美国利用乙醇发酵废弃CO2实现交通脱碳的经济与环境效益评估

《Biomass and Bioenergy》：Economic and environmental evaluation of the role for waste CO 2 from ethanol fermentation to decarbonize transportation in the US

本研究为解决交通运输部门温室气体（GHG）排放问题，探讨了如何利用玉米乙醇发酵过程中产生的生物源CO2来增强脱碳潜力。研究人员评估了两种主要技术路径：碳捕获与封存（CCS）以及通过费托合成（FT）或甲醇制航煤（MTJ）技术将CO2转化为电子燃料（CCU）。研究发现，相较于仅生产乙醇并升级为航空燃料（ETJ）的基线情景，CCS路径可使总抵消CO2量增加135%，同时将生物燃料最低售价（MSP）提高5-7%；而CCU路径虽能增加90%至205%的CO2抵消量，但其产生的电子燃料MSP要高出36%至218%。研究揭示了燃料碳强度、成本、产量和输出燃料类型之间的权衡关系，为决策者依据项目主要目标（如成本效益最大化或可持续航空燃料生产最大化）选择最优配置提供了关键见解。

　　

交通运输是全球能源消耗和温室气体排放的主要领域之一。为应对气候变化，世界各国纷纷出台政策鼓励向替代能源载体转型。生物燃料，特别是来自玉米的乙醇，目前已满足美国道路运输10.5%的汽油需求，并具有升级为可持续航空燃料（SAF）的潜力。然而，生物燃料生产本身面临水资源消耗、土地利用变化排放等环境挑战。另一方面，利用可再生电力和碳源生产的电子燃料（Electrofuels）虽然前景广阔，但其规模化生产需要巨额资本投入，且可持续碳源（如直接空气捕获）成本高昂、技术尚不成熟。

在这一背景下，一个被忽视但潜力巨大的机会浮出水面：乙醇发酵过程中会释放出大量高纯度的生物源CO₂。这些“废物”是直接排放到大气中，还是可以变废为宝，成为深度脱碳的钥匙？如果将其捕获并封存（CCS），能否显著降低燃料的碳足迹？或者，将其作为原料与绿氢结合，通过化学转化生产更多的电子燃料（CCU），是否能为交通部门提供更大的减排效益？这两种路径在经济和环境效益上究竟孰优孰劣？为了回答这些问题，来自麻省理工学院航空航天系航空与环境实验室的研究团队Niamh Keogh, James Abel, Christoph Falter, Gary Grimes, Florian Allroggen在《Biomass and Bioenergy》上发表了一项深入研究。

他们采用了技术经济评估（TEA）和生命周期评估（LCA）相结合的系统分析方法。首先，基于美国现有乙醇工厂（2021年共197家）的产能和位置数据，估算出每年可捕获约5000万吨生物源CO₂的潜力。其次，利用高分辨率地理空间数据建模，为每个乙醇工厂选址计算了通过本地风能或太阳能电解水制氢的平准化成本。研究构建了四个对比情景的详细过程模型：基线情景（仅将乙醇升级为航煤，ETJ）、CCS情景（捕获CO₂并地质封存）、以及两个CCU情景（分别通过费托合成，FT，和甲醇制航煤，MTJ技术将CO₂转化为燃料）。在CCU路径中，还进一步比较了使用外部能源（天然气和风电）与内部生产并燃烧合成气以满足过程能量需求两种方案。研究计算了各路径下燃料的最低售价（MSP）、碳强度（CI）、总CO₂抵消量以及碳减排成本（CAC）等关键指标。

3.1. 最低售价

研究结果显示，基线ETJ工厂生产的生物燃料MSP在1.00至1.26美元/升之间。增加CCS后（Case 1），MSP小幅上升至1.06–1.33美元/升。相比之下，CCU路径生产的电子燃料成本显著更高：FT路径（Case 2a）的MSP为1.59–2.40美元/升，MTJ路径（Case 2b）为1.39–4.00美元/升，比生物燃料高出36%至218%。工厂规模对电子燃料成本影响显著，体现了新兴技术对资本成本的敏感性。研究还发现，在CCU路径中，通过内部生产和燃烧额外合成气来满足能量需求（方案ii），会因减少了用于生产燃料的CO₂和H₂原料，导致燃料产量下降，从而使MSP比使用外部能源的方案（i）高出9.3%至18.6%。

3.2. 燃料产量、碳强度和总碳减排量

在燃料产量方面，基线ETJ路径可生产大量生物燃料，有潜力抵消美国2022年32%的航空煤油、4%的柴油和1%的汽油消费。玉米ETJ燃料的碳强度较高，主要贡献来自工艺用天然气、相关的间接土地利用变化（ILUC）排放和玉米种植排放。集成CCS（Case 1）能使ETJ燃料的碳强度显著降低19.7 gCO₂e/MJ。若将捕获的CO₂用于生产电子燃料，FT路径（Case 2a(i)）和MTJ路径（Case 2b(i)）可额外生产38%和44%的馏分燃料，其碳强度分别为19.95和21.62 gCO₂e/MJ，较化石航煤减排约76%-78%。然而，若采用内部燃烧合成气供能方案（Case 2a(ii)和2b(ii)），虽然能进一步降低电子燃料的碳强度（分别降至11.97和12.09 gCO₂e/MJ），但会牺牲33%-40%的燃料产量。在总CO₂抵消量方面，CCU路径（Case 2）可比基线情景多抵消90%至205%的CO₂，而CCS路径（Case 1）可多抵消135%。

3.3. 碳减排成本

碳减排成本（CAC）是衡量不同减排方案经济效率的关键指标。基线ETJ路径的CAC中位数为1085美元/吨CO₂e。集成CCS后（Case 1），CAC显著下降至527美元/吨CO₂e，表明以相对较低的成本获得了较大的碳强度降低。CCU路径的CAC中位数在717美元/吨CO₂e（Case 2b(i)）到971美元/吨CO₂e（Case 2a(ii)）之间，远高于当前碳市场价格，突显了生物燃料和电子燃料在成本竞争力方面面临的挑战。

3.4. 与当前乙醇用于汽油调合的对比

研究还将ETJ升级路径与当前主流的乙醇汽油调合路径进行了对比。结果显示，若乙醇直接用于调合汽油（而非升级为航煤），在所有情景下的碳减排成本（CAC）都大幅降低（降低53%-78%）。这是因为省去了升级过程的设备和能耗，乙醇生产成本更低。然而，这两种路径的减排目标不同：乙醇调合主要减少汽油车的排放，而ETJ升级则主要针对航空和柴油领域的排放。随着电动汽车的普及，未来汽油需求可能下降，这可能影响乙醇路径的经济性。

研究的结论部分明确指出，在乙醇工厂中增加CCS或利用其CO₂生产电子燃料，都能显著提升ETJ工厂的脱碳潜力。CCS路径能以最低的成本实现最大的碳强度降低（19.73 gCO₂e/MJ），是经济高效的碳减排选择。而CCU路径虽然成本更高，但能额外生产大量的馏分燃料（增加23%-44%），对于迫切需要替代燃料的航空等难减排领域尤为重要。在CCU路径内部，使用内部合成气供能可以降低燃料碳强度，但会牺牲约三分之一的产量，这是一个关键的权衡。

研究还强调，选择最优路径高度依赖于项目的主要目标。如果核心目标是以最低成本实现交通部门整体减排，那么将乙醇用于汽油调合并结合CCS是最有效的选择。如果核心目标是最大化可持续航空燃料（SAF）的产量以解决特定行业的脱碳难题，那么采用MTJ技术的CCU路径（Case 2b(i)）则更为合适。这项研究清晰地揭示了燃料碳强度、成本、产量和输出燃料组合之间的复杂权衡关系，为政策制定者和行业投资者在推动交通能源转型时，依据不同的优先级（成本最小化、SAF产量最大化或总减排量最大化）做出科学决策提供了至关重要的定量依据和系统分析框架。