《Renewable Energy》：Prospects of Power-to-Sustainable Aviation Fuel: A Multi-Criteria Decision Analysis Integrated with Economic and Environmental Assessment
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基于二氧化碳的可持续航空燃料（SAF）经济可行性、环境效益及多准则决策分析表明，当前SAF生产成本（3.71-5.72美元/升）高于传统航空燃料，但通过电解槽技术进步、可再生能源电价下降及政策激励，SOEL工艺路线在2050年欧洲可实现成本持平，减排达35-70%。
Mingi Kim|Aejin Lee|JeHyeon Seong|Hankwon Lim
韩国蔚山国家科学技术院碳中和研究生院，50 UNIST-gil，Eonyang-eup，Ulju-gun，蔚山 44919，大韩民国
摘要
本研究采用综合的经济、环境和多标准决策分析方法，评估了二氧化碳衍生可持续航空燃料（SAF）的可行性。对两种主要配置进行了工艺模拟：逆水煤气转化（RWGS）和固体氧化物共电解（SOEL），分别考虑了是否使用蒸汽系统的情况。根据模拟结果，当前SAF的单位生产成本估计为3.71–5.72美元/升，远高于传统喷气燃料。然而，考虑到电解槽成本的降低、效率的提高以及电价的下降，在欧洲，不使用蒸汽系统的SOEL路线在电价低于0.0301美元/千瓦时的情况下，到2050年可实现完全的成本平价，这与2050年实际的可再生电力价格0.025美元/千瓦时相当。环境评估显示，SAF的二氧化碳排放量为25.5–58.7克二氧化碳/兆焦耳，比传统喷气燃料减少了35–70%。多标准决策分析表明，基于SOEL的SAF的决策优先级逐渐上升，在2040年后超过了传统喷气燃料，并在2050年排名最高。总体而言，研究结果表明，尽管目前SAF在经济上不具备竞争力，但技术进步和政策激励措施可以在2050年前实现具有成本效益且碳中性的航空燃料生产。
引言
全球人为二氧化碳排放加速了气候变化，使全球平均温度比工业化前水平上升了约1.1°C [1]。预计超过1.5°C的阈值将触发多种气候临界点，如不可逆的冰盖融化和海洋环流中断 [2]。在人类活动中，能源和运输部门是温室气体排放的主要来源。目前，航空部门约占全球二氧化碳总排放量的2–3%，以及运输相关排放量的近12% [3]。尽管其绝对排放份额较小，但由于基本的技术和运营限制，航空部门被认为特别难以实现脱碳。特别是对于长途飞行，飞机运行需要具有高比重和体积能量密度的燃料，以及严格的安全和可靠性标准，并且要与现有的飞机和燃料基础设施兼容。
在更广泛的能源转型中，国际能源署（IEA）预测，到2070年，电气化、生物能源和碳捕获利用与储存（CCUS）将共同实现净零排放路径所需的累计减排量的一半以上，如图1所示 [4]。虽然直接电气化已在地面运输中成功应用，但由于当前电池技术无法满足商用飞机的能量密度、载荷和航程要求，因此在大多数航空应用中仍不切实际 [5]、[6]、[7]。因此，预计航空领域在可预见的未来将继续依赖液态碳氢化合物燃料。在这种情况下，SAF作为一种关键的脱碳选项，因其结合了高能量密度和对现有飞机发动机及燃料物流的兼容性而受到重视。在各种SAF路线中，基于CCUS的路线（通过捕获的二氧化碳和可再生氢气生产合成碳氢化合物）被认为是实现航空领域长期碳中和增长的关键途径。
在过去五年中，许多研究调查了基于CCUS的SAF生产的技术经济分析（TEA）和环境评估 [8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。表1比较了关键参考文献在工艺路线（二氧化碳来源、电解技术、合成气生产路线和燃料合成路线）以及评估范围方面的差异，包括是否进行了技术经济分析（TEA）、生命周期评估（LCA）、预测分析和多标准决策分析（MCDA）。如表1所示，尽管许多先前的研究已经对基于CCUS的SAF路线进行了TEA和LCA，但大多数分析主要关注当前情景下的技术和环境性能。未来导向的因素，如技术学习效应、可再生能源电价的长期下降以及碳定价的作用，往往被忽视或仅部分考虑。此外，尽管有少数研究将MCDA作为决策支持工具，但这些方法通常单独应用，并未在分析框架内与TEA和LCA系统集成 [19]、[20]、[21]。重要的是，表1明确指出，现有文献中尚未探索2030–2050年间基于CCUS的SAF路线的综合应用，包括预测技术经济分析、环境评估和MCDA。这一差距在同时比较多种电解技术并考虑能源市场和政策差异的研究中尤为明显。与以往的研究不同，本研究开发了一个综合评估框架，结合了预测成本分析、生命周期二氧化碳评估和基于MCDA的评估，以同时评估基于CCUS的SAF路线的经济可行性、环境性能和决策优先级。分析重点是通过费托（FT）工艺生产的二氧化碳衍生SAF，其中氢气由不同的电解技术提供，包括碱性电解（AEL）、质子交换膜电解（PEMEL）和固体氧化物共电解（SOEL），这些电解技术由可再生太阳能光伏电力驱动。通过明确纳入长期预测并在北美、欧洲和亚洲进行比较区域分析，本研究提供了以往基于CCUS的SAF研究中缺乏的前瞻性和决策导向的评估。
部分内容摘录
工艺模拟
SAF生产的整体工艺使用Aspen Plus V14进行了模拟。如图2所示，考虑了两种主要配置：（1）逆水煤气转化（RWGS）路线和（2）固体氧化物共电解路线。对于这两种配置，工艺边界包括二氧化碳捕获、合成气生产、燃料生产和精炼，以及使用蒸汽系统的热回收。为了提高模型工艺配置的可比性，所有案例都根据合成气
技术分析
对实验结果和模拟结果进行了验证。模拟结果是在相同的实验条件下获得的，并与实验结果进行了比较。图4(a)显示了Xu-Froment模型[26]的实验结果和模拟结果在时空上的二氧化碳转化率差异。结果表明，模拟结果在低温下与实验结果吻合得很好。相反，在高温下
结论
本研究提出了一个综合的技术经济、环境和多标准评估框架，用于评估二氧化碳衍生SAF路线的长期竞争力。该分析结合了工艺模拟与电解槽成本降低、效率提高和区域电价变化的动态预测，为未来SAF的可行性提供了定量见解。从TEA来看，当前基于CCUS的SAF的单位生产成本在3.71至5.72美元/升之间
CRediT作者贡献声明
Aejin Lee：撰写 – 审稿与编辑、验证、软件、方法论、概念化。Mingi Kim：撰写 – 原稿撰写、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理。JeHyeon Seong：撰写 – 审稿与编辑、调查、数据管理。Hankwon Lim：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国政府国防发展机构（UD250001TD）、韩国能源技术评估与规划院（KETEP）和贸易、工业与能源部（MOTIE）（RS-2023-00303645）的支持，以及韩国科学技术信息通信部的InnoCORE计划（1.250022）的支持。
