更蔚藍的天空─生質航空燃油

 
2018/11/13 洪正宗 | 成功大學化學工程學系
莊浩宇 | 台灣中油公司綠能科技研究所     112
航空業者對二氧化碳溫室氣體減量的努力,不遑多讓於平面交通業者。使用混合生質油料的石化航空燃油是必經之路,由原料選擇、轉化技術開發、規範制定直到飛航測試,目前已建立完整體系,但在經濟效益上仍有改善空間。

 

飛航溫室氣體的排放量

 

航空業是一個複雜且龐大的系統。目前全世界1,402家商業航空公司每天約有10萬次的飛航,共輸送旅客約1,000萬人次,消耗約55萬噸的航空燃料,並產生約170萬公噸二氧化碳。也就是說,每年產生約6億至6億5千萬噸的二氧化碳溫室氣體,占全球二氧化碳排放量約2%。但具有這麼多二氧化碳排放量的航空業,每年對全球經濟有2.7兆美金的效益,對全球GDP也有3.5%的貢獻。

 

美國波音公司預測全世界民用航空業每年約有4.8%的成長。如果不做任何改善,至2020年全球飛航二氧化碳的年排放量約有8億公噸,2030年約有12億公噸,至2050年約有27億公噸,將超過全球二氧化碳排放量的3%。

 

飛航溫室氣體排放改善

 

國際航空運輸協會了解需要因應氣候變化的挑戰,因此採取了雄心勃勃的3大目標來緩和航空運輸帶來的二氧化碳排放。這3大目標是:從2009年到2020年,飛航的燃油效率平均每年提高1.5%;由2020年開始訂定淨航空二氧化碳排放量上限,使得二氧化碳排放是碳中性增長;相對於2005年的水平,到2050年淨航空二氧化碳排放量減少50%。

為減少二氧化碳排放,航空業者規劃在2010至2020年間進行飛行工具技術改善,如飛機減重、改善引擎效率,要使每架新一代飛機的平均燃油效率比它所替代的型號多20%等,例如波音787客機引擎的二氧化碳排放量就比同類引擎少20%。因此未來十年航空公司將投資1.3萬億美元用於購買新飛機。以上改善占總減量的80%。其次是飛行作業操作改善,以及進行更高效的飛機營運基礎設施改進,如飛機上的照明設備、機場客運大樓內的照明燈具、現代化的空中交通管理系統等,占總減量的20%。

 

預計在2020至2050年間除了上述兩種措施各占總減量40%及10%外,其餘50%二氧化碳減量則必須靠使用替代永續性燃料。為落實航空業者二氧化碳減排,2016年國際民航組織大會通過了一項全球國際航空碳抵銷和減排計畫。2019年開始利用二氧化碳估計報告工具系統計算各國的飛航排放,2020年訂定各國排放基準。2021~2023年試行階段是自願參加,2024~2026年第一階段實施也是自願參加,但到2027~2035年第二階段則是強迫參加計畫。

 

在國際航空碳抵銷和減排計畫下,2021年起要求飛機運營商在超過2020年二氧化碳排放量的部分,必須在碳市場購買或抵銷交易,使得2020年以後的二氧化碳排放是碳中性增長。

 

航空燃油的特性

 

一架民航飛機的重量,機身、油料及載重約各占1∕3。一架747- 400的機身約重179公噸,油箱容量217公秉,可滿載油量約173公噸,航行約1萬3千公里,產生二氧化碳547公噸。噴射式飛機用的燃油,通稱為「航空燃油」。航空燃油以航空煤油為主,含碳十至碳十六的烷烴(正、異、環)75~85%、芳香烴<25%、烯烴<5%等碳氫化合物,沸點是蒸餾出10%最高攝氏205度,終沸點最高攝氏300度,總硫化物%m∕m最高0.30,硫醇%m∕m最高0.0030。

 

Jet A航空煤油自1950年代就成為美國的標準航空煤油類型,它的凝固點是攝氏零下40度。Jet A-1是目前世界民航業的主要用油,凝固點是攝氏零下47度。這兩種航空油的閃火點都高於攝氏38度,能滿足寒冷低溫地區和高空飛行對油品流動性的要求。可另外加入抗凍劑,使凝固點更低,以及加入抗氧化劑、抗靜電劑、腐蝕抑制劑、抗菌劑等,以確保長時間輸儲油品的品質穩定及安全。這是美國材料試驗協會(ASTM)發布的D-1655規範。

 

傳統航空煤油由石油提煉而來,經蒸餾工場分餾取出該沸點的粗煤油,再經脫硫、除水、除色等步驟改善油品。最後再加入添加劑,檢驗合格後送至航空站待加油時使用。

 

生質航空燃油的原料來源

 

石化航空燃油成分是碳氫化合物。為減少二氧化碳排放,大型飛機無法像汽、柴油車使用氫能燃料電池,或使用壓縮的天然氣,唯一可改善的只有轉化為生質航空燃油,把石化碳氫化合物改為可再生的生質碳氫化合物。生質航空燃油是生質燃料的一種,它的原料已發展到第四代。

第一代生質燃料取自於澱粉、醣類、植物油和動物油脂,由於有與人爭糧的問題,已不再發展。第二代生質燃料是非糧食作物,以麥稈等農林廢棄物為主的生質原料,經過預處理、酶降解和糖化、發酵等步驟製成生質燃料,對環境的衝擊小且不與人爭糧;或使用非食用的油脂作物如痲瘋樹、蓖麻、動物油脂、廢食用油,以及事業廢棄物如廢紙、廢木頭家具、都市垃圾等。第二代生質燃料是目前生質航空燃油的主要來源。

 

第三代生質燃料則利用非耕地原料,例如微藻。藻類具有分布廣泛、油脂含量高、環境適應能力強、生長周期短、產量高等優點。藻類光合作用可大量吸收二氧化碳合成生質燃料,因此又稱作負碳生質燃料,但要商業化大量生產尚需一段時間。第四代生質燃料是利用基因工程技術的生質能源,不需料源,以基因重組的細菌直接利用空氣中的二氧化碳轉換成燃料,但這類技術仍屬研究階段。

 

生質航空燃油的種類

 

生質航空燃油的技術認證,主要由美國材料試驗協會在美國商業航空代用燃料倡議和美國空軍的大力支持下所領導。對生質航空燃油四項要求是:滿足燃油性能要求、不需要更換飛機或發動機、不需要更換基礎設施、可與Jet-A燃油混合或交替使用。

2009年美國材料試驗協會批准了由氣化碳氫化合物的費托製程(FT, Fischer-Tropsch process)生產的燃料FT-SPK(synthetic paraffinic kerosene)或FT-SPA(synthetic paraffinic kerosene with aromatics)。它們是適用於商業航班的首款航空燃油,與石化航空燃油混合比率可高達50%。

2011年,美國材料與試驗協會批准了使用植物油和動物脂肪的氫化脂肪酯和脂肪酸的HEFA(hydro-processed esters and fatty acids)製程,這燃料稱為HEFA-SPK,它與石化航空燃油混合比率也可高達50%。這燃料的成分與石化航空燃油類似,因此作為航空燃油的可用性高,吸引了許多商業航班飛航測試。2014年,美國材料試驗協會批准了加氫處理發酵糖合成異構石蠟(synthesized iso-paraffins from hydroprocessed fermented sugars, SIP)製程技術,其油料稱為SIP航空油料。這技術也稱為直接糖轉化為碳氫化合物(direct sugar to hydrocarbons, DSHC)技術,因此製成的燃料稱為DSHC航空燃油,只是它與石化航空燃油混合比率僅可達10%。2015年獲得美國材料試驗協會認證的是酒精至噴射燃油(alcohol to jet, ATJ)技術,其燃料稱為ATJ-SPK,它與石化航空燃油混合比率可達30%。

 

以上4種技術的產品指南是ASTM D-7566「航空渦輪燃料含有合成碳氫化合物標準規範」。它們添加劑的使用者指南則是ASTM D-4054「新航空渦輪機燃料和燃料添加劑標準操作規範和合格審查」。

 

利用生質航空燃油的飛航

 

示範航班 獲得美國材料試驗協會認證第一種替代航空燃料之前,許多航空公司已經開展了示範航班飛行。第一次飛行是2008年2月,英國一架波音747飛機從倫敦飛往阿姆斯特丹,用椰子油和巴西棕櫚油製成的20%混合生質燃料供應其中一具引擎。在2011年7月之前共進行了9次使用各種植物油製成的生質燃料的示範航班,包括其中3次飛行使用費托氣體液化製程的航空油品,展示了燃料的性能和安全性。

 

2008至2011年間,DA42輕型飛機採用100%的生質航空燃油進行了飛行測試,沒有發現安全問題。美國空軍與海軍分別在C17大型運輸機、A10雷電攻擊機、大黃蜂F/A-18攻擊機、F-16及F-35戰鬥機上使用50%生質航空燃油調和石化航空燃油進行了飛行測試,表現出良好的安全性,有助於驗證替代航空燃油的可行性。

 

商用航班 在2011年7月HEFA-SPK批准後,商用航班得以迅速發展,證明使用替代燃料的安全性和無害性,並展現航空公司的興趣和參與決心。許多航空公司在這段時間內實現了一系列定期航班,至2012年6月已有超過1,500個航班使用生質航空燃油。

2011年至2015年間,共有22家航空公司在運營2,500萬名商業乘客飛行中混合了來自廢食用油、都市廢棄物、森林廢棄物、麻瘋樹、藻類和甘蔗所製,第二代及第三代與石化航空燃油混合比率高達50%的生質航空燃油。至2016年7月,已有超過2萬5千次生質航空燃油飛行。至2017年11月有10萬次航班,預估至2020年將有100萬次航班,至2025年將有數十億乘客乘坐混有生質航空燃油的飛行。航空業都在努力使用可持續燃料的生質航空燃油,減少排放以達碳中性增長。

 

生質航空燃油存在的困難

 

目前商用航班得以使用生質航空燃油降低二氧化碳排放,是許多機構及團體的努力,包括生質原料的生產商及收集商、原料轉化為油料的公司及煉油廠、油品供應商、飛機製造商、航空公司、機場、油品認證機構、航空運輸協會、民航組織、政府單位等,但仍有下列事項需克服。

 

原料來源不穩定 生質航空燃油現在主要以木本植物油料作物和廢食用油為原料生產。尋找木本原料合適的種植地區及不與糧爭地,是開發木本植物油料考慮的首要問題。廢食用油由於來源分散、還要經過提煉,加上原料還能應用於諸多其他領域,因此發展受限比較多。

 

生產製程技術需改進 目前較成熟的技術是原料油進行加氫去氧和異構化,但深度加氫會造成芳香烴含量過低,而且燃料中殘存少量的脂肪酸酯類等非烴類化合物,會使航空燃料凝固點升高,運輸和儲存穩定性因而變差。費托合成的航空生質燃料雖然在組成、物理化學性質等方面與傳統石油基航空煤油相似,但是由於油料幾乎不含硫以及芳香烴,其潤滑性能較差。

 

生產成本較高 生質航空煤油目前的價格至少是石化航空煤油的2~3倍左右。直接成本是原料的購買、運輸,以及轉化或提煉為油品;間接成本是所有的處理過程造成新的汙染源,如排放二氧化碳和其他汙染物及剩餘物處理等。

 

發展中的生質航空燃油技術

 

波音公司認為生質柴油目前已大量使用,它們的成本較生質航空燃油低,建議使用石化航空燃油混合低比率(約10%)的綠色柴油(也稱作可再生柴油)為飛航燃料。綠色柴油是指生物性油脂經過加氫飽和、裂解、脫碳酸基、去羧基、加氫脫氧、輕微異構化等反應的產品,生產技術與HEFA-SPK相同。波音公司曾與美國NASA和一家集團合作,成功完成波音757環保驗證機使用混合5%的可持續綠色柴油為航空燃油的飛航試驗。

 

純粹是碳氫化合物生質物的「水相催化合成生質燃料技術」,雖然尚處於試驗工場研究階段,但由於木質纖維素原料如稻稈、玉米秸稈來源廣泛、製程條件緩和、產品分布靈活可控,具有作為生質航空燃油的商業發展性。