废弃物制航空燃料：是时候起飞了吗？

随着环境、社会和治理（ESG）方面的关注与压力日益增加，废弃物转化为航空燃料（waste-to-jet fuel）成为废弃物技术如何契合航空业“绿色”雄心、同时为城市固体废弃物（MSW）寻找处置出路的最新例证之一。

在内华达州里诺市郊，Fulcrum BioEnergy新建的Sierra biorefinery预计每年可从17.5万吨MSW中生产1100万加仑合成原油（syncrude）。该合成原油将进一步精炼为可持续航空燃料（SAF）。

Fulcrum是多家排队生产SAF的公司之一，全球航空业正在寻找比传统航空燃料更环保的替代品。国际航空运输占全球航空燃料使用量的65%，据国际民用航空组织（ICAO）预测，到2035年航空二氧化碳排放量将增至11亿至15亿公吨。去年年底，联合国为此制定了SAF标准。

达拉斯/沃斯堡国际机场近期开始试点使用由废弃食用油制成的SAF；法航一架从巴黎飞往蒙特利尔的航班使用了16%的SAF与传统航空燃料混合；IAG（旗下拥有西南航空和英国航空）近期同意从密西西比州一家生物精炼厂购买近3亿加仑SAF；西雅图港也在探索潜在的MSW-to-SAF项目。

尽管如此，关于原料采购、转化技术的环境影响、规模及资金的持续讨论，最终都指向一个未解问题：废弃物制航空燃料是否真正是传统燃料的可持续替代品？

内华达州的新工厂

经过十年的期待，Fulcrum于2021年年中完成了其Sierra生物精炼厂的建设。该公司与WM和Waste Connections签订了MSW供应合同，废弃物首先由25吨牵引拖车运往15英里外的Fulcrum加工设施。可用的废弃物（包括纺织品、木材、纸张、残余塑料和包装材料）被分离并按尺寸处理，Fulcrum行政副总裁Richard Barraza将其描述为“约一英寸大小、看起来像五彩纸屑的蓬松材料”。随后，这些材料被运往Sierra生物精炼厂。约一半送达的MSW不可用，会被填埋或运往回收中心。

Barraza表示，Fulcrum的废弃物分拣厂已运营三年，生物精炼厂预计将于2022年第二季度生产首批合成原油。该公司已与国泰航空、联合航空、马拉松石油、BP和世界燃料服务公司签订了产品承购协议。

生物精炼厂分为三个阶段：气化单元、气体净化区和费托合成过程。处理后的废弃物进入气化炉，利用压力、蒸汽和高温将其分解为合成气，即“主要含一氧化碳和氢气的简单分子”，Barraza解释道。合成气在第二步中净化，第三步是费托合成催化剂反应，生成合成原油，随后由马拉松石油精炼。Barraza拒绝透露后一步的具体地点。

Fulcrum并非唯一试图从废弃物中获利并制成SAF的公司。在英国，燃料技术公司Velocys的子公司Altalto Immingham计划建设一座工厂，每年将50万吨MSW和商业废弃物通过费托合成催化剂工艺转化为SAF。该工厂与壳牌合作，每年将生产6000万升SAF（主要为合成石蜡煤油）以及“道路燃料”。

航空燃料具有高质量标准，目前由ASTM International制定。目前，商业航空允许SAF与传统燃料混合比例最高为50%，尽管美国的SAF法规较为复杂。

“我们非常有信心，当Sierra项目今年开始生产燃料时，它将满足航空业要求的规格，”Barraza说，“我们已在测试设施中证明了这一点。”

根据方法不同，一些估计显示，由废弃物制成的柴油和航空燃料的温室气体排放生命周期比传统燃料低约三分之一至一半，据《环境科学与技术》期刊的研究。

“固有缺陷”

尽管SAF领域持续吸引投资和关注，一些研究者对其潜力远不那么乐观。独立研究员Andrew Rollinson解释说，废弃物制燃料技术通常试图创建热解过程以制造可用化学品，但他在《资源、保护与回收》期刊上发表的研究详细指出了废弃物能源热解的问题，并称这一想法“固有缺陷”。该过程仍使用大量高能燃料（如柴油或天然气，Fulcrum的过程使用天然气）来外部加热系统，因为这些系统无法自维持。

“这绝不应被视为绿色，因为这是一个耗能过程，而且无法用可再生能源使其运作，”Rollinson说。

混合废弃物的一个问题是其高度多样性，他说。结果将是“肮脏的黑色液体”，需要大量能源进行净化。虽然费托合成是成熟工艺，但它需要非常干净的气体才能运作。“这是从气化中获得那种质量气体的瓶颈，”Rollinson说，“据我的经验，这从未实现过。我也不乐观它会实现。”

此外，废弃物制燃料的反对者认为，关注和资源应转向更广泛的交通系统转型。“如果你把塑料或城市废弃物变回燃料，那么你就在我们拼命摆脱化石燃料的时候创造了另一个化石燃料来源，”全球焚化炉替代联盟（GAIA）科学与政策主任Neil Tangri说。该非营利组织最近发布了一份关于MSW制航空燃料的报告，Rollinson是作者。

Tangri认为，航空脱碳需要类似电动汽车发展那样的巨大技术转型，而航空业却在寻找能利用现有系统并声称环保的燃料。“他们只想继续一切照旧，”Tangri说。

废弃物制燃料的挑战包括反应器设计、改进催化剂的需求以及更多催化剂添加剂研究。“需要进一步发展气化技术以转化未经处理的残余废弃物，并开发新催化剂以提高对航空燃料烃类的选择性，”2020年在《生物资源技术》发表论文的研究人员表示。

Fulcrum已为其技术申请多项专利，但拒绝讨论其工艺细节或生产成本。虽然航空燃料确实产生排放，但研究表明，该行业大部分环境损害并非来自燃料，而是相关污染。其他研究指出，氮氧化物、二氧化碳和凝结尾迹占航空环境影响的97%。

麻省理工学院化学工程教授Kristala Prather表示，乐观估计，大多数现有废弃物转化技术需要20至30年才能充分改进并实现商业可行性和与传统燃料的竞争力。原油的优势在于非常一致，因此不需要不同的精炼工艺。但废弃物作为原料的变异性需要一种“不可知论”的工艺，因为它必须处理各种输入。“输入更加多样，你必须了解你的工艺能容忍多大程度的多样性，”Prather说。

未来展望

与世界其他政府一样，拜登政府的航空可持续发展计划包括SAF。投资者正在排队。“全球正日益推动工业经济高优先级部门的脱碳——交通和电力部门是最高优先级，”Oppenheimer & Co.高级研究分析师Noah Kaye说，他看到废弃物公司参与循环经济的机会日益增多。“废弃物公司正在寻找比现有市场更高价值的市场。”

这一兴趣的一个迹象是，多家传统燃料公司正在投资SAF。BP是Fulcrum的股权合作伙伴，投资3000万美元——相比之下，BP 2021年利润近75.7亿美元。BP还投资了太阳能等各种替代能源项目，并提升其ESG信誉——尽管并非所有人都对石油行业的努力信服。这家石化巨头多年来一直宣传Sierra项目，在2017年和2019年发布Fulcrum的推广片段，甚至在首个生物精炼厂建成之前。BP拒绝就其对Fulcrum的投资置评。

Prather表示，任何替代燃料技术要成功，必须稳健、一致且成本效益高。一些SAF的估计中位价格在每升0.99至1.78美元之间，而航空燃料约为每升0.71美元（价格持续波动）。SAF需要与传统燃料和石油成本竞争，还要与未来能源竞争，Prather说。此外，法规和监管成本也必须计入。“与任何替代燃料相关的大问题在于，无论你在哪个国家运营，监管政策将是什么，以及这是否有利于你生产出比从地下抽取石油更具成本效益的产品，”她说。

在这些更广泛的问题中，Fulcrum仍是少数可评估的活跃案例。咨询公司Gershman, Brickner & Bratton (GBB)总裁Steve Simmons认为Fulcrum的计划是合理的。“这是一个可靠的固体废弃物管理选项，”他说，同时警告像Fulcrum这样的设施建设成本极高。“这导致开发和融资困难，因为可能需要巨额资本。”

Fulcrum的工厂开发历时10年。2011年，Fulcrum申请首次公开募股，后于2012年撤回。2014年，奥巴马政府向Fulcrum提供了1.05亿美元贷款担保以帮助建设其工厂，并宣布与包括Fulcrum在内的三家生物精炼厂签署公私合作伙伴关系。Fulcrum的部分资金还来自内华达州免税市政债券，由摩根士丹利承销。其他投资来自SK（韩国最大企业之一的子公司）、风险投资公司Rustic Canyon Partners和WM。

由于资本投资要求，Simmons表示他目前预计不会有更多MSW转化为运输燃料。“这处于成本规模的高端，项目困难，因为它们规模太大，需要规模才能降低成本。”

Fulcrum的Barraza表示，公司未来大多数生物精炼厂将比Sierra设施大三倍，每年生产3300万至3500万加仑合成原油。下一个地点将在印第安纳州加里，建设计划于2022年底或2023年初开始。Fulcrum去年12月宣布融资，包括来自印第安纳州的3.75亿美元收入债券形式的临时融资。第三个将在德克萨斯州或路易斯安那州，他说，公司还在规划英国曼彻斯特机场附近的一个设施。

另一个因素是社区和市场需求。加里的一些居民对在湖畔建设生物精炼厂以及每天约100辆废弃物卡车进出运送处理过的原料并不太高兴。Simmons表示，填埋可能永远是最便宜的选择，因此替代方案归结为社区是否愿意为可能被视为更环保的废弃物处置选项支付更多费用。“我认为答案是肯定的，”他说，“那么后续问题是，多付多少或更好的保护程度如何？我们看到社区一直在为此挣扎。”

麻省理工学院的Prather表示，其中一些废弃物制燃料技术可能无法提供长期足够的环境可持续性，虽然过渡技术在摆脱化石燃料方面有其位置，但并不总能证明投资合理。“我认为这是我们试图进行能源转型时越来越需要面对的问题之一，”她说，“如何识别那些比现状更好但还不够好的东西？然后问题变成你能投入多少？因为如果你很快又需要做得更好，那么对技术的投资就不是一个很好的提议。”

与此同时，由于知识产权限制，该领域有点盲目飞行——许多拥有技术的生物燃料公司（如Fulcrum）是私营的，GAIA的Tangri说。“这些都是专有的，这些公司都没有披露真实数据，”他说，“投入了多少能源？碳足迹是多少？排放量是多少？废品是什么？产量如何？这些是我们做出理性决定所需的关键数据，以判断这些燃料的好坏。”

在更多公开信息可用之前，将MSW转化为航空燃料的真正潜力——如果存在的话——仍然模糊不清。