楊曉軍，袁中楠，丁水汀，侯德銘

中國民航大學(xué)，天津 300300

目前，航空業(yè)的碳排放量約占全球人為CO2總排放量的2%[1]。由于航油燃燒產(chǎn)生的CO2基本排放在大氣平流層，其所產(chǎn)生的實(shí)際溫室效應(yīng)要比地面排放大4倍左右，危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他行業(yè)[2]。盡管受冠狀病毒的短期影響，航空運(yùn)輸量顯著減少，但由于貿(mào)易和旅行的全球化，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)中葉，航空排放量將增加3倍以上[3]。如果航空業(yè)能夠成功脫碳，將會(huì)在很大程度上減少碳排放，從而對全球氣候變化產(chǎn)生積極影響[4]。因此，國際民用航空組織（ICAO）及其成員國正在共同努力制訂國家行動(dòng)計(jì)劃，以減少國際航空的CO2排放。

為了遏制航空排放，ICAO及其成員國同意以國際航空碳抵消和減排計(jì)劃（CORSIA）的形式實(shí)施全球碳市場計(jì)劃，并且制定了全球理想目標(biāo)，即從2020 年起在國際航空領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中性增長。受制于嚴(yán)格的性能和規(guī)格要求，其他替代燃料（如氫氣、液化天然氣或電池電力）短期內(nèi)尚不可行。因此，使用基于生物質(zhì)原料的可持續(xù)航空燃料（SAF）可以在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[5]。然而，有研究表明，一些替代燃料與傳統(tǒng)噴氣燃料相比實(shí)際上會(huì)使環(huán)境問題變得更糟，甚至增加碳排放，所以要想確定SAF是否可以真正實(shí)現(xiàn)碳減排，全生命周期評(píng)價(jià)（LCA）就顯得尤為重要。

LCA是一種用于評(píng)估產(chǎn)品在全生命周期中對環(huán)境影響程度的方法。與航空燃料的其他評(píng)價(jià)方法不同，CORSIA LCA方法是將原料、工藝、運(yùn)輸和燃料燃燒各部分評(píng)估的影響方法結(jié)合起來，對不同的原料提供整個(gè)生命周期內(nèi)選定技術(shù)的所有溫室氣體（GHG）排放評(píng)估[6]。CORSIA LCA方法是國際上第一個(gè)用于計(jì)算航空燃料生命周期GHG 排放的方法。其主要包含三個(gè)關(guān)鍵要素：（1）核心生命周期（CLCA）排放。CLCA 需要考慮整個(gè)燃料供應(yīng)鏈中的質(zhì)量和能量流，對燃料從提取到生產(chǎn)再到最終燃燒過程中產(chǎn)生的GHG排放進(jìn)行分析評(píng)估。（2）土地利用變化（LUC）排放。LUC排放是由土地利用類型改變所導(dǎo)致的，分為土地從其他用途（如非原料農(nóng)田、森林和草原）轉(zhuǎn)換為SAF原料生產(chǎn)時(shí)造成的直接土地利用變化（DLUC）排放和隨著SAF原料需求量的加大，用于生物質(zhì)作物生產(chǎn)的土地增多而導(dǎo)致的作物生產(chǎn)水平變化以及國內(nèi)外土地用途改變所引起的間接土地利用變化（ILUC）排放[7]。（3）排放信用（CE）。排放信用是基于固體廢棄物管理對城市固體廢棄物（MSW）的種類、數(shù)量和處理效果進(jìn)行測算而產(chǎn)生的一種環(huán)境信用。這種環(huán)境信用可以用于抵消以MSW為原料生產(chǎn)的SAF在生命周期內(nèi)產(chǎn)生的GHG 排放，從而實(shí)現(xiàn)廢棄物管理、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的有機(jī)結(jié)合。對于生物質(zhì)作物，CORSIA LCA值由CLCA和LUC排放值之和給出。因此，只有正確核算SAF引起的CLCA和LUC排放，確定最合適的生物質(zhì)原料及工藝路徑，才能推動(dòng)航空業(yè)凈零碳新路徑的發(fā)展。

目前，國內(nèi)外對SAF 均進(jìn)行了不同程度的研究。E.Crossin[8]通過評(píng)估以澳大利亞南部地區(qū)的小桉樹為原料制噴氣燃料的LCA 值，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)噴氣燃料，小桉樹制噴氣燃料可減少40%的溫室氣體排放。A.Alam 等[9]研究了適合埃塞俄比亞芥種植的土壤和氣候條件，確定了佐治亞州、亞拉巴馬州和佛羅里達(dá)州三個(gè)種植埃塞俄比亞芥的合適地點(diǎn)。S.Michailos[10]研究了甘蔗渣生產(chǎn)噴氣燃料的能源轉(zhuǎn)化效率，并對其進(jìn)行了LCA 評(píng)估，結(jié)果表明甘蔗渣制噴氣燃料可實(shí)現(xiàn)26.5%的能源效率，GHG減排量約為47%。Han等[11]通過對油料種子的加氫處理工藝（HEFA）、玉米秸稈的費(fèi)托（FT）工藝以及玉米秸稈的熱解工藝進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)航油對比，得到油料種子HEFA工藝GHG減排量為41%～63%、玉米秸稈FT工藝GHG減排量為89%，玉米秸稈熱解工藝GHG 減排量為68%～76%。劉文質(zhì)[12]對基于玉米秸稈的FT工藝進(jìn)行了生命周期評(píng)估，發(fā)現(xiàn)工藝生產(chǎn)階段用電造成的排放與玉米稈的生長階段肥料造成的排放對生命周期排放的貢獻(xiàn)度最高。于點(diǎn)[13]以生物質(zhì)稻殼為原料，對FT 和生物油催化裂解氣費(fèi)托合成—烯烴齊聚耦合制取航煤（FT-OP）兩種工藝路徑進(jìn)行分析，結(jié)果表明FT 工藝的環(huán)境性要優(yōu)于FT-OP工藝。由此可見，國內(nèi)外學(xué)者對生物質(zhì)燃料的研究多集中在核心生命周期排放上，忽視了土地利用變化排放對能源作物可持續(xù)性的直接影響，而土地利用變化排放是實(shí)現(xiàn)零碳甚至負(fù)碳排放的關(guān)鍵因素，同時(shí)對于生物質(zhì)燃料能否作為SAF以及能源作物的可持續(xù)性缺乏系統(tǒng)的研究。

鑒于此，本文旨在依據(jù)CORSIA SAF可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合ICAO CORSIA定義的生命周期排放模型，提供一套完整的基于生物質(zhì)的SAF 全生命周期可持續(xù)性評(píng)價(jià)方法，為我國SAF可持續(xù)性認(rèn)證提供理論指導(dǎo)。

1 CORSIA SAF可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)

SAF可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)CORSIA批準(zhǔn)的由可持續(xù)發(fā)展認(rèn)證計(jì)劃在獨(dú)立認(rèn)證基礎(chǔ)上判斷SAF 合規(guī)性的依據(jù)，旨在為SAF的生產(chǎn)商在可持續(xù)性投資方面以及航空公司在國際航班中使用SAF 提供保障。當(dāng)前已有124 個(gè)國家加入CORSIA，而CORSIA SAF 標(biāo)準(zhǔn)也是目前唯一國際性的標(biāo)準(zhǔn)。CORSIA SAF 可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)見表1[14]。本文所用單位有：gCO2e/MJ（克二氧化碳當(dāng)量/兆焦）、kgC/m2（千克碳/平方米）、kgC/ha（千克碳/公頃）、MJ/t（兆焦/噸）和t/yr（噸/年）。

表1 CORSIA SAF的可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)1Table 1 CORSIA SAF sustainability criteria

航空替代燃料要想作為SAF，除了需要符合最基本安全性標(biāo)準(zhǔn)，還需要符合CORSIA 可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)。由表1 可以看出，如果一種生物質(zhì)要作為SAF的原料，首先，它的種植地不能是高碳土地，因?yàn)槿绻麑Ω咛纪恋剡M(jìn)行耕作，會(huì)導(dǎo)致土地碳庫損失，從而造成碳排放。其次，在計(jì)算LUC 排放值時(shí)，需同時(shí)計(jì)算DLUC 和ILUC 的排放值，并選擇其中數(shù)值較大的進(jìn)行最終的全生命周期溫室氣體排放核算，只有估算了生物質(zhì)原料所引起的最大的LUC排放，才能確保其可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的碳減排。通過溫室氣體的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以看出，只有當(dāng)航空替代燃料全生命周期排放值相比于傳統(tǒng)航空燃料至少要減少8.9gCO2e/MJ 時(shí)才可被視為SAF。制定SAF 可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)對于消除排放到大氣中的GHG 至關(guān)重要，它將推動(dòng)SAF 的研發(fā)與應(yīng)用，減少對化石燃料的依賴，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)，同時(shí)還可以產(chǎn)生社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，創(chuàng)造額外的就業(yè)機(jī)會(huì)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。為此，需要有一套全生命周期評(píng)價(jià)方法對其進(jìn)行評(píng)估。

2 全生命周期排放評(píng)估模型

SAF 全生命周期排放方法是將原料、工藝、運(yùn)輸和燃料燃燒各部分評(píng)估的影響方法結(jié)合起來，對不同的原料提供整個(gè)生命周期內(nèi)選定技術(shù)的GHG排放進(jìn)行評(píng)估。該方法考慮了產(chǎn)品在整個(gè)生命周期中對環(huán)境的影響程度。其主要包含三個(gè)關(guān)鍵要素，即CLCA 排放、LUC 排放和排放信用。根據(jù)原料類型不同，如果原料是生物質(zhì)作物，需要考慮由土地利用變化引起的LUC 排放和由原料生產(chǎn)SAF 全過程造成的CLCA排放；對于MSW原料，則無須考慮LUC排放，而是對使用MSW避免的排放信用和CLCA排放進(jìn)行評(píng)估。生命周期排放評(píng)估模型示意圖如圖1所示。

圖1 SAF全生命周期排放強(qiáng)度建模流程Fig.1 SAF whole life cycle emission intensity modeling flow chart

根據(jù)上述說明，基于生物質(zhì)原料的SAF 全生命周期溫室氣體排放值LSf可表示為

2.1 核心生命周期排放評(píng)估模型

通常來講，歸因分析方法是指以數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算每種路徑中各個(gè)環(huán)節(jié)對最終結(jié)果的影響程度的方法。本文對CLCA GHG排放的計(jì)算將使用LCA歸因分析方法，即以數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算燃料生產(chǎn)供應(yīng)鏈中產(chǎn)生溫室氣體排放的所有過程（原料種植和收集、原料運(yùn)輸、燃料加工、燃料運(yùn)輸和燃料燃燒），如式（2）所示

式中，CE表示CLCA 排放強(qiáng)度，是指與提取、生產(chǎn)、運(yùn)輸和消耗單位能源的燃料相關(guān)的GHG排放量；Efe_p代表原料種植階段，包括原料種植、收獲、加工、回收所有活動(dòng)產(chǎn)生的GHG排放；Efe_t代表原料運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的GHG 排放；Efefu_p代表將原料轉(zhuǎn)換為SAF 過程中產(chǎn)生的GHG 排放，目前常見的轉(zhuǎn)換路徑有5 種，即FT 工藝、加氫處理酯和脂肪酸（HEFA）、合成異烷烴（SIP）、乙醇制航空燃料（ETJ）和異丁醇制航空燃料（ATJ）；Efu_t代表燃料運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的GHG 排放；Efu_c代表飛機(jī)飛行時(shí)燃料燃燒產(chǎn)生的GHG排放，由于生物質(zhì)原料在種植過程中會(huì)吸收大氣中的GHG，假設(shè)飛機(jī)燃燒產(chǎn)生的GHG與原料種植吸收的GHG相等，那么，Efu_c= 0。

2.2 土地利用變化排放評(píng)估模型

在全生命周期過程中，SAF 原料生產(chǎn)造成的土地利用變化排放是SAF 的一個(gè)潛在劣勢。LUC 會(huì)引起地上和地下碳儲(chǔ)量的變化而導(dǎo)致碳泄漏，如果碳泄漏過大，SAF全生命周期GHG排放可能會(huì)高于傳統(tǒng)航油，這不僅不會(huì)減少碳排放，還會(huì)增加環(huán)境負(fù)擔(dān)。SAF原料的LUC排放取決于由碳儲(chǔ)量損失導(dǎo)致的CO2排放和因土地殘存生物質(zhì)處理、土地徑流影響等產(chǎn)生的非CO2排放，為了與CLCA 分析保持一致，需要進(jìn)行LUC的排放強(qiáng)度計(jì)算，即

式中，LUCe表示LUC 排放強(qiáng)度，是指與土地利用變化相關(guān)的GHG排放；F代表土地轉(zhuǎn)化為原料生產(chǎn)的排放系數(shù)，即每單位面積土地發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的GHG排放；L代表土地面積；4 種考慮因素i、j、k、r 分別代表排放類別、土地類型、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)、國家地區(qū)，對于DLUC，只需考慮土地類型這一種因素，而對于ILUC，需考慮由種植SAF 原料造成的相關(guān)土地轉(zhuǎn)換的所有因素，詳細(xì)說明見表2；T代表排放攤銷期，即土壤碳庫變化的時(shí)間，通常是25 年；E代表能量輸出，就是燃料燃燒所獲得的能量，等于每單位SAF原料中可以轉(zhuǎn)化為燃料的能量與SAF原料產(chǎn)量的乘積。

表2 LUC排放模型考慮因素Table 2 Factors of LUC emission model

排放系數(shù)F是描述特定活動(dòng)向大氣排放溫室氣體的速率的系數(shù)，是將釋放到大氣中的污染物的數(shù)量與引起該污染物釋放的相關(guān)活動(dòng)聯(lián)系起來的一個(gè)代表值[15]，定義排放系數(shù)計(jì)算公式如式（4）所示

其中

式中，ΔC代表土地轉(zhuǎn)化造成的碳儲(chǔ)量變化，具體計(jì)算見式（6）～式（8）；FCO2代表CO2排放系數(shù), 可通過C到CO2的化學(xué)計(jì)量轉(zhuǎn)換計(jì)算；FnCO2代表非CO2排放系數(shù)，具體計(jì)算見式（9）～式（11）。

碳儲(chǔ)量即碳的儲(chǔ)備量，通常包括有機(jī)碳儲(chǔ)量（SOC）和地上與地下碳儲(chǔ)量（CVEG）。碳儲(chǔ)量變化是指碳庫中的碳儲(chǔ)量由于碳增加或碳損失而發(fā)生的變化。當(dāng)損失大于增加時(shí)，碳儲(chǔ)量變小，因而該碳庫為碳源；當(dāng)損失小于增加時(shí)，碳儲(chǔ)量變大，該碳庫為碳匯。碳儲(chǔ)量（C）計(jì)算如式（6）所示

式中，SOC 代表有機(jī)碳儲(chǔ)量，是土壤有機(jī)質(zhì)中所含碳的量度；CVEG代表地上和地下碳儲(chǔ)量。

SOC表達(dá)式為

式中，SOCR代表參考有機(jī)碳儲(chǔ)量；FLU代表土地利用系數(shù)，反映了與土地利用類型相關(guān)的土壤有機(jī)碳的差異；FMG代表管理系數(shù)，反映了與土壤管理相關(guān)的土壤有機(jī)碳差異；FI代表投入系數(shù)，反映了與投入土壤的不同碳水平相關(guān)的土壤有機(jī)碳的差異。

CVEG表達(dá)式為

式中，CAGB代表生物質(zhì)的地上生物量；CBGB代表生物質(zhì)的地下生物量；CDW代表枯木中的碳儲(chǔ)量；CLI代表凋落物中的碳儲(chǔ)量。

對于非CO2溫室氣體，通常主要考慮甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氮氧化物（NOX）等。在土地非CO2排放的不同來源中，將土地轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)原料用地需要考慮兩種排放來源：（1）因土地開墾而燃燒的生物質(zhì)；（2）土地轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的土壤礦化。

定義非CO2排放系數(shù)表達(dá)式為

式中，F(xiàn)F 代表與清理土地相關(guān)的生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的非CO2排放量，F(xiàn)M代表與土地轉(zhuǎn)換相關(guān)的土壤礦化引起的非CO2排放量。定義FF表達(dá)式為

式中，α表示土地因生物質(zhì)燃燒而清除的面積比例；β表示土地的燃燒系數(shù)；CVEGA表示地上生物質(zhì)碳儲(chǔ)量；GCH4表示土地轉(zhuǎn)換前生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的CH4排放系數(shù)；GN2O表示土地轉(zhuǎn)換前生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的N2O 排放系數(shù)；GNOX表示土地轉(zhuǎn)換前生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的NOX排放系數(shù)；GWPCH4表示與CH4排放相關(guān)的IPCC全球變暖潛力；GWPN2O表示與N2O排放相關(guān)的IPCC 全球變暖潛力；GWPNOX表示與NOX排放相關(guān)的IPCC全球變暖潛力；θ表示木質(zhì)生物質(zhì)含碳率。

定義FM表達(dá)式為

式中，EF1代表土地直接排放的排放系數(shù)；ΔSOC 代表土地轉(zhuǎn)換造成的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量損失；R代表土壤有機(jī)質(zhì)的碳氮比；EF5代表土壤徑流引起的間接排放系數(shù)；FracLEACH-(H)表示因?yàn)閺搅鲹p失的氮分?jǐn)?shù)。

2.3 副產(chǎn)物固碳模型

在燃料加工過程中，產(chǎn)生的并不完全都是航空燃油，還會(huì)有部分副產(chǎn)物（廢渣），這些副產(chǎn)物可以利用起來做成炭基肥、生物基材料、飼料等，這樣可避免由副產(chǎn)物造成的GHG排放。為了保證計(jì)算碳排放的完整性，本文將考慮副產(chǎn)物的固碳效果，即因副產(chǎn)物二次利用而避免的GHG 排放。定義燃料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物的固碳能力表達(dá)式為

式中，mcop代表燃油生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物的質(zhì)量，t/t原料；Ccop代表副產(chǎn)物中的碳含量；γ代表副產(chǎn)物的利用率；E代表生物質(zhì)燃燒所獲得的能量，MJ/t原料。

在計(jì)算時(shí)需注意的是：（1）符合可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)中溫室氣體減排持久性的要求；（2）避免重復(fù)計(jì)算。

3 結(jié)果與討論

3.1 原料選擇

第一代生物質(zhì)制取SAF的主要原料是大豆、菜籽、棕櫚等油脂類作物，其技術(shù)也是最為成熟的HEFA，但隨著SAF需求量的持續(xù)增加，由于考慮到這些生物質(zhì)原料存在“與人爭糧”的問題，所以已被淘汰。有研究表明，以纖維素能源作物（能源草）為原料制成的SAF相比于傳統(tǒng)航空煤油在生命周期排放內(nèi)可以減少85%～94%的GHG 排放量[16]。目前，美國在進(jìn)行柳枝稷的研究和開發(fā)，歐盟則重點(diǎn)開發(fā)利用芒屬植物。我國擁有豐富的能源草種植資源和邊際土地，在能源草開發(fā)利用上也具有較強(qiáng)優(yōu)勢[17]。

圖2 所示為已有的SAF 默認(rèn)生命周期排放值，可以看出，纖維素類能源植物全生命周期排放值普遍低于油脂類、糖/淀粉類作物。同時(shí)，由FT 工藝路徑生產(chǎn)的SAF 全生命周期排放值低于其他4種路徑。由于基于生物質(zhì)的SAF核心生命周期排放值始終為正值，說明在此階段總會(huì)造成GHG 排放，所以要想實(shí)現(xiàn)SAF 零碳甚至負(fù)碳排放，土地利用變化排放是關(guān)鍵性要素。

圖2 SAF默認(rèn)生命周期排放值Fig.2 SAF default life cycle emissions values

通過近年來的種植研究發(fā)現(xiàn)，蘆竹可能是實(shí)現(xiàn)零碳甚至負(fù)碳的重要作物之一。該纖維素類能源作物為多年生植物，具有較高的光合速率，可在荒地、灘涂地、鹽堿地以及退化土壤地等惡劣的土壤環(huán)境生長，并且該能源作物為固氮植物，本身含有水楊酸成分，生長過程中不需要化肥和農(nóng)藥，肥料主要來自空氣中的氮。主要成分參數(shù)見表3。

表3 主要成分參數(shù)Table 3 The main component parameters

3.2 土地利用變化排放分析

目前，新疆、內(nèi)蒙古、安徽、遼寧、湖北等地區(qū)都有該種纖維素類能源植物的試點(diǎn)種植基地，本文以湖北地區(qū)為例，詳細(xì)說明種植該種能源植物所造成的DLUC 排放計(jì)算流程。

（1）確定由種植該作物引起的CO2排放計(jì)算參數(shù)。首先，需要確定原料種植地轉(zhuǎn)換前后的土地類型，目前土地類型主要分為林地、農(nóng)田、草地、濕地、聚居地及未利用地六大類。因?yàn)榉N植該能源植物主要開發(fā)的是邊際土地，所以本文假設(shè)作物轉(zhuǎn)換之前的種植地為未利用土地，后面需要對土地進(jìn)行耕種、收割、管理等農(nóng)業(yè)活動(dòng)，因此轉(zhuǎn)換后的土地類型定為農(nóng)田。該種植地位于我國18 個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)中的R14[18]，其土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（0～20cm）參考值為3.95kgC/m2±1.15kgC/m2。

其次，確定與土地利用排放相關(guān)的系數(shù)，即土地利用系數(shù)FLU、管理系數(shù)FMG以及投入系數(shù)FI。由于土地轉(zhuǎn)換之前為未利用土地，所以假設(shè)轉(zhuǎn)換之前未對該土地進(jìn)行管理，也基本沒有土地投入，那么FLU=1，F(xiàn)MG=1，F(xiàn)I=1；轉(zhuǎn)換之后由于一系列的農(nóng)業(yè)活動(dòng)而導(dǎo)致土地投入增加，但該種作物生長過程中的肥料主要來自空氣中的氮，不需要額外施肥，因此只需對土地進(jìn)行較少的管理與耕種，通過查詢多年生作物土地利用排放系數(shù)表[19]可得：FLU=1，F(xiàn)MG=1.08，F(xiàn)I=1.44。通過國內(nèi)外對纖維素類能源作物制生物油的研究，假設(shè)原料與SAF之間的轉(zhuǎn)化率為50%。

（2）確定由種植該作物引起的非CO2排放計(jì)算參數(shù)。土地利用造成的非CO2排放包括兩類：一是清理殘留生物質(zhì)燃燒造成的排放，由于種植作物前該土地是未利用土地，存在的生物質(zhì)植物較少，因此忽略不計(jì)。二是土地礦化造成的排放，主要與土壤氮揮發(fā)直接排放系數(shù)、土壤徑流間接排放系數(shù)、土壤有機(jī)碳、碳氮比等因素有關(guān)。具體參數(shù)選擇見表4。

表4 確定由土地利用變化引起的GHG排放［20］Table 4 Determination of GHG emissions caused by land use change［20］

由于缺少實(shí)測數(shù)據(jù)，所以計(jì)算數(shù)據(jù)采用已有研究數(shù)據(jù)以及IPCC默認(rèn)參數(shù)值，具體數(shù)據(jù)選擇見表4[20]。同時(shí)，利用表4 數(shù)據(jù)并依據(jù)第2 節(jié)的LUC 計(jì)算方法，可計(jì)算出該種纖維素類能源植物在湖北地區(qū)的DLUC 排放強(qiáng)度為-9.94gCO2e/MJ，說明該土地用于種植該種纖維素類能源植物后并不會(huì)造成土地利用變化GHG排放，甚至可以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放。

圖3所示為計(jì)算的該種纖維素類能源植物在其他種植地區(qū)的DLUC排放值，通過比較可以看出，所有種植地區(qū)均能實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放，其中四川地區(qū)的DLUC排放值最低，說明該種植區(qū)土地固碳能力最強(qiáng)，更有利于SAF 可持續(xù)性發(fā)展。

圖3 基于纖維素類能源植物的SAF在不同地區(qū)的DLUC排放Fig.3 DLUC emissions in different regions of SAF based on cellulosic energy plants

計(jì)算出以該種纖維素類能源植物為原料生產(chǎn)的SAF ILUC排放強(qiáng)度為-9.91gCO2e/MJ，具體確定參數(shù)見表5。

表5 確定由間接土地利用變化引起的GHG排放Table 5 Determination of GHG emissions caused by indirect land use change

依據(jù)SAF可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于碳儲(chǔ)量主題的第二條評(píng)價(jià)指標(biāo)，需要同時(shí)計(jì)算由土地轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的DLUC 和ILUC 的GHG排放值，如果DLUC排放值超出ILUC排放值，將使用DLUC 排放值替代ILUC 排放值。不同地區(qū)的DLUC 和ILUC 排放強(qiáng)度值如圖4 所示，可以看出新疆、遼寧、內(nèi)蒙古、廣東地區(qū)的DLUC 排放強(qiáng)度明顯高于ILUC 排放強(qiáng)度。因此，將使用4 個(gè)地區(qū)中最高的DLUC 排放值作為以該種纖維素類能源植物生產(chǎn)SAF產(chǎn)生的LUC排放值，即LUCe=-8.68gCO2e/MJ。

圖4 土地利用變化排放強(qiáng)度Fig.4 Emission intensity of land use change

3.3 核心生命周期排放分析

SAF原料的核心生命周期排放是使用歸因計(jì)算方法，對原料種植、原料收獲、原料運(yùn)輸、燃料加工、燃料運(yùn)輸、燃料燃燒各個(gè)階段的資源消耗和能源使用產(chǎn)生的排放進(jìn)行評(píng)估。

由于當(dāng)前缺乏該種纖維素類能源植物生產(chǎn)SAF過程中各階段的資源消耗清單與排放值，已知該種纖維素類能源植物中的纖維素含量約為37.74%、半纖維素含量約為19.97%、木質(zhì)素含量約為26.11%，與玉米秸稈相當(dāng)[21]，所以為了研究的完整性，本文采用玉米秸稈生產(chǎn)SAF 的核心生命周期各階段數(shù)據(jù)作為替代進(jìn)行分析[22]。其工藝轉(zhuǎn)化路徑分為三種：（1）采用FT路徑，并且產(chǎn)生的余熱蒸汽用于工業(yè)用汽或城市供暖（FTJ-1）；（2）采用FT 路徑，利用燃燒爐余熱將產(chǎn)生的水蒸氣加熱加壓進(jìn)行循環(huán)發(fā)電并用于生產(chǎn)耗電及預(yù)處理過程耗電（FTJ-2）；（3）采用生物油裂解氣費(fèi)托合成—烯烴齊聚耦合制SAF[23]（PYJ）。SAF 生產(chǎn)路徑流程示意圖如圖5所示。

圖5 SAF生產(chǎn)路徑流程示意圖Fig.5 SAF production path flow diagram

由圖5可以看出，能源植物通過熱解會(huì)產(chǎn)生合成氣、生物油、生物炭三種產(chǎn)物，其中合成氣可直接通過FT 路徑生產(chǎn)SAF，生物油可通過PYJ路徑制取SAF，副產(chǎn)物生物炭將在3.4節(jié)進(jìn)行詳細(xì)討論。經(jīng)計(jì)算，各工藝轉(zhuǎn)化路徑的CLCA GHG排放強(qiáng)度值見表6，可以看出，各工藝路徑生產(chǎn)均會(huì)產(chǎn)生GHG排放，其中采用FTJ-2生產(chǎn)路徑的總排放值明顯低于其他兩種路徑。

表6 CLCA GHG排放清單Table 6 CLCA GHG emission inventory

對CLCA不同工藝路徑主要資源消耗排放強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出，電力消耗是CLCA中最大的排放源，而在工藝轉(zhuǎn)化階段耗電量較多，產(chǎn)生的排放就最高。同時(shí)可以看出，采用FTJ-2生產(chǎn)路徑，合理利用余熱蒸汽進(jìn)行循環(huán)發(fā)電并將其用于生產(chǎn)中，可以有效減少電力消耗造成的排放，其工藝轉(zhuǎn)化階段排放顯著降低，因此最終的CLCA的總排放值也就最低。

圖6 三種工藝路徑資源消耗的排放強(qiáng)度Fig.6 Emission intensity of resource consumption of three process paths

3.4 副產(chǎn)物固碳分析

由圖5 可以看出，從纖維素類原料到SAF 工藝轉(zhuǎn)換過程中，會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物，即生物炭。生物炭作為副產(chǎn)物可以有多種利用途徑，最為常見的就是將其作為炭基肥應(yīng)用到土壤中，改善土壤環(huán)境，從而促進(jìn)能源植物的生長和提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量[24]，所以本文將考慮生物炭的固碳效果。根據(jù)當(dāng)前公開數(shù)據(jù)的整理，生物炭的主要成分見表7，該種纖維素類能源植物熱解后生物炭的產(chǎn)率約為26.1%。

表7 生物炭成分Table 7 Biochar composition

基于第2節(jié)副產(chǎn)物固碳模型，本文假設(shè)生物炭利用率為100%，經(jīng)計(jì)算，生物炭的最大固碳強(qiáng)度為-42.688gCO2e/MJ。

3.5 全生命周期排放分析

根據(jù)以上分析，基于第2節(jié)全生命周期排放理論模型，以該種纖維素類能源植物為原料生產(chǎn)的SAF全生命周期排放值見表8。依據(jù)SAF可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于GHG主題的評(píng)價(jià)指標(biāo)，與航空燃料的基線排放值（89gCO2e/MJ）相比，全生命周期GHG排放至少要減少8.9gCO2e/MJ才能滿足SAF可持續(xù)性要求。

表8 基于纖維素類能源植物的SAF全生命周期排放值Table 8 Whole life cycle emission value of SAF based on cellulosic energy plants

經(jīng)計(jì)算，基于該能源植物的SAF采用FTJ-1工藝路徑的LSf減排值為69.29gCO2e/MJ，采用FTJ-2 工藝路徑的LSf減排值為92.80gCO2e/MJ，采用PYJ 工藝路徑的LSf減排值為71.19gCO2e/MJ，三種路徑的減排值均大于8.9gCO2e/MJ，滿足可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)中GHG 減排指標(biāo)，其中基于該能源植物的FTJ-2 工藝路徑生產(chǎn)的SAF 可實(shí)現(xiàn)全生命周期負(fù)碳排放。在考慮了生物炭的固碳效果后，三種路徑均可以實(shí)現(xiàn)全生命周期負(fù)碳排放，說明要合理利用燃料加工過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物，將其轉(zhuǎn)化為可利用的資源，避免造成更多的碳排放。

3.6 敏感性分析

目前，我國對于SAF可持續(xù)性的研究處于起步階段，一些相關(guān)數(shù)據(jù)缺失。考慮到各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)收集與計(jì)算的差異性，本文對基于該能源植物的FTJ-2 工藝路徑生產(chǎn)的SAF兩種情形（考慮和不考慮生物炭固碳效果）的全生命周期GHG排放值進(jìn)行了敏感性分析。

對于FTJ-2工藝，其全生命周期GHG排放量有95%的可能性介于-14.36～3.04gCO2e/MJ 之間，而分布平均值為-5.5gCO2e/MJ，如圖7（a）所示?；谶@一范圍，與傳統(tǒng)航空燃料相比，相對GHG減排分別為116.1%和96.6%。最大和最小GHG 排放量分別為9.5gCO2e/MJ 和-21gCO2e/MJ，相對GHG 減排達(dá)到89.3%和123.6%。圖7（b）是考慮生物炭固碳效果后的SAF FTJ-2 工藝路徑GHG 排放的不確定性分析，可以看出，其全生命周期GHG 排放量有95%的可能性介于-57.05～-39.65gCO2e/MJ 之間，而分布平均值為-48.35gCO2e/MJ。基于這一范圍，與傳統(tǒng)航空燃料相比，相對GHG 減排分別為164.1%和144.6%。最大和最小GHG排放量分別為-33gCO2e/MJ 和-63.5gCO2e/MJ，相對GHG減排達(dá)到137.1%和171.3%。

圖7 基于纖維素類能源植物的SAF FTJ-2工藝路徑全生命周期GHG排放的不確定性分析Fig.7 Uncertainty analysis on GHG emissions in the whole life cycle of SAF FTJ-2 process path based on cellulosic energy plants

4 結(jié)論

通過研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）以纖維素類能源植物FT工藝路徑生產(chǎn)的SAF的全生命周期排放值普遍低于其他原料及工藝路徑?；诓煌霞肮に嚶窂缴a(chǎn)的SAF 在CLCA 階段總會(huì)產(chǎn)生排放，而LUC 排放可以實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放，所以對于實(shí)現(xiàn)SAF 碳減排，除了提高生產(chǎn)技術(shù)水平，合理利用土地才是關(guān)鍵。

（2）纖維素類能源植物的DLUC和地區(qū)ILUC排放強(qiáng)度值均為負(fù)值，其中最高排放值為-8.68gCO2e/MJ，將其作為LUC排放值，說明將該種原料種植在低LUC風(fēng)險(xiǎn)土地才更有可能實(shí)現(xiàn)負(fù)碳排放。

（3）用纖維素類能源植物作為原料生產(chǎn)SAF的FTJ-1、FTJ-2、PYJ三種工藝路徑中，F(xiàn)TJ-2路徑的CLCA排放強(qiáng)度值最低，工藝生產(chǎn)主要排放來源為電力消耗，合理利用余熱蒸汽可抵消大量生產(chǎn)過程中的電力消耗，減少排放。

（4）SAF原料生產(chǎn)流程分析表明，熱解后會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)物生物炭，生物炭固化的碳可進(jìn)一步降低纖維素類原料各工藝全生命周期的排放，具有顯著的環(huán)境效益。

（5）與傳統(tǒng)航空燃料基線相比，基于纖維素類原料的FTJ-1、FTJ-2、PYJ 三種工藝全生命周期減排量分別為77.9%、104.3%、80.0%，考慮生物炭固碳效果后，全生命周期減排量分別為125.8%、152.2%、127.9%。