《Sustainable Energy & Fuels》：From biofuels to e-fuels: an assessment of techno-economic and environmental performance
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本综述系统评估了生物燃料（BtX）、电-生物燃料（PBtX）和电燃料（PtX）三大类共9种热化学转化路径的技术经济与环境性能。研究基于183个案例，采用ProSimPlus?模拟，重点分析了碳转化率、整体能效、投资与生产成本及温室气体（GHG）排放等关键指标。结果表明，通过引入电解氢（如SOEC技术），PBtX路径在碳转化率（提升至65–70%）和能效（达61.3%）方面均优于传统BtX路径，且其生产成本（140–160 �/MWh）介于BtX与PtX之间。环境评估强调，电燃料路径的GHG排放高度依赖电力碳强度，需低于70 kg CO2,eq/MWh方可满足欧盟RED III标准。本研究为可持续碳基燃料的路径选择提供了多维度决策支持。
引言
尽管能源转型持续推进，纯电气化无法完全替代长距离航空航运等高能量密度需求领域的碳基分子。碳在有机化工中同样核心，其挑战在于“去化石碳化”而非完全脱碳。热化学转化技术可将生物质或CO2转化为液态烃、合成天然气（SNG）、甲醇等燃料，其中电燃料（RFNBO）依赖外部氢能输入，生物燃料源自生物质，而电-生物燃料（PBtX）则结合二者优势。为符合碳中和目标，这些燃料需实现较化石燃料低65–70%的全生命周期温室气体（GHG）排放，且先进生物质原料可降低间接土地利用变化（ILUC）风险。
方法论
文献综述覆盖183个案例，筛选出9条代表性路径（BtX、PBtX、PtX各3类），目标产物包括液态烃、SNG和甲醇。模拟采用ProSimPlus?软件，统一假设生物质组成为C6H9O4，预处理通过烘焙提升能量密度。气化环节按产物类型选用气流床或流化床反应器，碳捕集采用胺吸收系统，氢源为固体氧化物电解池（SOEC）。性能指标聚焦碳转化率（ηC）和整体能效（ηov），后者计及电、热整合。经济分析基于设备规模效应和CEPCI指数更新，假设电价100.7 �/MWh、生物质价21.6 �/MWh，计算资本强度（�/kW）和净生产成本（NPC）。环境评估采用RED III标准的摇篮到大门生命周期法，对比不同电力混合（如2022年法国电网54.4 kg CO2,eq/MWh vs. 2050年低碳情景13 kg CO2,eq/MWh）与生物质排放因子（RED III默认26.4 kg CO2,eq/MWh vs. ADEME数据16.1 kg CO2,eq/MWh）。
结果
技术性能方面，碳转化率从BtX的35–40%提升至PBtX的65–70%，PtX结合碳捕集时达80–85%。能效表现为PBtX（56–64%）优于BtX（48–55%）和PtX（55–61%），归因于氢掺混优化了合成气H/C比并避免水煤气变换（WGS）反应的碳损失。液态烃路径因尾气回收和重质油加氢裂化环节略逊于SNG或甲醇。经济指标显示，资本成本中合成气生产单元占比最高（50–68%），BtX预处理成本显著。NPC依次为BtX（118–146 �/MWh）、PBtX（140–163 �/MWh）、PtX（212–272 �/MWh），敏感性分析表明电价波动对PBtX和PtX影响显著（±1 �/MWh电价变动导致PtL成本变化±1.8 �/MWh）。环境绩效上，基于2022年法国电网，BtX排放为50–110 kg CO2,eq/MWh，PBtX为60–95 kg CO2,eq/MWh，PtX为90–100 kg CO2,eq/MWh；仅部分路径满足RED III阈值（约110 kg CO2,eq/MWh）。PtL路径需电力碳强度低于35 kg CO2,eq/MWh方可优于PBtL。
讨论
技术层面，电解氢的引入通过避免WGS反应减少碳损失，但能效定义需结合系统边界：若按一次能源效率（PEF）折算，核电（PEF=3）场景下PtL能效可从48%降至18%。经济性上，电解槽成本主导PtX投资，而生物质预处理分散化可降低BtX供应链成本。环境合规性要求电燃料路径依赖深度脱碳电力，当前欧洲电网水平难以达标。多标准评估需统筹能效、碳转化、成本及GHG排放，并考虑电能与燃料在储能、基础设施方面的服务差异。
结论
本研究通过多指标对比揭示PBtX路径在碳转化、能效及成本间的平衡优势。其碳转化率达65–70%，能效超60%，NPC为140–160 �/MWh，在低碳电力支持下可满足RED III排放标准。未来需将土地利用变化（LUC）影响纳入生物燃料评估，并推动电-生物燃料纳入欧盟政策框架。研究提供的 harmonized 性能参数为能源系统建模奠定了关键数据基础。
