文献阅读 | 可持续土地利用和生物喷气燃料发展的可行性
题目
Sustainable land use and viability of biojet fuels
作者
Nazli Z. Uludere Aragon, Nathan C. Parker, Andy VanLoocke, Justin Bagley, Meng Wang & Matei Georgescu
期刊
Nature Sustainability
时间
2022年11月
一作
单位
Environmental Defense Fund, New York, NY, USA
链接
https://doi.org/10.1038/s41893-022-00990-w
摘要
由于大型飞机的电力供应尚不可行，航空业需要使用低碳液体燃料进行脱碳。然而，这种“可持续航空燃料”的商业化进程由于其潜力的不确定性而较为滞后。本研究将土地利用评估、水文气候和生态系统建模以及经济优化共同纳入一个系统框架，以更好地描述以纤维素作为原料的生物喷气燃料的潜力。在美国2320万公顷的边际农业用地（大致相当于怀俄明州的土地面积）上种植芒草可以满足美国2040年的航空燃料需求（300亿加仑/年），平均成本为4.1加仑/美元。以中西部地区为中心，这个边缘土地基地是一个农田（720万公顷）和非农田（1600万公顷）的混合体，这些农田转化为种植芒属植物可以提供产量高的生物质、不造成土壤水分流失的区域降温以及最小的温室气体排放（在50美元/吨二氧化碳当量的碳价格上）。而通过平原地区的边际土地转换来获得同样数量的芒草生物质是不可持续的。可持续性的土地转换模式与纯粹从经济角度预期的不同。综合评估模型对于现实地评估基于生物的替代原料的可持续性是必不可少的。
引言
可持续航空燃料（Sustainable aviation fuels, SAF）——如生物喷气燃料（Biojet Fuels）——对于航空业脱碳而言十分重要。除了长途运输和航运之外，航空业同样不能轻易地从能源密集的液体化石燃料转向现有的低碳能源。生物质衍生能源是为这些部门生产非化石液体燃料替代品的一种具有成本效益的途径。
可持续生物喷气燃料供应需要满足三个关键标准。关于原料选择的第一个标准是使用来自多年生能源作物（如芒草和柳枝稷）的纤维素原料。这能够最大限度减少将粮食作物转用于生物燃料生产，同时减少沉积物流失和水质恶化等负外部性。来自多年生草本植物的生物燃料的温室气体排放量(GHG)也远远低于它们替代的汽油，如果计入直接土地使用变化带来的减排量甚至可以作为净碳汇。第二个标准与土地和水的使用有关，将这些作物的种植集中在雨养的边际土地上可以避免生产性农田的迁移，并消除对灌溉的要求。第三个标准是经济可行性，它要求生物质种植是大规模的，从而可以支持一个有竞争力的、健康的纤维素生物喷气燃料工业。
以前的研究侧重于非粮食生物质的第二代生物燃料的资源潜力和可持续性，强调可持续的土地使用和生物质/生物燃料产出，或者主要研究多年生草本植物种植的生态和生物物理驱动力以及对自然资源的影响。经济研究往往强调与生物燃料相关的土地使用变化的经济规模和影响，以及对相关不同政策情景的评估。最近研究（包括本研究）强调了综合评估的重要性，以更好地表征和量化生物物理系统和社会经济驱动因素之间的联系。
本研究将多年生能源作物系统记录的土地表层-大气相互作用与生态系统和经济模型结合起来。本研究偏离了早期分析（即继续将粮食作物用于生物能源，仅将多年生草本作为更广泛的原料组合的一部分），而是将原料完全限制在能源作物上。此外，本研究尝试使用生态系统模型模拟高分辨率（10公里）多年生草本植物产量在大陆尺度上，补充现有的统计或经验方法。与其他在县级或更粗的尺度上运行的生物能源生产的经济模型不同，本研究在区级（subcounty）进行经济建模，以匹配模拟的产量，并使用更现实的运输成本进行计算。最后，本研究还为整个行业同时对生物精炼厂的选址和规模进行优化提供了思路。
主要结果
综合评估模型的情景与范围
本研究使用的综合水文气候-生态系统-经济模型评估框架从系统角度表征来自多年生能源作物的生物喷气燃料的环境和经济可持续性。该框架通过与美国大陆范围的高分辨率模型耦合，捕捉了大气、陆地表面、生态系统和经济系统之间的相关性。
本研究引入了两个重要的生物物理模型改进：考虑与大规模土地转换为种植能源作物相关的大气和土壤湿度影响，并使用包含这些水文气候影响下的模拟产量。本研究绘制的可持续生物喷气燃料路径能够生产足够的纤维素生物质，产生气候效益，并支持国家纤维素生物能源产业，根据可持续性标准(图1a，右)提供满足未来美国航空部门燃料需求的生物喷气燃料(图1a，左)。
本研究的范围是美国大陆（CONUS），但生物质种植仅限于雨养的边缘农田。本研究考虑了两种边际土地可用性情景：①适宜边际土地的前25%，总计3120万公顷；②适宜边际土地的100%，总计1.09亿公顷，从而可以检查大规模多年生能源作物部署的最广泛的结果。区域3、4和5被用来测试进一步限制可利用的边际土地基数的影响（图1b）。它们来源于水文气候模型，该模型揭示了大规模能源作物转化的热效益，以及对不同地区的土壤水分含量的影响。在此基础上，本研究将能源作物转化的水文气候可持续性定义为在不对长期（10年）土壤水分产生不利影响的情况下提供降温效果，并确定热点（区域4）和应避免的区域（区域3），以确保水资源的可持续利用。
图1模型框架和研究范围 a：使用综合建模框架评估可持续生物喷气燃料路径时考虑的可持续性标准（左）与满足预期的结果（右）；b：研究领域的地图与生物量种植面积（网格）。
生物喷气燃料供应的数量和驱动因素
美国的纤维素生物喷气燃料工业可以有利可图地持续生产足够的液体燃料，以满足国内的喷气燃料需求，预计到2040年，喷气燃料需求将达到每年300亿加仑（1136亿升）。在可持续的土地基础上种植芒草，同时燃料价格大于4.3美元/加仑时，产量水平达到或超过上述目标是可以实现的（图2a）。
图2 不同情景下纤维素液体燃料的供给曲线 a：燃料价格轴在底部3.5美元/加仑被截断。在垂直靶线右侧的散点表示供应满足需求目标。b：展示了不同情景下可用的土地基础和区域限制。
决定纤维素生物喷气燃料生产量的三个因素是：①为实现可持续结果而限制土地使用；②燃料价格以及③选择芒草还是柳枝稷作为原料。图2a中不同散点曲线的对比（类似于经济学中的边际成本曲线）突出了土地使用和原料选择对产出的影响，沿着单条曲线的移动说明了燃料价格上涨对生物喷气燃料供应的影响。这些曲线包含了生物喷气燃料生产的净温室气体影响，价格为50 美元/吨二氧化碳当量的碳价。
为了量化与土地可用性相关的生物喷气燃料产出的影响，本研究考虑了：①使用所有被划分为边际的土地（M100）；②只使用前25%最合适的边际土地（M25）的土地利用情景。无限制（即让Eastern CONUS所有的农田都可以种植生物能源作物）可以作为一种基准情景。通过进一步限制可利用的边际土地，本研究评估了最低（M100-reg4）与最高水文气候可持续风险（M100-reg3）下的边际土地区域进行生产的产出影响。
用于生物质能生产的可持续土地使用模式与最具经济吸引力的土地利用模式不一致。对用于能源作物的土地增加可持续性限制，导致所有价格点的生物喷气燃料产量下降。在5.0美元/加仑的参考价格下，将生物能源种植限制在边际土地上，会使生物喷气燃料产量减少1/2（即M100情景与基准情景相比），如果进一步将其限制在边际土地中最合适的25%区域，相对于不受限制的情况，生物喷气燃料产量只有基准情况的六分之一。此外，将可利用的边际土地限制在水文气候可持续性风险最低的地区（M100-reg4）会导致生物喷气燃料的产量相比可以利用所有边际土地的情况下低56%（在价格为5.0加仑/美元的情况下）。
燃料价格在促进纤维素生物喷气燃料生产方面起着关键作用。更高的燃料价格会促进更多的生物喷气燃料产出（反之亦然）。本研究发现，如果使用FT（Fischer–Tropsch）气化技术，将芒草转化为生物喷气燃料的最低燃料价格为4.0加仑/美元，而使用柳枝稷作为原料将最低燃料价格则为4.2加仑/美元（图2a）。生物喷气燃料的生产会随着价格的上涨而迅速扩大，直到达到5.0美元/加仑的拐点，之后生产对价格变得不那么敏感。这种阈值效应可以通过生物燃料产量下降对燃料价格上涨的反应来说明（图2b）。随着边缘土地被利用并变得稀缺，生物燃料生产的总成本增长速度快于燃料价格的增长。
与柳枝稷相比，芒属植物在经济上更受青睐，在所有价格点和土地可用性上都能产生更高的生物燃料产量。虽然每公顷柳枝稷的年平均种植成本约为芒草的一半，但芒草的产量较高，因而使得将可用土地面积转化为芒草比转化为柳枝稷更经济。限制原料选择对生物燃料产量的影响可以通过比较 S25（经济模型被迫使用柳枝稷）和 M25（模型可以从柳枝稷或芒草中选择生物质原料的来源）两种情景看出。在5.0美元/加仑的价格下，S25的生物燃料产量仅为M25的43%（图2a）。本研究将这种差异解释为原料选择导致的产量损失。
总体而言，通过遵循以M25为代表的可持续生物能源种植的高生产率和小土地足迹战略（即在最适合的25%边际土地上部署芒属植物），满足美国航空业对液体燃料的需求是可能的。重要的是，以M100-reg4为代表的最小化生物能源用地转换中的水文气候可持续性风险也能达到这一目标。M100-reg4下最大可行产量为515.70 亿加仑/年（价格为7.0加仑/美元时）（图2a），这是美国边缘地区可持续纤维素生物喷气燃料生产的上限。
土地利用的影响
将目标锁定在300亿加仑/年，可以直接比较土地转换的规模和组合及其空间分布情况。本研究重点研究三种边际土地利用情景: M25、M100和M100-reg4，并再次使用基准情景（无限制）作为参考。
在三种边际土地情景下，土地转换总量基本都分布在2350万公顷附近（图3a），这意味着用于种植芒属植物的土地面积将超过美国的小麦种植面积，小麦是仅次于玉米和大豆的第三大作物（2018/2019年度种植了2000万公顷）。此外，非耕地区域会有1240万公顷（M25）到近1900万公顷（M100）发生转换，这将使美国农田的面积增加8%至12%（从2017年的1.6亿公顷），是1940年以来的最大增幅（图3b）。
图3 按现有用途划分的土地可用性和转换比例 a：为达到2040年300亿加仑/年的美国航空燃料需求目标而可用的土地和转换的土地总数。b：按情景堆放的条形图，显示按非耕地、玉米或大豆耕地以及所有其他耕地组成的现有土地利用（%）。对于每种情况，第一栏显示可用土地总数，相邻栏显示已转换土地。
在某些情景下，出现了农田与非农田混合使用的模式，非农田的转换率较高。限制性较强的情景（M25和M100-reg4）比限制性较弱的情景（图3b）会更依赖于农田的转换。这是因为耕地的机会成本较高，而且有足够的生产性非耕地区域。然而，生物质并不完全来自非农田，因为物流成本有利于来自生物炼油厂附近农田的生物质，而且一些农田只有微薄的利润（因此倾向于转换为种植能源作物）。
耕地的转换不仅取决于相对经济效益，而且还取决于被划为边际的现有耕地的可用性。所有合适的边际土地中耕地的份额几乎与不受限制条件情况下的耕地份额相同（约42%，图3b）。在美国，边际土地上的作物生产是因为技术提高了生产力突破了土地的部分物理限制，同时也与农业和能源政策的支持有关。
图4 限制土地生产300亿加仑/年纤维素生物喷气燃料时，空间维度的影响 不同边际土地情景下，土地转换为种植芒草与无限制情况下的对比。a：合适边际土地中最优25%（M25）；b：可持续发展热点（M100-reg4）区域；c：所有合适的边缘土地（M100）
碳价的作用
碳定价将提高无碳或低碳能源技术（如纤维素生物喷气燃料）的竞争力，使化石燃料和使用化石燃料投入的替代技术（例如，使用天然气制氢的生物精炼厂）更加昂贵，并为温室气体减排带来益处。当前，碳价约为50美元/吨二氧化碳当量。本研究评估了碳价对温室气体的影响，同时进行了两个敏感性分析：一个是没有碳价的情景；另一个则是100美元/吨二氧化碳当量的情景。
在零碳价格下，温室气体排放的成本不会被行业内部消化。尽管如此，由此产生的温室气体排放量范围从300（M25）到2350万吨二氧化碳当量/年（无限制情景）（图5a），大大低于石油基喷气燃料（约3.5亿吨二氧化碳当量/年）。更高的碳价会促进全面降低温室气体排放。在50美元/吨二氧化碳当量的情况下，M100-reg4情景下的排放量接近于零，因为其土地基础在水文气候方面是最可持续的。而将碳价格翻倍至100美元/吨二氧化碳当量时，除M25以外的所有情景下的温室气体排放均为负值（图5a）。
图5 温室气体影响和耕地转换与温室气体排放之间的权衡 a：按情景（每年百万吨二氧化碳）计算的温室气体排放量，碳价格分别为0美元/吨二氧化碳当量、50美元/吨二氧化碳当量和100美元/吨二氧化碳当量。这些设想能够满足2040年美国300亿加仑/年航空燃料需求的目标。b：衡量系统温室气体排放相对（%）减少以换取耕地相对（%）增加的比较指标。
这些温室气体的减排主要归因于一年生作物向芒属植物转化，依靠作物种植减排需要更大面积的农田。此外，因碳价上涨而产生的额外温室气体减排量也受到不同情景下的土地制约。在边际土地基数最小的M25情境中（图3a），更高的碳价会产生适度的排放减少。相比之下，不受限制的情景则提供了更大的减排量（图5a，b）。针对不同的碳价，降低系统温室气体排放量最多而增加耕地转化最少的情景是M100-reg4（图5b）。因此，将生物能源作物的土地利用限制在边缘土地上限制了潜在的排放，同时抑制了对农田的社会不利竞争。
讨论
在世界范围内，航空业的排放量一直在稳步增长。尽管燃油效率有所提高，但由于其排放了复杂的污染物，航空业对全球变暖做出了巨大贡献。向SAF过渡是该航空业脱碳的一个关键要素，在美国政府和联合国国际民用航空组织最近的政策建议中占据中心地位。
作为航空燃料的最大使用者，美国对全球航空二氧化碳排放量的25%负有责任。如果美国航空业实现脱碳，其影响将大致相当于取代了西班牙燃料燃烧产生的全部温室气体排放。本研究表明，国内生产的可持续生物喷气燃料可以完全满足美国航空部门的液体燃料需求，表明该部门完全脱碳是可以实现的。为了满足2040年300亿加仑/年的航空燃料需求，需要创建一个1230亿美元的纤维素生物喷气燃料产业，这意味着平均生产成本为4.1加仑/美元（相当于1230亿美元和300亿加仑/年的比率）。前面提到的4.3美元/加仑燃料价格是生物喷气燃料生产300亿加仑/年所需的生物精炼厂的边际生产成本，而平均成本则低于4.3美元/加仑。
生物质转化为燃料的成本占总成本的60%以上，这是由需要从零开始建造的生物炼油厂的固定投资造成的。尽管这里假设FT技术在生产纤维素生物喷气燃料方面比其他技术更有效，因而成本更低，但高昂的前期成本仍然是一个重大障碍。如果不考虑固定投资，纤维素生物喷气燃料将具有竞争力，其价格将会比本研究的模型建议的价格低1美元，从而使图2a中的供应曲线向下移动。
生物喷气燃料的平均成本比美国炼油厂2021年第四季度喷气燃料平均价格（2.2美元/加仑）高出86%。然而，如果航空燃油价格上涨到4.1美元/加仑，飞行成本只会上升一小部分（13%到22%）。这是因为燃料成本占中程航班直接运营成本的15%，占远程航班直接运营成本的26%。
更重要的是，目前的航空燃油价格并不能代表未来将碳成本内部化的经济。当生物喷气燃料的碳价格超过100美元/吨二氧化碳当量时，生物喷气燃料与基于石油的喷气燃料相比具有广泛的竞争力。1.9美元/加仑（4.1美元/加仑至2.2美元/加仑）的成本差距将缩小到0.6美元/加仑，如果今天的航空燃料价格反映了碳的社会成本（50美元/吨二氧化碳当量）。生产的纤维素生物喷气燃料的碳价为100美元/吨二氧化碳当量，可以与价格为3.0加仑/美元的传统喷气燃料竞争（相当于1978年以来最高的年均喷气燃料价格）。公平竞争需要将碳价定在170美元/吨二氧化碳当量。这个价格与IPCC SR15中避免1.5摄氏度升温所需的最低碳价格135 美元/吨二氧化碳当量（以2010年美元计算，相当于以当前美元计算的160 美元/吨二氧化碳当量）是一致的。尽管如此，仅靠碳定价不能促进生物能源的可持续土地利用，还需要有针对性的农业政策作为补充。
本研究的综合框架说明了在土地、原料和水的使用限制下，可持续的土地使用模式是什么样子，同时通过模拟产量的水气候反馈纳入土地表面-大气相互作用，并将整个生物喷气燃料供应链的温室气体排放的成本和收益内部化。本研究发现，要满足美国未来的航空燃料需求，需要将Eastern CONUS总边际土地基数的五分之一转化为芒属植物，与柳枝稷相比，芒属植物产量更高，更经济，也更节省土地。一些边际农田的迁移是保持土壤湿度和减少水资源压力的必要权衡，这也通过将生物量种植集中在更有生产力的边际土地上来减少生物喷气燃料的土地足迹。与以前的研究结果一致，本研究中的生物喷气燃料的生产比传统喷气燃料的温室气体密集程度要低得多。然而，进一步减少温室气体排放(在碳定价机制下可以实现)需要转换更多的耕地。总体而言，在不同的碳价格下，平衡温室气体减排和增量耕地转换的可持续的、高生产率的生物量土地足迹主要围绕中西部的玉米/大豆种植区，明显地将平原地区排除在外。
启示与思考
本科生科研中对于全球生物质供给分析的一个关键不足在于对具体的种植模式缺乏探索。这篇有趣的研究聚焦于航空业减排所十分必要的液体生物燃料的生产与供应，并集中且精细地分析了边际土地供给的可行性。
评估过程中也同时考虑了气候、水文、农业、经济等多个模型之间的耦合与关联。得到的结果很丰富，既包括供给曲线提供的经济可行性分析，也涵盖了不同情景下土地利用的变化情况，以及不同碳价下的减排与土地利用，甚至包括对整个生物喷气燃料行业部署的政策建议。
模型得到的结论是鼓舞人心的，生物质在未来应该会对航空业的脱碳起到重要作用。
编辑&排版：房晨
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