本，全面支持精炼厂家生产可再生燃油，允许生产商优化产品组合。此外，各国可以资助军用或国有飞机生物燃油的长期采购，提供稳定的销售平台，减少客户风险，最终，与选中的航空公司进行采购合作，资助生物燃油的长期采购。有了稳定的市场需求，就能逐步培育出成熟市场，争取将生物燃油的成本降到与传统航空燃油同价。
提高原料的生产能力，需要发展农业技术，寻找并推广潜在的生物原料来源。对使用传统作物作为原料的国家和地区，创新种植技术，提高产量。在非传统农业地区，发掘和培育航空生物燃油独有的原料来源。2014年1月，波音公司和阿联酋的合作研究机构宣布从沙漠植物中获取生物燃料，为解决生物燃料的供应提供了新的方向。同时，大力发展木质纤维质转化技术。富含木质纤维质的生物量，如木材、玉米秸秆等，既是稳定的原料来源，价格又相对便宜。
技术有风险，航空生物燃油的市场发展不确定，航空生物燃料项目很难利用商业贷款和其他传统方法为高级生物燃油发展融资。只有获得政府贷款，再生燃料公司才能在当前的市场价格下生产燃油，在和传统燃油相近的价格上签订长期销售协议，进而扩大生产规模，解决相关技术问题。另外，航空业者自己先做直接投资，培育市场，释放降低风险的信号，才能刺激机构投资者加入，进而利用公众和私人资本。
航空生物燃料生产依赖于长期的资本密集的投资。政府只有释放长期、可靠的市场信号，支持私人投资，整个行业才能大规模发展。解决的第一步是各国将可持续航空燃油包含在他们的可再生能源和生物燃料政策里，建立长期稳定的政策环境，促进投资和生产。许多国家对化石石油的发展进行补贴和政策支持。航空生物燃料业也应获得类似待遇。各国还可以采用的其他形式税收激励，例如：美国风能发展的税务信用，巴西甘蔗乙醇的减税优惠。类似的方法都可以在供应链的不同水平加以考虑。总之，各国政府要制定长期政策，鼓励航空生物燃油的使用，实施相应的措施，支持降低生产成本项目的研发。随着行业的不断发展，相关的规则和政策也应相应变化。目前ICAO制定的关于碳排放的时间框架，是以生物燃油的发展向航空业倾斜为前提制定的。未来10-15年内，生物燃油要想完成从示范项目到商业生产的过程，就要求各国能保持十年以上稳定的监管和政治环境，以此吸引投资者，为航空生物燃油技术的发展和部署投入资金。国际组织在设计限制、补偿航空温室气体排放计量框架时，给生物燃油一定的碳排放信用，也可以促进可持续航空生物燃油的发展。
确保生物燃油的可持续生产对行业发展至关重要。无论是原料供应商、燃油生产商，还是航空公司、政府，遵循可持续标准是每个参与者不可推卸的责任。可持续标准应与已有的国际认证标准，如可持续生物燃料圆桌会议RSB标准，保持一致。生物燃油生产商通过第三方认证，确保温室气体排放、土地、水资源使用的可持续性。各国在监测生物燃油对国家或地区的影响时，也考虑整个产业链的总体影响。
4 结论
环境效益和生物燃油使用成本之间的平衡对各国都很重要。就目前而言，航空业没有液体燃料之外的其他替代能源，不像公路运输还可以用电或油电混合动力。因此，航空工业也渴望通过使用可持续生物燃油，减少“碳足迹”。
通过1500多个商用航班的飞行测试，航空公司论证了利用生物燃油的可行性。所有主要航空业者，例如国际机场协会（ACI），国际航空运输协会（IATA），国际协调理事会（ICCAIA）和ICAO 一起，正努力促进航空生物燃油的使用。国际航空运输业的运营和基础设施相对集中（全球200多家航空公司及190家机场占有80%的世界航空运输量），因此，航空业推广使用生物燃料，需要投入的新设施和物流设备比公路运输业要少，有利于生物燃油的大规模应用。
短期内，要想在航空业推广生物燃油，首先要建立市场信心，缩小航空生物燃油传统燃油间的价格差异，吸引必需的投资、启动稳定的商业生产。这需要将促进航空生物燃料发展的各种政策和措施结合起来，把它们囊括到国家再生能源和生物燃料政策中去。此外，各国的激励政策也应保持十年以上稳定不变，让投资者获得市场保证，行业才能得以发展。
注释：
①ICAO Committee on Aviation Environmental Protection.
②Revenue tonnekilometre.
③ASTM international 前身为美国测试和材料协会，开发国际自愿共识标准，航空燃油批准的领导者。
④费托途径是从合成气体中生产液态碳氢化合物。合成气体是一氧化碳和氢气的混合体，通常从煤、天然气或生物质等碳质原料气化中获得。
⑤脂类和脂肪酸类加氢（HEFA）是植物油和动物脂肪经加氢处理，去除原料中的氧而获得的合成碳氢燃油。
参考文献：
[1]Nygren E.Aleklett K. Hook M. Aviation fuel and future oil production scenarios[J].Energy policy， 2009， 37（10）：4003-4010.
[2]Environmental Report： Destination Green 2013.Canada， ICAO，2013.
[3]Kerr RA. Global warming is changing the world[J]. Science， 2007， 316（5822）：188-190.
[4]Brian Y. Kim. Gregg G Fleming. System for assessing aviation’s Global Emissions（SAGE）[J]. Transportation Research Part D： Transport and Environment， 2007， 12（5）：325-346.
[5]Bethan Owen， David S. Lee and Ling Lim.Flying into the future： Aviation Emissions Scenarios to 2050[J].Environmental Science & Technology， 2010， 44（7）：2255-2260.
[6]Airbus Group Innovations in Malaysia is developing pioneering technologies in the areas of biofuels， composite manufacturing and bio-sourced material research http：///airbusgroup/int/en/our-innovation/innovation-
works/global-presence/malaysia.html. ，2014.1.30.
[7]Boeing， United Arab Emirates Partners Look to Harvest Biofuel from Desert Plants http：//boeing.mediaroom.com/index.php？s=20295&item=128951，2014.1.30.
[8]Per Gegg. Lucy Budd. The market development of aviation biofuel： Drivers and constraints[J]. Journal of air Transport Management， 2014， 7（39）：34-40.
[9]Pearlson Matthew Noah. A techno-economic and environmental assessment of hydroprocessed renewable distillate fuels[D]. Massachusetts USA， Massachusetts Institute of Technology， 2011.
[10]Fueling a sustainable future for aviation. USA， MASBI， 2013.
[11]孙晓英，刘祥，赵雪冰，等.航空生物燃料制备技术及其应用研究进展[J].生物工程学报，2013，29（3）：285-298.
作者简介：王婷（1972-），女，安徽怀宁人，讲师，研究方向：航空运输、物流、航材管理。