文献阅读 | 森林残余物生产航空燃料对多个可持续发展目标的贡献

题目

Contribution of jet fuel from forest residues to multiple Sustainable Development Goals

作者

Otavio Cavalett & Francesco Cherubini

期刊

Nature Sustainability

时间

November 2018

一作

单位

Industrial Ecology Programme, Department of Energy and Process Engineering, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway.

链接

https://doi.org/10.1038/s41893-018-0181-2

研究内容

大规模发展生物质能是实现气候稳定目标至关重要。特别地，液体生物燃料是交通部门脱碳的关键，尤其是对于替代选择较少的航空行业。然而，气候仅仅是可持续发展目标（SDGs）识别出的全球可持续挑战中的一个，许多挑战是紧密联系的。很少有学者分析技术转变的整体环境可持续性并将这些目标直接关联起来。

本文进行详细的、空间明确的、自下而上的分析，量化评估两种主要可再生航空燃料（RJF）路径的环境可持续性，选取与生物燃料发展密切相关的九个环境相关的SDGs。挪威是一个商业使用RJF的开创性的国家，并且执行了宏伟的RJF发展目标。本研究关注挪威大规模生产来自森林残余物的RJF。本文使用多个指标从不同的时间和空间角度量化气候影响，包括短期气候因子（NTCFs）。

研究发现

一、生物质资源的可用性和RJF路径。

本文将用于生产RJF的生物质限制为挪威当前可用的林业残余物，从而最小化对陆地生态系统、土地竞争和循环经济带来的额外压力。生物质包括森林残余物和来自挪威木材工业的部分木材废料。可用于生产RJF的总森林残余物约为1.7 M ton drybasis yr⁻¹. 

RJF转化技术包括热化学过程（气化、Fischer–Tropsch 合成（RJF FT））和生物化学过程（alcohol-to-jet （RJF ATJ））。RJF FT路径使用高温低氧生产合成气，随后使用Fischer–Tropsch合成进一步催化转化为合成燃料。相反，生物化学过程生产二代乙醇，进一步催化转化为RJF。RJF ATJ在较低的温度下进行，通常转换效率较低。它有更高的间接能源和物质需求，因为它依赖于化学品、酶、酵母菌和营养物质的输入。这与热化学过程不同，其反应主要是由高温和高压引起的。这些RJF技术具有较高的技术成熟度，但由于其高成本，尚未在商业规模上使用。

二、RJF的气候影响。

本文使用三个互补的短期（20-year global warming potential, GWP20）、中期（100-year global warming potential, GWP100）和长期（100-year global temperature potential, GTP100）的气候度量指标。从这三个指标来看，与化石航空燃料（FJF）相比，这两种RJF都具有相对较低的气候影响（图1）。由于RJF的一些NTCFs的贡献相对高于FJF，特别是航迹云的形成，使得短期影响的差异减小。从长期来讲，NTCFs的相对贡献逐渐减少。与FJF相比，RJF ATJ 和RJF FT的GWP20分别低7%和17%，GWP100分别低33%和48%，GTP100分别低62%和82%。

NTCFs具有明显的地理模式，因此在区域尺度上造成的气候影响可能会偏离全球平均水平。对欧洲排放区域的总体影响比全球平均值低20%-10%。这主要是因为从全球来讲，来自气溶胶燃烧排放的GWPs 和GTPs较高，来自其他地区的排放对该指标具有较高的影响。南亚地区具有较强的来自排放的辐射强迫，反映了该区域气溶胶的寿命相对于世界其他区域较长。

本文使用蒙特卡洛模拟定量分析关键因素的传播变异性和不确定性。FJF, RJF ATJ 和RJF FT的GWP100的值分别为168 ± 28.4, 124 ± 31.5 and 90 ± 29.5 gCO₂eq. MJ⁻¹.

图1  不同全球和区域度量下航空燃料路径的气候影响。a,b, GWP20, GWP100 和GTP100考虑全球a)和欧洲（精确考虑欧洲作为排放地区），b) NTCFs的度量.c,蒙特卡洛分析的不确定性，其中x表示来自a的结果。      

本文也分析了在挪威航空部门使用RJF的潜在的气候变化减缓效益（图2）。2030年RJF的年产量约为10PJ ATJ 或者8.5 PJ Fischer–Tropsch。产量的差异主要来自不同技术的效率和生产结构。这些产量使得RJF在挪威2030年航空部门燃料中的占比分别为18%和15%。如果要实现30%的目标需要调用除现有森林残余物以外的其他生物质或者从国外进口。使用10PJ的RJF ATJ在2030年能够减少0.53 Mton CO₂eq. (GWP100) 或者0.61 Mton CO₂eq.( GTP100)。RJF FT的产量较低（8.5PJ），但是能够更有效的缓解气候变化，其减排量分别为0.89 Mton CO₂eq. (GWP100) 或0.83 Mton CO2eq. (for GTP100)。这些数据相当于RJF ATJ 和RJF FT在航空部门2030年分别减排6%和11%（GWP100）、12%和16%（GTP100）。

将收获的森林残余物用于生产生物质能会改变森林碳动态和预期排放，因为与残余物未被使用相比，森林的碳被氧化分解的速率要快。研究发现短期内平均累计排放量比不回收残余物多（约11吨CO2/ha GWP20）。然而，长期来讲，随着残余物的不断腐烂，差异会逐渐减少。

图2  RJF路径对挪威航空部门的贡献和相关的气候减缓效益。

三、对SDGs的协同效益和负面影响。

与RJF相比，FJF在SDG 13“气候行动”、SDG 7 “付得起和清洁能源”、 SDG 12“可靠的生产和消费”和SDG 15“陆地生命”指标上具有更高的得分。FJF对不可再生能源使用和化石燃料的枯竭具有更高的影响，这与原油作为炼油厂原料有内在联系；而对自然土地转化的影响则与石油开采对自然区域的直接和间接干扰有关。与RJF相比，FJF的生态足迹和生态系统影响类别受到FJF高生命周期GHGs排放的影响。

对于其他可持续发展目标，一种或者两种RJF路径的影响高于FJF。识别出RJF ATJ的主要权衡，其中一些是大多数生物燃料所固有的。例如，在森林残余物的收获、转运和运输中使用的柴油明显有助于臭氧前体和其他空气污染物的排放，影响SDG 2 “零饥饿”、SDG 3“健康与人类福祉”、和 SDG 11 “可持续城市和社区”。RJF价值链中使用的钢铁和其他辅助材料的制造造成了金属和重金属向水中的泄漏，这尤其与SDG 14“水下生物”、SDG 6“清洁水和卫生设施”、SDG 3(人类毒性、癌症)和SDG 2(金属消耗)有关。

图3  使用三个代表性环境指标表示的RJF和FJF与九个环境相关的SDGs的环境可持续性。

四、技术影响和供应链改善。

对于每个可持续发展目标，航空燃料路径的环境影响被归一化和汇总，产生一个分数，以便更好地可视化权衡（图4）。研究发现，RJF FT路径改善使得所有SDGs的得分下降的很少，这表明Fischer–Tropsch过程中技术进步带来的改善空间很少。SDG 3的减少主要与人类毒性(癌症)的减少有关，减少了对气化炉床组分(沸石和白云石)的需求，随后减少了对水的重金属排放。相比之下，ATJ过程的改进在几乎所有SDGs中实现了重要的缓解，特别是在SDG 12中，它的表现优于FJF。这主要是由于氢氧化钠需求的降低和过程效率的提高，从而减少了对木屑运输系统的需求。

图4  RJF路径技术提高和供应链改进对其他SDGs的影响。a-d, 改进措施仅用于Fischer–Tropsch过程（a），仅用于ATJ过程（b），用于供应链过程（c），用于所有过程。

研究结论

研究发现，RJF路径在气候影响方面存在很大差异，特别是在时间(从短期到长期)和空间(欧洲与全球平均值)维度上。将NTCFs和航迹云的形成纳入RJF的气候评估中影响比只考虑温室气体的影响高一个数量级。除了气候行动SDG，在SGD7和SDG15上RJF比FJF有更好的得分。研究揭示了与SDGs 2, 3, 6, 11, 12 和14的定量权衡，这需要一系列的具体的技术和供应链的改进来缓解。在大规模的部署新技术之前进行早期的环境可持续性分析对识别潜在的负面影响、量化改进措施获得的效益是非常重要的。

编辑：任明

排版：任明 江琴

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