绿色氢辅助将第二季油菜转化为可持续航空燃料过程中的能源-环境关系：迈向低碳生物能源系统

《Biomass and Bioenergy》：Energy–environmental nexus in green hydrogen-assisted conversion of second-crop canola to sustainable aviation fuel: Toward low-carbon bioenergy systems

菜籽油基可持续航空燃料（SAF）在巴西热带条件下进行全生命周期评估，结果显示农业阶段贡献34.2%的二氧化碳当量，HEFA阶段占12.8%。采用光伏和风电制氢可降低92-96.6%的排放，总生命周期排放较喷气燃料Jet-A1减少19.6%。需优化肥料管理并推广可再生能源氢，以实现巴西碳中和政策目标。

　　

朱莉娅·克鲁兹·拉马斯（Giulia Cruz Lamas）|亚历山大·努内斯·卡多索（Alexandre Nunes Cardoso）|普里西拉·塞伊沙斯·萨巴伊尼（Priscila Seixas Sabaini）|桑德拉·M·卢兹（Sandra M. Luz）|玛丽亚·多斯·雷伊斯·桑托斯·博尔赫斯（Maria dos Reis Santos Borges）|塔伊纳拉·达·S·科斯塔（Tainara da S. Costa）|蒂亚戈·达·席尔瓦·冈萨雷斯（Thiago da Silva Gonzales）|玛丽莉亚·伊达·达·席尔维拉·福莱加蒂·马ツウラ（Marilia Ieda da Silveira Folegatti Matsuura）|布鲁诺·加尔韦亚斯·拉维奥拉（Bruno Galveas Laviola）|蒂亚戈·O·罗德里格斯（Thiago O. Rodrigues）|帕特里克·鲁塞特（Patrick Rousset）|埃德加·A·席尔维拉（Edgar A. Silveira）

巴西利亚大学，机械科学研究生项目，能源与环境实验室，巴西利亚联邦区，巴西

摘要

航空燃料仍然是航空运输的主要成本和环境负担。本研究基于巴西生产商的原始数据，对热带条件下基于油菜籽的可持续航空燃料（SAF）进行了从生产到使用的生命周期评估（LCA）。分析涵盖了农业、预处理以及通过氢化酯和脂肪酸（HEFA）途径的转化阶段，揭示了第二季种植油菜籽在低碳航空领域的潜力。研究整合了工艺建模、可再生氢和土地利用效率，以全面了解各个阶段的驱动因素。ReCiPe方法以1 MJ生物煤油作为功能单位进行了评估。农业活动是温室气体排放的主要来源（34.2 g CO₂ eq. MJ^?1），主要由化肥生产和土壤N₂O排放造成；而HEFA阶段贡献了12.8 g CO₂ eq. MJ^?1。用光伏和风能产生的氢替代化石氢进行HEFA升级可减少92%至96.6%的排放，从而降低总体生命周期排放量。与Jet-A1相比，SAF可减少59%的化石燃料消耗并带来气候效益；然而，在某些非气候影响类别中其负担较高。淡水富营养化和海洋富营养化的影响分别为约0.01 g P eq. MJ^?1和0.7 g N eq. MJ^?1，人类毒性影响超过1 g 1,4-DB eq. MJ^?1，其中农业阶段占这些影响的90%以上，尤其是化肥的生产和使用。通过油菜籽和大豆的轮作，土地占用率（0.074 m² yr MJ^?1）得到优化，从而降低了森林砍伐的风险。研究结果展示了油菜籽在巴西脱碳政策中的战略作用，强调了改进化肥管理和整合可再生氢的必要性，以推动SAF的发展。

引言

近年来，航空业迅速发展，推动了全球贸易和经济增长[1,2]。尽管飞机效率有所提高，但它仍然是温室气体（GHG）排放的主要来源[1]，而航空燃料占该行业最大的运营成本和环境负担[3]。为此，国际航空运输协会（IATA）和国际民用航空组织（ICAO）等国际机构设定了目标：每年提高1.5%的燃油效率，从2020年开始稳定排放，并在2050年前将净排放量比2005年水平减少50%[[4], [5], [6]]。为此，ICAO实施了国际航空碳抵消和减少计划（CORSIA），该计划规范了CO₂排放并认证符合条件的替代燃料[[7], [8], [9], [10]]。在这一背景下，可持续航空燃料（SAFs）成为实现监管和气候目标的关键策略，同时也支持更广泛的全球议程，如可持续发展目标（SDGs）[11]。

在当前的SAF生产路线中，油转喷气（OtJ）途径，特别是氢化酯和脂肪酸（HEFA）技术最为成熟[9,12]。HEFA将富含脂质的原料转化为氢化可再生喷气（HRJ）燃料，这是一种合成石蜡煤油（SPK），根据ASTM标准必须与传统喷气燃料按10%至50%的比例混合[4,9,[13], [14], [15], [16]]。尽管技术上可行，但由于高昂的生产成本和与化石燃料相当的环境影响，大规模应用受到限制。最近的研究表明，SAF的优化需要平衡成本、排放和供应风险，这突显了综合环境和经济方法的必要性[17]。

一项有前景的创新是将绿色氢融入HEFA工艺以提高环境性能。氢对于氢脱氧过程至关重要，但传统来源（主要是蒸汽甲烷重整）会排放大量温室气体[18,19]。通过使用风能或太阳能电解产生的绿色氢可以大幅减少排放[20]。巴西丰富的可再生能源资源使其成为绿色氢的生产中心，有助于减少国内SAF供应链的排放[21]。

HEFA适用的原料包括大豆、棕榈油、麻疯树油、芥菜籽、油菜籽和动物脂肪，适用于不同的农业环境[9,12,22,23]。油菜籽（Brassica napus）是全球第三大生产的植物油，约占全球产量的16%[24,25]。在巴西，油菜籽主要在南部种植，预计2025年的产量为1459 kg/ha，种植面积为131,100公顷[26]。2022-2023年收获期的田间数据显示，南部地区的产量可达2115 kg/ha，表明了油菜籽的潜力。虽然油菜籽传统上是一种适合温带气候的作物，但在中西部的试验表明其也有适应热带条件的潜力[27,28]。不同地区和品种的产量差异很大，例如巴拉那州北部的Brassica juncea产量为238至483 kg/ha[29]，巴西中西部灌溉条件下的Brassica napus产量可达3001 kg/ha[30]，在南部适宜条件下也能达到类似水平[31]。这些发现表明，非季节性种植的油菜籽对温度和水分供应非常敏感，也凸显了使用全国平均水平数据进行国际比较的局限性。

评估巴西SAF生产的环境性能需要进行全面的生命周期评估（LCA），以涵盖从原材料提取到燃料利用整个生产链的环境影响[32,33]。尽管基于油菜籽的生物煤油生产具有巨大潜力，但巴西的相关研究仍然较少，尤其是在环境影响方面。现有研究主要集中在油籽基SAF的原料选择[3,34]和精炼技术[35]上，对油菜籽的关注较少。尽管SAF越来越被视为减少航空污染的关键策略，但大多数LCA研究仍集中在大豆和棕榈油等传统作物上[16,36]。相比之下，尽管油菜籽在全球范围内具有重要意义，并且作为轮作或第二季作物受到越来越多的关注，但在巴西的相关研究中却相对较少。表1总结了基于油基原料的SAF的LCA研究，显示对油菜籽的关注有限，很少有研究评估其温室气体排放、土地利用以及低碳氢在HEFA途径中的整合情况。

除了研究数量有限外，表1还显示了不同SAF LCA在原料选择、系统边界、软件平台、方法论方法和报告的影响指标方面的显著差异，这限制了研究之间的可比性，并为巴西的油菜籽基SAF留下了重要空白。值得注意的是，此前没有研究在巴西热带条件下对第二季种植的油菜籽SAF进行全面评估，同时整合原始农业数据和转化阶段的脱碳策略。为填补这一空白，本研究通过Sphera LCA for Experts平台进行了从生产到使用的生命周期评估，应用ReCiPe midpoint (H)方法评估了多个影响类别。评估基于农业生产及预处理的原始数据，并明确记录了HEFA途径的系统边界和库存假设。此外，还评估了HEFA升级过程中的可再生氢，结果在符合RenovaBio[[38], [39], [40]]、巴西未来燃料法（Law n° 14.993/2024）和CORSIA政策框架下进行了解读。

研究部分

目标和范围

本研究进行了归因生命周期评估（A-LCA），以评估巴西通过HEFA途径生产的油菜籽基SAF的环境性能。评估考虑了两个地区情况（南部的当前生产和中西部的潜在扩展，见图1(a)），并比较了三种混合方案下的SAF与化石燃料Jet-A1的性能（100% Jet-A1、50% SAF混合和100% SAF）。分析还考虑了HEFA的不同氢源

结果与讨论

LCA的结果分为四个部分：产品和副产品的质量及能量分配（第3.1节）、环境影响（第3.2节）、生命周期各阶段的排放（第3.3节）以及政策背景讨论（第3.4节）。

局限性与展望

在解释结果时，应考虑本研究的一些局限性。尽管明确识别了生命周期中的主要环境热点，但未进行正式的敏感性或不确定性分析。一些关键参数（如化肥排放因子、HEFA过程中的氢需求、绿色氢生产的电力碳强度和分配选择）在不同地区和研究中存在显著差异。

结论

本研究全面评估了通过HEFA途径生产的油菜籽基SAF，强调了关键技术和技术之间的权衡，同时探讨了可持续性改进的潜在途径。结果突显了技术效率、原料特性和更广泛可持续性指标之间的复杂相互作用。

尽管能源分配有利于生物煤油和原油，但副产品对系统整体性能也有重要贡献

CRediT作者贡献声明

朱莉娅·克鲁兹·拉马斯（Giulia Cruz Lamas）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法论设计、调查、数据分析、概念化。亚历山大·努内斯·卡多索（Alexandre Nunes Cardoso）：初稿撰写、验证、监督、方法论设计、调查、数据分析、概念化。普里西拉·塞伊沙斯·萨巴伊尼（Priscila Seixas Sabaini）：审稿与编辑、初稿撰写、验证、数据分析。桑德拉·M·卢兹（Sandra M. Luz）：审稿与编辑。

生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了生成式人工智能工具来辅助语言编辑和清晰度提升。作者仔细审查和编辑了内容，并对工作的完整性、准确性和原创性负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq，项目编号305109/2023-5）、联邦区研究基金会（FAPDF，项目81/2021和469/2023 - 授予编号00193-00002254/2023-19）和FAPED/CNPMA/FINEP Renovacalc项目01/22/0591/1514/22、巴西利亚大学（UnB）和巴西农业研究公司（Embrapa）对本项目的财政支持。此外，作者也感谢这些机构对研究的协助。