生質航空燃油的發展與規範

作者/林威廷,工業技術研究院綠能所副研究員、萬皓鵬,工業技術研究院綠能所正研究員、蘇乾元,工業技術研究院綠能所研究員、郭彥廷,工業技術研究院綠能所研究員

自從萊特兄弟於1903年的「飛行者」試飛成功以來,飛機已經成為現今人類社會中不可或缺的交通工具,然而蓬勃的飛航運輸亦消耗大量的化石燃料,可能使現已逐漸惡化的溫室效應更加嚴重。

以2015年為例,全球航空業光是主要燃料Jet A-1燃油,全年共消耗了15億桶、碳排量7.8億公噸,約占全球總碳排量的2%。為減少航空業的碳排放對環境的衝擊,近10年來各國已有許多民間及軍方機構著手進行生質航空燃油的相關研發,希望部分或完全取代自化石燃料的消耗,目前已有部分航線的民航客機測試實際使用生質航空燃油以進行整體應用評估。本文主要介紹生質航空燃油的發展歷史,以及整理現有的燃油生產規範及相關技術之現況,提供相關領域研究者做為未來研究方向之參考。



生質航空燃油的歷史
生質航空燃油的歷史最早可追溯至二次大戰期間,英國、德國及日本等國因戰爭缺乏石油供給,故改採費托製程(Fischer-Tropsch Process)從煤炭合成汽油,或是利用馬鈴薯或穀物等生質物醱酵生質酒精與汽油混摻,以維持戰機燃料的需求。日本在1944年於臺灣新竹興建的「海軍第六燃料廠新竹支廠」,就是以天然氣合成或糖蜜醱酵生產丁醇,再經由觸媒及加氫程序生產航空燃料異辛烷,為臺灣生質燃料發展之始。

1939年德國飛機製造商亨克爾(Heinkel)研發出人類史上第一架成功試飛的渦輪噴射機,型號命名為He 178,讓噴射引擎逐漸成為航空業的主流核心。噴射引擎的航空燃油需求與活塞引擎需求不同,活塞引擎使用低閃火點的航空汽油以利點火,所謂閃火點指可燃性物質揮發後發生閃爍起火的溫度。而噴射引擎的航空燃油需有高閃火點與高熱值特性,所謂熱值指物質燃燒為穩定氧化物所釋放的能量。煤油類(Kerosene)或石腦油類(Naphtha)的特性可符合噴射引擎需求,提供足夠的能量密度及維持運輸時的安全性。1959年美國材料試驗協會 (ASTM)訂定ASTM D1655規範,提供現今主流的純煤油噴射燃料Jet A-1的規格標準(表一),目前全球大多參考ASTM D1655訂定噴射燃料的規範做為生產Jet A-1燃料的標準,包括我國經濟部標準檢驗局的CNS 2558。

21世紀初,全球暖化與能源永續成為各國關注的環保議題,除了全世界開始有課徵碳稅的呼聲,燃料成本占航空公司的營運成本比例也隨著石油價格不斷攀高。譬如1990年代僅10~15%,到2014年已攀升到30%,基於能源價格波動及永續發展的考量,使得生質航空燃油的研究成為熱潮,各國的民航機和軍方戰機開始測試在燃料中混摻生質航空燃油,希望減少石油依賴性外亦有減少碳排的優勢。

2007年綠色飛行國際公司(Green Flight International)在美國雷諾史提德機場,首次以100% 生質燃料試飛Aero L-29 Delfín 型飛機(如圖二),成為生質燃料應用於航空燃料的里程碑。2008~2010年間,維珍航空、紐西蘭航空、美國大陸航空及日本航空等民航業者,陸續以波音737或747客機加入混摻20~50 vol.%生質燃料的Jet A或Jet A-1試飛,料源包含椰子油、痲瘋樹油、亞麻油及藻油等生質物,在2012年加拿大航空完成的Dassault Falcon 20飛行測試甚至使用100%生質航空燃油。在這些試飛紀錄中,結果顯示添加生質航空燃油的引擎無須先進行特殊改造,飛行性能亦無受到嚴重影響,且排氣較現有的化石燃料乾淨,其中微粒和黑碳排放量更分別減少25%和49%。

2010年起各國軍方亦開始試用生質航空燃油於航空兵器上,如美國海軍首先以F/A-18黃蜂式戰鬥攻擊機加入混摻50 vol.%生質燃料的JP-5,荷蘭皇家空軍亦於同年測試AH-64阿帕契直升機燃料中混摻50 vol.%之生質燃料進行飛行測試。

基於上述試飛結果的良好性能表現結果,2011年起生質航空燃油開始有實際應用於各國的商業航班。2011年6月,荷蘭皇家航空為全球首家以混摻50 vol.%生質燃料之航班運輸乘客的航空公司,當時的波音737客機上搭載171名旅客從阿姆斯特丹飛往巴黎。2011年11月,墨西哥國際航空為首家以混摻生質燃料的波音777客機橫跨大西洋,乘載旅客從墨西哥城飛往馬德里。目前商業航班使用的生質航空燃油混摻比例為40~50 vol.%,雖然測試已證明民航客機能以生質航空燃油完全替代Jet A-1,但截至2016年為止尚無商業航班實際使用100%生質航空燃油的消息。

生質航空燃油的規範
有關生質航空燃油與合成航空燃料的產品規格,是從2008年開始陸續訂定相關的新燃料規範,使其成為可添加於飛行器的航空燃料。最早取得認可的是南非Sasol公司以煤炭為原料,經費托製程 (以含CO及H2之合成氣催化產製液態烴的技術)合成的異構烷航空煤油(Isoparaffinic Kerosene, IPK),美國材料試驗協會於2008年經Committee D02會議後,認可Sasol的合成燃油可100%完全替代傳統自石油生產的航空燃油,並符合ASTM D1655之規範。

2009年,美國材料試驗協會發布ASTM D7566,將各類的生質航空燃油整合成同一規範下管理,目的是確保這些替代性航空燃油產品能符合飛航、運輸及保存的安全性,使飛機添加各類生質航空燃油後並不影響其性能表現,而目前規範中最高混摻比例為50 vol.%。此外,ASTM D7566也聲明規範下所生產及認證的航空燃油,均視為符合D1655規範之燃油,或同等性質之產品,這有助於現有D1655燃油製程與新D7566燃油製程無縫接軌,可減少改裝生產設備所需的門檻。任何生質航空燃油技術需經ASTM D7566的5道關卡的審查,才有機會納入規範並進行商業販售,審查工作包含燃料生產者的研究報告、引擎及飛機製造者的研究報告、納入製造商回饋的最終報告、ASTM對最終報告的投票審查及加入D7566規格特性的投票審查。


生質航空燃油之各技術發展現況
目前通過ASTM D7566認可的生質航空燃油生產技術共5項:包括FT-SPK(費托–合成煤油)、HEFA(加氫處理酯類及脂肪酸)、SIP(合成異構煤油)、ATJ-SPK(醇轉化合成煤油)、FT-SKA(費托–含芳香族合成煤油)。另有16項技術申請審查中,整理如表三資料所示。

由於芳香族於生質航空燃油中可幫助燃油系統的密封元件膨脹,以避免燃油從系統中洩漏,所以審查結果會依照產品中芳香族含量,決定與傳統燃油(芳香族含量接近25 vol.%)的最高混摻比例,通常以50 vol.%為上限,部分芳香族含量不足的產品則會下修混摻比例至10~30 vol.%。燃料中碳數範圍及含氧量則關係到熱值的高寡,故表三中的技術大致上均包含裂解、寡聚化或氫化等技術,使生質料源經反應後轉化為可供引擎使用之燃料。

表三中,奠基於費托製程的FT-SPK和FT-SKA,均為多料源的生產技術,可採用煤炭或天然氣等化石燃料,亦可使用同為碳源的生質料源為進料。料源首先會氣化為合成氣 (Synthesis Gas),再利用觸媒轉化為C3~C4之烯烴,接續以寡聚化及氫化合成航空燃油。FT-SKA為FT-SPK的改良版製程,差別在於FT-SKA是將費托製程中生成的石油蠟加氫裂解,或是將苯進行烷基化反應,生成高芳香族含量的FT-SKA燃料,於2016年剛通過ASTM D7566的審查,有機會成為第一種可供應100%生質航空燃油的技術。

ATJ-SPK類似於前述的費托製程技術,差別在於烯烴的來源不是合成氣,而是以醣類醱酵產出的乙醇或丁醇經脫水後生成,接續以寡聚化及氫化產製航空燃油。此技術的優勢在於可直接應用於已有生質酒精工廠之地區,譬如盛產玉米與蔗糖的美國與巴西。

HEFA與CH(水熱催化)均以植物油、動物油或廢食用油為原料。HEFA將油品置於觸媒反應器中加氫反應,生成航空燃油及其它碳氫化合物。CH將油品水解於超臨界水(高溫高壓、介於氣液之間的物質狀態)中催化反應,產品性質與輕原油(Light Crude Oil)相近,組成為柴油、煤油、石腦油及液化石油氣的混合物,經分餾分離個別產品後可做為生質航空燃油使用。

HDO-SK(加氫脫氧合成煤油)、HDO-SAK(加氫脫氧芳香煤油)及HDCJ(加氫解聚纖維素燃油)技術,則是直接使用醣類、澱粉或纖維素為進料,經過加氫脫氧將醣類轉製為生質航空燃油。然而HDO-SK及HDO-SAK之技術瓶頸在於醣類原料成本較高,即便是相對便宜的纖維素,也需要額外的前處理製程生產水解醣後才可使用,故纖維素水解產醣技術為邁向商業化應用的關鍵。HDCJ是直接將醣類原料加氫高溫解聚為液態產品,可直接獲得芳香族含量高的生質航空燃油,未來可與其它低芳香族含量的生質航空燃油混摻,提供100%無化石燃料之航空燃油。

關於「工業技術研究院綠能所─生質熱電研究室」
承蒙經濟部能源局支持「永續生質能源關鍵技術研發計畫」,本單位(生質熱電研究室)主要研究領域為利用農林資材及廢棄物產製燃料、熱能及電力之技術,已開發技術包含「生質物裂解產油技術」及「木質纖維素解聚技術」。「生質物裂解產油技術」是將農林資材在常壓、高溫及缺氧的環境下裂解,使木質纖維素可產出生質油及生質焦炭。生質油可應用於鍋爐燃料,或是進一步油品改質後製造車用油品及化學品,生質焦炭則可做為土壤改質劑,應用於農業領域。「木質纖維素解聚技術」是生質液態燃料的關鍵料源技術,本技術不同於常見的生物酶解聚,是以化學法解聚農林資材的木質纖維素,產製富含單醣的醣類產品,醣類可提供後續醱酵或化學製程生產生質燃料(如生質乙醇或生質丁醇),可避免過去生質燃料使用糧食作物做為料源,而產生與人爭糧的負面影響。

結論
生質航空燃油的商業化發展不超過10年時間,但已漸漸成為各國航空業減少碳排的替代性選擇,可做為未來能源價格攀升或石油蘊藏量短缺時的儲備方案。部分生質航空燃油技術的產品含有較少的芳香族成分,若需達成燃油料源無化石燃料(石油、煤炭或天然氣)的目標,還需搭配其它芳香族含量高的生質航空燃油混摻,故不需額外添加芳香族的FT-SKA、HDO-SAK及HDCJ等技術的發展值得進一步關注。

相較於目前自石油生產的Jet A-1價格 (美金$0.39/L,IATA資料,2016年10月),生質航空燃油的生產成本仍然偏高(美金$2.3~15.6/L),但如完全倚賴原油產業價格起伏大的特性也非長遠策略,故未來研究方向除了降低技術本身的成本之外,也需考量不同地區應採取何種生質料源的種植、運輸及前處理策略,以搭配現有的石油化學工廠、生質燃料工廠進行最小限度的設備擴增,可進一步拉近與化石燃料的價格差距並短時間提升在市場上的競爭力。

延伸閱讀:
1. 關於生質航空燃油之發展、規範與技術之延伸閱讀,可參閱國際民航組織(http://www.icao.int)、國際航空協會(http://www.iata.org)、航空運輸行動組織(http://www.atag.org) 之公開資料。
2. H.F.A. Elhaj and A. Lang, The Worldwide Production of Bio-Jet Fuels - The Current Developments Regarding Technologies and Feedstocks, and Innovative New R&D Developments, Technical Repor, 2014.
3. T. Radich, The Flight Paths for Biojet Fuel, Independent Statistics & Analysis, U.S. Energy Information Administration. 2015.

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