上海交大张振东副教授在Nature Communications发表最新研究成果

上海交通大学中英国际低碳学院张振东副教授与南安普顿大学马来西亚分校伍卓汉副教授的最新研究表明，可再生航空燃料的生产面临着成本、能源、水资源和食物资源的限制。这项研究在国际知名期刊Nature Communications上发表，为航空业的可持续发展提供了重要的决策支持。 

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近日，上海交通大学中英国际低碳学院张振东副教授与南安普顿大学马来西亚分校伍卓汉副教授在国际知名期刊Nature Communications上发表了题为 “Limitations to sustainable renewable jet fuels production attributed to cost than energy-water-food resource availability”研究论文。该论文研究了可再生航空燃料生产对154个国家和地区的能源、水资源、食物资源和政策的潜在影响，为航空业可持续发展提供了决策依据。

【文章摘要】

由于其他低碳能源在航空业存在技术瓶颈，可再生航空燃料(RJF)目前被认为是航空业唯一的可持续能源解决方案，但是生产燃料和自然资源消耗间的固有矛盾，RJF的可持续性应用仍存在一定争议。本文创新性提出了可持续发展指数，综合考虑能源-水-粮食(EWF)关系和政策等四个领域的25个指标，衡量脂制航油、醇制航油和气制航油三种RJF生产方式对154个国家和地区的潜在影响，并利用综合指数对国家和地区进行影响排序。可持续发展指数模型为RJF在航空业未来可持续和公平发展方面提供了决策依据，以推动航空业未来低碳绿色长远发展目标。

【图文导读】

本文通过数据驱动的计量经济学分析，采用能源、水、食物和政策为核心的评价体系，对154个国家和地区进行了生物航油可持续指标评估和排序。进一步，从经济学角度分析了盈利价格点和总体资源限制关系，更全面地评估针对生物航油在航空业的可持续性，也为航空业进一步努力实现全球可持续发展目标提供重要的见解。

图1 全球生物航油的持续性指数排名;(绿色、橙色、黄色和红色分别代表四种不同的指数区间)

图1表示全球生物航油可持续性指数，每个国家和地区的可持续性指数得分是根据能源、水、食物和治理单独领域的排名汇总而成。芬兰在给定情境下以57.4的可持续性指数得分成为排名第一的国家。在排名前十的大多数其他国家都在2-3个可持续发展领域处于最佳四分之一，没有一个国家或地区在所有四个领域都表现出色，这说明难以平衡将有限的能量-水-食物资源用于新可持续航空的目标。此外，地区分布图上的颜色直观的反应各个洲之间可持续发展水平，其中欧洲由于粮食供应稳定和政府运作良好占据主导地位。对于个别领域，能源排名有利于土地面积较大的国家;水资源和经济活动密切相关;食品安全得分较高的通常是富裕国家，可以监管良好的商场;治理排名与世界银行划分的高收入国家具有紧密联系。

图2 化石航油消耗与盈利生物航油之间的关系;(B1、B10、B50分别代表1%、10%、50%的生物航油与化石航油混合曲线)

图2展示了154个国家和地区化石航油消耗与盈利生物航油之间的关系。传统航空燃料掺混航空燃料的百分比定义一个国家或者地区的能源可替代性。74%的国家和地区可以在有利的条件下最大限度地提高RJF与传统航油的混合水平，并从中获利。即使在少数几个最大的航空燃料消费国(或区域)，航空燃油掺混量很少能超过50%的RJF。即使在经济条件有利的情况下，也无法达到最高混合水平(位于红色对角线以下)。此外有38个国家(或区域)潜在替代能力仍小于50%。其中，大多数提高RJF产量能力有限的国家和地区都是土地面积小、农业产量有限的国家。

图3 混合比对缺水指数的影响;(图中四个长方形区域分别代表缺水系数和混合比的不同影响区间)

图3利用四象限图来评估RJF取代传统喷气燃料与水压力指数之间的平衡，可以观察到每个大陆都有国家或地区可以在不对水的使用造成严重影响的情况下发展其当地RJF工业。各大洲都有一些国家或地区有潜力在不造成水资源紧张的情况下(即第IV象限)，用更可持续的替代品完全取代化石燃料。18个欧洲国家在100%的航空燃料替代水平下预计会出现一定程度的水资源紧张(即象限I和II)。总的来说，大洋洲、美洲和非洲的国家或地区不太可能面临水安全压力。

图4 不同生产技术的生物航油盈利价格点;(绿色、蓝色和红色分别表示预计脂制航油(OTJ)、醇制航油(ETJ)和气制航油(GTJ))

图4显示不同生产技术的生物航油盈利价格点，其中OTJ、ETJ和GTJ系列生产方法的区别最大，对原料和生物质质量的要求也截然不同。OTJ方法允许生物航油生产商在不同的原油价格-生产成本组合(如图4所示)下实现盈利，但OTJ最终将面临原料供应的限制。对于ETJ方法制备生物航油，在目前的原油市场价格下，难以获得政府补助，并不具有经济可行性。GTJ方法具有最大的原料可行性，比OTJ和ETJ高一个数量级。在目前的原油价格下，即使在较低的政府补助情况下仍具有经济可行性。但是存在技术成熟度低的问题，即主要的费托合成法在大规模生产中产率仍然较低。

图5 潜在盈利的可再生生物航油生产的限制因素

图5分析潜在盈利的可再生生物航油生产的限制因素，寻找航空燃料工业的资源关系需求和经济之间的微妙平衡。其中五个限制因素主要是能源多样性、水压力、食品压力、原料可用性和原油价格。限制因素对于原油价格并没有表现出敏感性，相反，它们几乎完全受到政府补贴的影响。然而，即使提供“部分补贴”，随着盈利条件改善，主要是能量-水-食物关系类型的限制因素也会浮出水面。这可能会导致RJF成为其自身成功的牺牲品，即大量RJF将进入80个国家和地区的航空部门，从而引发对燃料来源缺乏多样性的担忧。在所有的情况下，水压力都不太可能成为限制因素。

图6 可再生航空燃料生产与可持续发展目标的相关性

如图6所示，可持续发展目标映射了RJF生产与社会和自然资源可持续性之间的关系。生产可持续和负担得起的RJF与目标7直接相关，这是可持续发展更大范围内产生溢出效应的基础。RJF生产最直接的影响是能源多样性、水和食物，它们分别与目标8、6和1密切相关。RJF行业的发展将创造就业机会，促进经济增长。与此同时，RJF的使用有效的减少温室气体的排放，对气候变化做出积极贡献。在“后疫情时代”，为实现碳中和的长期目标，预计对RJF的需求将激增。可持续的RJF与环境和社会经济方面结合起来，是确保长期可持续发展的关键。

数据驱动的计量经济学分析证实了将传统燃料-RJF混合燃料作为航空业实际燃料的可行性和合理性。使用由25个指标组成的RJF可持续发展指数，将全面跟踪公平的社会经济发展指标，补充实现更普遍的专门适用于航空业的可持续发展目标。同时，这些研究结果展示了未来生物航油发展的影响因素，为未来全球范围内生物航油的发展提供了参考。

【作者介绍】

张振东，英国剑桥大学工程博士，上海交通大学中英国际低碳学院副教授，国家海外高层次人才(青年)。

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