Life Cycle Assessment of Waste Oil-to-Jet Fuel Production via the HEFA Process with Integrated Co-generation

技术摘要：集成热电联产工艺下废弃油脂制生物航空燃料（HEFA工艺）的生命周期评估

问题陈述
通过加氢处理酯类和脂肪酸（HEFA）工艺利用废弃油脂生产可持续航空燃料（SAF）目前面临着依赖外部电力和氢气的挑战，这可能会削弱其整体环境可持续性。随着全球能源部门向脱碳转型，迫切需要定量评估集成热电联产（co-generation）以及替代氢源如何影响 SAF 生产的生命周期环境表现。本研究旨在解决在理解传统 HEFA 路径与集成 HEFA-PG（动力与燃气）系统在未来能源转型情景下的权衡关系方面的空白，特别是在中国不断演变的电力网格和氢生产格局背景下。

研究方法
本研究遵循 ISO 14040 标准，采用从摇篮到坟墓（Cradle-to-Grave）的生命周期评估（LCA）。功能单位定义为生产 100 吨生物航空燃料。

• 系统边界： 分析涵盖了废弃油脂的收集与运输、预处理、生产（加氢和加氢精制）、分配及最终使用。研究模拟了两种路径：传统的 HEFA 工艺和集成了热电联产（CHP）单元的 HEFA-PG 工艺。
• 模拟与数据： 利用 Aspen Plus 进行过程模拟，以确定物质和能量流。生命周期清单（LCI）数据基于这些模拟结果以及京津冀地区的区域参数进行编制。
• 影响评估： 采用 ReCiPe 2016 方法评估六个中点指标（全球变暖潜势 [GWP]、颗粒物形成潜势 [PMFP]、陆地酸化潜势 [TAP]、淡水富营养化潜势 [FEP]、人类毒性潜势 [HTP] 和化石燃料消耗潜势 [FFP]）以及三个终点指标（资源可用性、生态多样性和人类健康）。
• 分配与情景： 对传统 HEFA 工艺中的副产物采用了基于质量的分配法；而 HEFA-PG 工艺则对内部产生的电力采用了避免负担法（avoided burden approach）。此外，还进行了敏感性分析，以预测在电力网格脱碳情景（2030–2060年）下的环境表现，并对比了天然气重整氢与风电电解氢。

主要贡献与结果
本研究对传统 HEFA、集成 HEFA-PG 以及化石基航空煤油的环境负担进行了对比分析。

1. HEFA-PG 与传统 HEFA 的性能对比：

   • HEFA-PG 工艺展现出比传统 HEFA 路径显著的环境优势。通过产生内部绿色电力，HEFA-PG 系统实现的净 GWP 降至约为传统 HEFA 基准值的 66%。
   • 集成热电联产阶段为 FEP、HTP 和 FFP 指标提供了约 35% 的抵消效应。
   • 在臭氧形成方面，HEFA-PG 工艺将贡献率从传统 HEFA 的 80% 降低至约 10%，显著减轻了地面臭氧的形成。

2. 与化石航空煤油的比较：

   • 两种生物航空燃料路径在环境表现上均远优于化石航空煤油。HEFA 和 HEFA-PG 路径的 GWP 分别降至化石基准值的 13.3% 和 7.2%。
   • HEFA-PG 路径在包括 TAP 和 PMFP 在内的所有类别中均表现出最低的环境负担，其次是 HEFA，化石燃料最高。

3. 电力网格脱碳的影响（2030–2060年）：

   • 随着电网变得更加清洁，由于购买电力的碳强度降低，传统 HEFA 工艺的 GWP 逐渐下降。
   • 相反，HEFA-PG 工艺的 GWP 优势会随时间推移而减弱。随着电网脱碳，通过替代电网电力的碳信用收益减少，导致 HEFA-PG 的 GWP 在 2060 年左右最终超过传统 HEFA。
   • 然而，HEFA-PG 工艺在 POFP 方面保持了稳健的优势（减幅 >80%），并且在 HTP 方面对电网变化不那么敏感，因为其毒性负担集中在原料物流和氢生产环节，而非发电环节。

4. 绿氢替代：

   • 用风电电解氢替代天然气重整氢可进一步降低两种路径的 GWP。
   • 关键权衡： 尽管具有碳减排效益，但电解氢导致的 HTP 比天然气重整高出四倍以上。这一增加主要归因于风电设备制造过程中产生的场外硫化物尾矿所带来的环境负荷。
   • 在当前技术条件下，天然气重整氢在 HEFA-PG 系统内呈现出更优的综合环境表现。电解氢的毒性缺陷只能通过更清洁的风电设备制造或优化副产物的环境负担分配来缓解。

意义与主张
本文主张，HEFA-PG 工艺是中短期能源转型的极佳设计，通过共生电力提供了实质性的减排效益。然而，研究强调，该集成系统的长期环境优越性取决于电力网格脱碳的速度。

此外，研究强调了“绿色”氢能应用中的一个关键细微差别：虽然风电电解减少了碳足迹，但可能因上游制造影响而不经意间增加了人类毒性风险。因此，作者断言，在当前技术约束下，天然气重整仍是 SAF 生产中环境平衡度更高的氢源。研究指出，原料收集/运输和氢生产是核心环境热点，这表明未来的改进必须聚焦于更清洁的风电设备制造以及优化的副产物分配策略，以充分实现绿氢在 SAF 领域的潜力。