飛向綠色未來：永續航空燃料(Sustainable Aviation Fuel, SAF)製備技術簡介

陳明瑋、朱光華、廖秉橙、劉羿群、黃朝偉*

國立成功大學 工程科學系

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隨著全球人口持續成長與經濟活動快速擴張，人類對能源的需求也隨之大幅增加。過去一百多年來，化石燃料支撐現代工業文明的發展，但其大量燃燒所排放的二氧化碳，已成為導致全球暖化與氣候變遷的主要原因之一。在各類運輸部門中，航空業因其高度依賴高能量密度燃料，成為減碳最困難的領域之一。相較於電動車已逐漸普及，飛機目前仍難以完全以電池取代燃油，因此尋找替代性低碳燃料成為關鍵課題。在此背景下，「永續航空燃料」(Sustainable Aviation Fuel, SAF)逐漸受到全球關注，並被視為實現 2050 年淨零排放目標的重要解方[1]。

 

SAF 的最大優勢在於其可直接應用於現有飛機引擎與燃料供應系統，因此被稱為「即用型燃料」(drop-in fuel)。與傳統航空煤油相比，SAF 在生命週期評估(Life Cycle Assessment, LCA)下可減少約 50% 至 80% 以上的碳排放，甚至在某些路徑中可達更高減碳效果[2]。這種燃料的發展，不僅涉及能源工程，更結合化學工程、材料科學與環境科學等多領域技術。在眾多 SAF 製備途徑中，「生質轉液體燃料」(Biomass-to-Liquid, BtL)是最具代表性的技術之一[3]。該方法的核心，是先將生質物(如農業廢棄物、木材或有機廢棄物)轉換為一種稱為「合成氣」(Synthesis Gas, Syngas)的氣體混合物。合成氣主要由氫氣(H2)與一氧化碳(CO)組成，是製造各類液態燃料與化學品的重要中間體。合成氣之所以關鍵，在於其具備高度的轉換彈性。透過費托合成(Fischer-Tropsch Synthesis, FTS)，工程師可以將簡單的小分子重新組合成長鏈碳氫化合物，最終生成類似石油產品的燃料。這個過程就像利用積木拼出不同形狀的結構，但前提是原料氣體的比例必須精確控制。研究指出，若氫氣與一氧化碳的莫耳比(H2/CO ratio)維持在約 2:1，將有利於生成高品質的液態燃料[4]。然而，由於生質原料成分複雜，如何穩定產生理想比例的合成氣，仍是一大技術挑戰。

 

目前最常見的合成氣製備方法，是「生質氣化」(Biomass Gasification)。在此過程中，固體生質物會在約 800 至 1200°C 的高溫環境下，與氣化劑(如空氣、氧氣或水蒸氣)反應，轉化為可燃氣體。為了提升反應效率與氣體品質，科學家開發出多種反應器設計，其中以流體化床反應器(Fluidized-Bed Reactor)最為廣泛應用，此類反應器透過讓固體顆粒呈現類似流體的流動狀態，使熱量與物質傳遞更均勻，大幅提升反應效率[5]。然而，氣化技術仍面臨一項關鍵挑戰，即「焦油」(Tar)的生成。焦油是一種由多環芳香族化合物組成的複雜混合物，當氣體冷卻時容易凝結，造成設備堵塞與操作困難。此外，焦油也會毒化後續費托合成所需的催化劑，降低整體系統效率。為了解決這個問題，研究人員提出多種策略，包括在反應器中添加白雲石(Dolomite)或橄欖石(Olivine)等礦物材料以抑制焦油生成，或在氣體輸出端進行催化裂解與過濾處理[4]。在整個轉換過程中，催化劑扮演關鍵角色。以鎳(Nickel, Ni)為主的催化劑，因其價格低廉且具備良好催化活性，被廣泛應用於氣體重整反應。然而，鎳催化劑在高溫操作下容易產生積碳(Coke Formation)，導致活性下降甚至失效。為了改善這個問題，材料科學家開發出一類稱為「鈣鈦礦」(Perovskite)的材料。這種具有 ABO3結構的材料，允許透過元素替換進行精細設計。例如，以鈣(Ca)或鍶(Sr)部分取代鑭(La)，可促進氧空缺(Oxygen Vacancies)的形成，並誘發金屬奈米粒子的「外滲」(Exsolution)，使催化劑具有更高的穩定性與抗積碳能力[6]。

 

近年來，隨著再生能源電力的普及，化工製程也逐漸朝「電力化」方向發展。其中，「電磁感應加熱」(Electromagnetic Induction Heating, EIH)技術引起廣泛關注。該技術利用電磁場快速加熱導電材料，使反應系統能在數秒內升溫至超過 1000°C。研究顯示，EIH 可大幅降低焦油生成，甚至可減少約 97% 以上，並有助於提升合成氣品質[7]。此技術若搭配再生能源電力，將可實現更低碳的燃料製程。除了傳統生質物，都市廢棄物也逐漸成為 SAF 的重要原料來源。例如廢塑膠與廢輪胎，因其富含碳與氫元素，具有良好的氣化潛力。這些材料在高溫下可產生高氫含量的合成氣，有利於後續燃料合成。此外，科學家也運用分子動力學(Molecular Dynamics, MD)與密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)等計算方法，深入研究反應機制，進一步最佳化製程條件。另一項備受矚目的前瞻技術，是所謂的 e-Fuel(Electrofuels，電合成燃料)。這種方法不依賴生質資源，而是利用再生能源電力將水電解產生氫氣，再與從空氣中捕捉的二氧化碳(Direct Air Capture, DAC)結合，合成液態燃料。由於其碳來源來自大氣，燃燒後排放的二氧化碳可再次被回收利用，因此被視為實現閉合碳循環(Closed Carbon Cycle)的理想方案[8]。儘管目前成本仍偏高，但隨著技術進步與規模化發展，未來具有相當潛力。

 

展望未來，SAF 的發展將不再依賴單一技術，而是多種技術整合的結果。例如結合太陽能熱能與氣化技術，或利用人工智慧與機器學習(Artificial Intelligence / Machine Learning, AI/ML)最佳化反應條件與系統設計。此外，在評估技術可行性時，也必須納入「可用能分析」(Exergy Analysis)與生命週期評估LCA，以全面衡量能源效率與環境影響。總體而言，從生質氣化、催化材料設計，到廢棄物資源化與 e-Fuel 技術，永續航空燃料正快速發展，並逐步邁向實際應用。未來當我們再次搭乘飛機時，所使用的燃料可能不再來自地下石油，而是來自農業廢棄物、城市垃圾，甚至是空氣中的二氧化碳。這不僅代表能源技術的革新，更象徵人類朝向永續發展邁進的重要一步。

 

Reference
[1] S. Wandelt, Y. Zhang, X. Sun, Sustainable aviation fuels: A meta-review of surveys and key challenges, Journal of the Air Transport Research Society, 4 (2025) 100056.
[2] G.W. Huber, S. Iborra, A. Corma, Synthesis of transportation fuels from biomass: chemistry, catalysts, and engineering, Chemical reviews, 106 (9) (2006) 4044–4098.
[3] M. Dossow, B. Steinruecken, M. Schmid, D.C. Rosenfeld, S. Fendt, F. Kerscher, H. Spliethoff, Technical evaluation and life-cycle assessment of solid oxide co-electrolysis integration in biomass-to-liquid processes for sustainable aviation fuel production, Applied Thermal Engineering, 260 (2025) 124882.
[4] D.C. de Oliveira, E.E. Lora, O.J. Venturini, D.M. Maya, M. Garcia-Pérez, Gas cleaning systems for integrating biomass gasification with Fischer-Tropsch synthesis-A review of impurity removal processes and their sequences, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 172 (2023) 113047.
[5] A.A. Al-Qadri, U. Ahmed, N. Ahmad, A.G.A. Jameel, U. Zahid, S.R. Naqvi, A review of hydrogen generation through gasification and pyrolysis of waste plastic and tires: Opportunities and challenges, International Journal of hydrogen energy, 77 (2024) 1185–1204.
[6] C.W. Huang, P.C. Chen, Y.T. Lin, T.Y. Wang, D.S. Lin, Y.S. Cheng, D.E. Wu, K. Manatura, W.Y. Chen, K.Y.A. Lin, Enhancing Dry Reforming of Methane with Calcium‐Substituted LaNiO₃ Perovskite Catalysts for Syngas Production and Carbon Resistance, ChemistrySelect, 10 (16) (2025) e202403401.
[7] X. Tan, Y. Yan, L. Shi, C. Li, S. Kang, Q. Liu, Green syngas from cornstalk and CO2 using electromagnetic induction heated two-stage fluidized-bed reactor, Fuel, 418 (2026) 138731.
[8] I. Ul Hassan, S.A. Hussen, R. Sathyamurthy, U. Zahid, U. Ahmed, V.M. Reddy, A.G. Abdul Jameel, E-Fuels for Net-Zero: innovations and outlook for production technologies and carbon capture, Energy & Fuels, 39 (29) (2025) 13931–13968.