全球气候变化也给航空运输业提出了新的要求，需要寻求更加环保的航空替代燃料。2009年，国际航空运输协会(IATA)代表整个航空业向国际民航组织(ICAO)提出三大承诺目标：2020年实现碳排放零增长；从2009年到2020年，平均每年燃油效率提高1.5%；2050年碳排放量比2005年减少50%。IATA预测此目标的实现，发动机、飞机轻量化和效率提升可贡献20%碳减排，航空基础设施可实现10%，其他50%碳减排主要依靠生物质航空替代燃料及相关技术。
摆脱化石能源依赖带来的能源危机，降低温室气体(GHG)排放是航空替代燃料的研究动力。无论从军事还是民用的角度看，我国都应该在航空替代燃料的研究方面做出更大的努力，尽力达到航空替代燃料来源的多元化，并完成不同原料来源航空替代燃料的可持续性评价。
燃料从原材料开采到生产，最后到燃烧，整个过程都存在碳排放，都要损耗能源，因此衡量一种燃料可持续与否需要对燃料的整个生命周期进行评价，即对燃料摇篮到坟墓(WTW)的全过程进行评价[1]。
本文进行评价使用的计算模型为美国阿贡国家实验室的2014年发布的GREET1_2014版(Green house gases Regulated Emissions and Energy of Transportation)。GREET是美国阿贡国家实验室从1995年开始开发用于评估替代车用燃料以及先进车辆技术的全生命周期燃料循环的能源效率和温室气体排放的模型。GREET 模型已经被广泛应用，美国能源部、西北太平洋实验室和通用汽车公司都曾使用GREET 模型进行评价，而且GREET模型从2013年开始包含了航空替代燃料的评价体系[1]。柴志勇[1]分析了 GREET 模型机理，进行 GREET 模型能耗及排放计算方法及仿真能力研究。GREET 模型计算结果包括能量消耗、化石能源消耗以及温室气体排放等数据，能够满足全生命周期评价需要的数据。
目前，航空替代燃料研究涉及的原料涵盖化石能源和生物质，本文选取煤、天然气、麻疯树、能源藻、大豆、棕榈、油菜籽及亚麻荠8种不同原料，运用GREET1_2014进行全生命周期的能量消耗、化石能源消耗、水资源消耗、PM10和PM2.5排放和温室气体排放进行计算，并将计算结果与传统石油基航空燃料进行对比分析，为未来可持续航空替代燃料的选取提供依据。
1 航空燃料矿井到油泵过程 1.1 原料来源 我国能源结构具有“富煤、贫油、少气”的特点,在化石能源总量中煤炭占比高达94.4%,而石油只有2.4%。2010年我国石油产量为20 301.4万t,消费量为43 245万t；天然气产量为12.5亿m3，消费量为130.7亿m3；煤炭产量为323 500万t，消费量为312 236.5万t[2]。在生物质航空替代燃料商业化之前，煤和天然气航空燃料可作为过渡产品。
生物质的选取依据是“不与人争粮，不与粮争地”，应可持续。能源藻的培养不占用耕地，麻疯树可以在沙漠化土地里生长。目前以能源藻和麻疯树为原料的加氢处理制备生物基航空替代燃料最具发展潜力，同时其对淡水的消耗也很少。本文选取了几种已经大规模培养的生物质大豆、棕榈、油菜籽、亚麻荠作为对比。
本文计算中将全生命周期过程分为原料阶段(原料成长(开采)和原料运输)、燃料阶段(粗油提取、粗油精制、燃料运输、储存)和应用阶段(见图 1)，关键参数见表 1。原料阶段和燃料阶段属于“矿井到油泵”过程，计算过程中考虑了基础设施建设消耗以及系统内产生电能的循环利用。应用阶段为“油泵到车轮”过程，整个全生命周期过程包括这两个过程，为“矿井到车轮”过程。以传统石油基航空燃料为基准，本文对8种不同原料分别计算其原料阶段能量消耗、化石能源消耗及温室气体排放，燃料阶段能量消耗、化石能源消耗及温室气体排放，最后对全生命周期过程能量消耗、物质消耗、水资源消耗、PM10和PM2.5排放及温室气体排放进行分析。计算过程中部分基础数据来源为文献[3-14]。
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| 图 1 全生命周期分析路径 Fig. 1 Whole life cycle analysis pathway |
| 图选项 |
表 1 GREET1_2014中关键参数 Table 1 Key parameters in GREET1_2014
| 项目 | 内容 |
| 1.模拟年份 | 2015 |
| 2.系统中分配方法 | 按能量含量分配 |
| 3.蒸馏情景 | 最大化航空燃料 |
| 4.石油 | |
| 4.1 是否考虑石油开采过程基础设施 | 是 |
| 5.煤炭 | |
| 5.1 是否考虑煤炭开采过程基础设施 | 是 |
| 6.天然气 | |
| 6.1 是否考虑天然气开采过程基础设施 | 是 |
| 7.能源藻输入 | |
| 7.1 能源藻提油工艺 | 水热液化 |
| 7.2 CO2是否回收 | 是 |
| 7.3 是否考虑基础设施建设 | 是 |
| 7.4 共产物计算方法 | 按能量含量分配 |
| 8.麻疯树、大豆、棕榈、油菜籽、亚麻荠 | 22.3% |
| 8.1 油脂提取过程分配方法 | 按能量含量分配 |
| 8.2 共产物分配方法 | 按能量含量分配 |
| 9.生物质油加氢精制过程 | |
| 9.1 加氢精制过程分配方法 | 按能量含量分配 |
表选项
基础数据主要参考中国统计年鉴2014中2012年数据，其中：
原油开采能效为93%[15]，进口油占比58.5%，国产油占比41.5%。原油开采过程中各基础能源占比：原油39.39%，燃料油0.50%，柴油2.43%，汽油0.55%，天然气39.18%，煤5.16%，电12.8%[16]。运输方式占比和运输距离：远洋游轮58.5%，11 000 km；驳船10%，400 km；管道78%，1 030 km； 铁路46.8%，950 km[17]。
煤炭开采能效为97%[15]，井下开采占比86%，地表开采占比14%[18]。煤炭开采过程中各基础能源占比：燃料油0.01%，柴油2.57%，汽油0.19%，天然气0.74%，煤87.73%，电0.51% [16]。运输方式占比和运输距离：驳船17%，650 km；铁路50%，1 000 km；公路33%，310 km[17]。
电力行业各基础能源占比：燃煤76.34%，燃油0.11%，燃气2.27%，水电17.16%，核电1.97%，风电2.07%，其他0.08%[19]。电力行业燃煤烟煤占比90%，褐煤占比10%；
目前，国内外制备航空燃料的技术主要有油脂加氢技术(加氢法 (HRJ))，生物质气化费托合成技术(气化-费托合成法(FT))，生物质水相催化合成技术(水热液化法(HTL))等[20]。9种原料全生命周期路径：①石油直接精制(refining);②原料煤间接液化费托合成油(FT);③天然气气化费托合成油(FT);④能源藻加氢精制(HRJ);⑤麻疯树加氢精制(HRJ);⑥大豆加氢精制(HRJ);⑦ 棕榈加氢精制(HRJ);⑧油菜籽加氢精制(HRJ);⑨亚麻荠加氢精制(HRJ)。
1.2 原料阶段能量消耗、物质消耗及温室气体排放 石油、煤和天然气的原料阶段包括开采阶段和原料运输。开采过程包括基础设施建设的能耗和排放。生物质原料阶段包括原料成长阶段和运输阶段，其中原料成长阶段包括基础设施投入和营养盐需求能耗和排放。原料阶段基于中国能耗基础数据的GREET模型计算结果见表 2。结果给出了石油、煤、天然气、能源藻(油脂含量25%)[3]、麻疯树(油脂含量37.7%)[5-6]、大豆(油脂含量21.3%)[4]、棕榈(油脂含量32.3%)[5-6]、油菜籽(油脂含量48.4%)[5-6]、亚麻荠(油脂含量41.9%)[7]不同原料在原料阶段化石能源消耗和温室气体排放数据。图 2为原料阶段能量消耗与化石能源消耗。原料阶段包括原料的成长(开采)阶段、原料运输阶段。
表 2 原料阶段化石能源消耗、温室气体排放 Table 2 Fossil fuel consumption and GHG emissions in feedstock process
| 原料 | 化石能源消耗/(MJ·MJ-1) | 油含量/ % | GHG排放量/ (g CO2e·MJ-1) | ||
| 煤 | 天然气 | 石油 | |||
| 石油 | 0.047 9 | 0.046 3 | 0.050 6 | 14.41 | |
| 煤 | 0.040 2 | 0.001 7 | 0.010 1 | 13.56 | |
| 天然气 | 0.019 5 | 0.076 8 | 0.004 2 | 10.51 | |
| 能源藻 | 0.023 7 | 0.100 4 | 0.005 6 | 25.0 | -48.15 |
| 麻疯树 | 0.031 0 | 0.131 2 | 0.128 4 | 35.0 | -37.64 |
| 大豆 | 0.017 1 | 0.026 7 | 0.061 8 | 18.5 | -59.07 |
| 棕榈 | 0.005 9 | 0.046 8 | 0.030 0 | 22.3 | -58.87 |
| 油菜籽 | 0.023 2 | 0.129 7 | 0.074 6 | 44.0 | -38.38 |
| 亚麻荠 | 0.019 9 | 0.114 7 | 0.080 0 | 36.0 | -45.16 |
表选项
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| 图 2 原料阶段能量消耗与化石能源消耗 Fig. 2 Energy consumption and fossil fuel consumption in feedstock process |
| 图选项 |
从图 2中可以看出，原料阶段能量消耗(MJ/MJ)从多到少依次为：麻疯树0.29>能源藻0.27>油菜籽0.23>亚麻荠0.22>石油0.15 >大豆0.11 >天然气0.10>棕榈0.083 >煤0.053。以石油为参照，煤在原料阶段能量消耗最小，仅为石油开采阶段能量消耗36%。煤、天然气原料阶段能量消耗低，说明其开采成本低于石油开采能耗，大豆、棕榈的能量消耗低主要原因是相较于其他几种生物质，其氮肥和磷肥的输入量较少。
对比9种原料化石能源消耗与能量消耗，除能源藻外，其他原料其化石能源消耗与其能量消耗大体相同。能源藻生长速率是其他植物的30~100倍[21]，油脂提取后，藻渣量较大，本研究将其进行发电利用，节约化石能源消耗。同样以石油原料为参照，煤原料阶段化石能源消耗最少，消耗量为0.052 MJ/MJ，仅为石油原料阶段化石能源消耗的35.9%；而麻疯树的种植过程中较高的能量消耗和化肥输入量导致其化石能源消耗最多，消耗量为0.29 MJ/MJ，为石油原料阶段的2倍。
对比9种原料在原料阶段的温室气体排放，石油、煤、天然气的排放为正值，表明在整个原料阶段这3种原料的获取是向大气排放温室气体的。而能源藻、麻疯树、大豆、棕榈、油菜籽和亚麻荠的排放为负值，主要原因是在原料生长阶段生物质吸收空气中的二氧化碳进行成长，达到了碳减排的效果。在整个原料阶段大豆的温室气体排放最低，具有最优减排效果，相对于石油碳减排达到了510%。碳减排效果最差的生物质为麻疯树，相对于石油碳减排361%。
1.3 燃料阶段能量消耗、物质消耗及温室气体排放 原料阶段基于中国能耗基础数据的GREET模型计算结果见表 3。表 3列出了石油、煤、天然气、能源藻、麻疯树、大豆、棕榈、油菜籽、亚麻荠燃料阶段化石能源消耗及温室气体排放。石油采用精制工艺制取航空燃料，煤和天然气采用费托合成工艺制取航空燃料。石油基精制过程的能量效率为95.3%，天然气费托合成过程的能量效率为64%，煤费托合成过程的能量效率为50%。能源藻、麻疯树、大豆、棕榈、油菜籽和亚麻荠采用加氢精制制备工艺制取航空燃料。能源藻油的航空燃料质量产油率为72.4%，能量产油率54.2%；麻疯树的质量产油率为71.4%，能量产油率为61.9%；大豆油的航空燃料质量产油率为71.9%，能量产油率为35.8%；棕榈油的航空燃料质量产油率为71.4%，能量产油率为79.5%；油菜籽油的航空燃料产油率为73.5%，能量产油率为58.6%；亚麻荠油的航空燃料质量产油率为72.4%，能量产油率为54.2%。其中质量产油率为1 kg原料油产出航空燃料重量。数据来自文献[3-14]。能量产油率为航空燃料产物的能量与所有产物能量总和的比值。按照能量产油率的数值计算过程中的能量消耗和碳排放。
表 3 燃料阶段化石能源消耗、温室气体排放 Table 3 Fossil fuel consumption and GHG emissions in fuel process
| 燃料阶段 | 化石能源消耗/(MJ·MJ-1) | GHG排放量/ (gCO2e·MJ-1) | ||
| 煤 | 天然气 | 石油 | ||
| 石油精制 | 0.006 7 | 0.034 5 | 0.024 2 | 4.13 |
| 煤费托合成 | 1.046 6 | 0.002 7 | 0.015 6 | 114.71 |
| 天然气费托合成 | 0.022 5 | 0.606 6 | 0.006 3 | 24.84 |
| 能源藻加氢精制 | 0.023 6 | 0.339 7 | 0.013 5 | 11.63 |
| 麻疯树加氢精制 | 0.018 0 | 0.283 3 | 0.017 4 | 22.66 |
| 大豆加氢精制 | 0.067 5 | 0.212 4 | 0.014 8 | 20.76 |
| 棕榈加氢精制 | 0.027 2 | 0.303 7 | 0.052 9 | 25.54 |
| 油菜籽加氢精制 | 0.035 3 | 0.288 2 | 0.016 0 | 22.34 |
| 亚麻荠加氢精制 | 0.020 9 | 0.261 2 | 0.024 7 | 19.96 |
表选项
图 3中对比了不同原料在燃料阶段能量消耗与化石能源消耗。石油因其炼制工艺成熟，在制备阶段石油能量消耗和化石能源消耗最少，消耗量仅为0.066 MJ/MJ和0.065 MJ/MJ。亚麻荠加氢精制航空替代燃料制备阶段能量消耗最高，达到1.11 MJ/MJ，是石油燃料阶段16.8倍。煤基费托合成工艺因其耗能，能量消耗仅低于亚麻荠为1.07 MJ/MJ。燃料阶段能量消耗(MJ/MJ)从多到少依次为：亚麻荠1.11 >煤1.07>大豆0.83 >能源藻0.75 >天然气0.64 >油菜籽0.57>棕榈0.41 >麻疯树0.408 >石油0.066。
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| 图 3 不同原料燃料阶段能量消耗与化石能源消耗 Fig. 3 Energy consumption and fossil fuel consumption ofdifferent feedstocks in fuel process |
| 图选项 |
同样以石油基航空燃料为参照，对比8种原料化石能源消耗与能量消耗，假设加氢工艺中的氢主要来源为天然气。其中，煤费托合成航空替代燃料阶段化石能源消耗为石油基航空燃料制备阶段的16.3倍。燃料阶段化石能源消耗从多到少依次为：煤>天然气>棕榈>能源藻>油菜籽>麻疯树>亚麻荠>大豆>石油。
对比9种原料在燃料阶段的温室气体排放，石油基排放最低，因为在燃料过程中石油精制工艺能耗最低，其他原料燃料阶段的碳排放相对于石油基航空燃料均有不同程度的增加，其中煤基费托合成因为其较低的能量效率，碳排放最高为114.71 g CO2e/MJ，是石油基的27.8倍。大豆加氢精制工艺碳排放是石油基的5倍。
2 航空替代燃料全生命周期评价 2.1 温室气体排放 全生命周期分析假设航空燃料最终用于单通道飞机。图 4为不同原料制备航空替代燃料并最终应用到飞机过程的全生命周期过程中温室气体排放的计算结果。以石油基航空燃料为基准，其中煤费托合成航空替代燃料全生命周期过程排放最高，排放量为198.75 g CO2e/MJ，是石油基航空燃料排放量的2.17倍。
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| 图 4 航空燃料全生命周期过程温室气体排放 Fig. 4 GHG emissions of aviation fuels during theirwhole life-cycles |
| 图选项 |
大豆加氢精制航空替代燃料全生命周期过程排放最少，排放量为32.17 g CO2e/MJ，仅为石油基航空燃料的35%，具有最优碳减排效果，能源藻加氢精制排放为34.0 g CO2e/MJ，仅为石油基航空燃料的37%。不同原料制备航空替代燃料全生命周期过程温室气体排放从高到低依次为：煤>天然气>石油>麻疯树>油菜籽>亚麻荠>棕榈>能源藻>大豆。
2.2 能量消耗和化石能源消耗 图 5对比了不同原料制备航空替代燃料全生命周期过程能量消耗与化石能源消耗的计算结果。能量消耗主要包含全生命周期过程中能量输入和非化石能源的物质输入(化肥、除草剂、杀虫剂)，非化石能源物质输入将物质全生命周期的能量消耗和碳排放嵌套到燃料的全生命周期计算过程中进行加和。以石油基航空燃料为参照进行对比，其他8种航空替代燃料能量消耗均高于传统石油，其中亚麻荠加氢精制航空替代燃料全生命周期过程中能量总消耗为最多，消耗量为2.3 MJ/MJ，是石油基航空燃料1.9倍。不同原料制备航空替代燃料全生命周期过程中能量总消耗从多到少依次为：亚麻荠>煤>能源藻>大豆>油菜籽>天然气>麻疯树>棕榈>石油。在全生命周期总能量消耗方面，由于石油基航空燃料制造工艺技术已经非常成熟，具有较低能量消耗。因此，除石油外的8种原料在制造工艺技术上具有较大改进空间。
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| 图 5 航空燃料全生命周期过程能量消耗与化石能源消耗 Fig. 5 Energy consumption and fossil fuel consumption ofaviation fuels during their whole life cycles |
| 图选项 |
以石油基航空燃料为参照，煤基和天然气基航空替代燃料全生命周期过程化石能源消耗均高于石油基，其中煤费托合成航空替代燃料化石能源消耗最多，消耗量为2.12 MJ/MJ，是石油基的1.75倍；大豆加氢精制航空替代燃料过程中化石能源消耗最少，消耗量为0.40 MJ/MJ，是石油基的33.1%。不同原料制备航空替代燃料全生命周期过程化石能源消耗从多到少依次为：煤>天然气>石油>麻疯树>油菜籽>亚麻荠>能源藻>棕榈>大豆。其中原料煤、天然气、石油化石能源消耗量高，主要原因源于原料来源于化石能源。在化石能源消耗方面，生物质航空替代燃料均低于传统航空燃料，具有明显优势。
2.3 水资源消耗 基于中国能耗基础数据的GREET模型航空燃料全生命周期过程水资源消耗计算结果见表 4。表中对不同原料制备航空替代燃料全生命周期过程中水资源消耗进行了对比。石油基航空燃料制备过程耗水量为81.04 gal/MJ (1 gal=3.79 L)，而其他8种原料制备航空替代燃料耗水量远远低于传统石油，仅为传统石油基航空燃料耗水量的0.02%~1.50%。因此在节约水资源方面，其他8种原料相比传统石油具有突出的优势。
表 4 航空燃料全生命周期过程水资源消耗 Table 4 Water consumption of aviation fuelsduring their whole life cycles
| 全生命周期阶段 | 耗水量/(gal·MJ-1) |
| 石油精制 | 81.04 |
| 煤费托合成 | 0.02 |
| 天然气费托合成 | 0.01 |
| 能源藻加氢精制 | 0.03 |
| 麻疯树加氢精制 | 0.05 |
| 大豆加氢精制 | 1.22 |
| 棕榈加氢精制 | 0.03 |
| 油菜籽加氢精制 | 0.05 |
| 亚麻荠加氢精制 | 0.04 |
表选项
2.4 PM10和PM2.5排放 PM10和PM2.5是当今中国环境污染雾霾中的主要成分，分别代表可吸入颗粒物指空气动力学当量直径小于等于10 μm的颗粒物和小于等于2.5 μm的颗粒物。定量研究其排放对改善雾霾污染具有重要意义。图 6为基于中国能耗基础数据的GREET模型不同原料来源全生命周期过程PM10和PM2.5排放情况计算结果。图中PM10排放量均大于PM2.5是因为PM10排放包含PM2.5的排放。
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| 图 6 航空燃料全生命周期过程PM10和PM2.5排放 Fig. 6 PM10 and PM2.5 emissions of aviation fuelsduring their whole life cycles |
| 图选项 |
以石油基航空燃料为参照进行对比，其全生命周期过程中PM10排放量为0.008 8 g/MJ，PM2.5排放量为0.007 6 g/MJ。麻疯树加氢精制航空替代燃料全生命周期过程中PM10和PM2.5排放量最大，因在种植过程中加入大量化肥，其分别为石油基的17倍和6.8倍。煤基费托合成航空替代燃料全生命周期过程中PM2.5排放量最低，为石油基航空燃料排放量的35.7%，PM10排放量为石油基航空燃料排放量的75.3%。能源藻基制备航空替代燃料全生命周期过程中PM10和PM2.5排放量分别为石油基航空燃料的71.4%和74.7%，大豆基为70%和67.5%。因此利用生物原料制备航空替代燃料在大气污染防治上具有优势。
3 结 论 本文运用生命周期评价方法，以传统石油基航空燃料为基准，分析未来8种航空燃料原料(煤、天然气、能源藻、麻疯树、大豆、棕榈、油菜籽、亚麻荠)的可持续性。生长(开采)、制备阶段的评价指标为能量、化石能源消耗，温室气体排放。全生命周期阶段的评价指标为能量、化石能源、水资源消耗、PM10和PM2.5排放以及温室气体排放。为选择未来航空替代燃料原料来源提供理论和技术基础。
1) 原料阶段能量生物基航空替代燃料的温室气体排放均为负值，主要是基于生物质在生长过程中的二氧化碳吸收。
2) 燃料阶段，生物质的能量消耗远高于化石能源消耗，消耗的部分能量来自于生物质生长过程中光合作用吸收的太阳能，这一部分能量转化为电能在系统内循环后降低了化石能源的消耗，使得生物质航空替代燃料的化石能源消耗和温室气体排放远低于化石原料制备的航空替代燃料。
3) 全生命周期阶段，相对化石来源制备的航空燃料，生物质航空替代燃料的化石能源消耗和温室气体排放均有不同程度的降低。其中能源藻和大豆的化石能源消耗和温室气体排放最少。
现阶段航空燃料面对的是能源安全和环境问题，从能源安全出发，我国有着煤多油少的储量现状，需要采用煤作为航空替代燃料的原料来源保证能源安全。从保护环境出发，大豆油和能源藻全生命周期温室气体排放最少，可以做为航空替代燃料的原料来源。作为食品油的大豆油大规模生产航空替代燃料时，必然会造成航空替代燃料与粮争地、与人争粮的尴尬状态，不占用耕地的能源藻具有可持续大规模制备航空替代燃料的应用前景。
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