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1、不同产品碳足迹与生产周期评价研究目录不同产品碳足迹与生产周期评价研究11 碳足迹相关概念21.1 碳足迹的产生21.2碳汇21.3碳足迹的转移41.4 生命周期评价52 不同产品碳足迹与生产周期评价研究62.1 生物乙醇水62.2 茶产业10雷山县茶叶产业绿色发展存在的问题122.3 菜籽油16a.菜籽油生产全过程中间点特征化评价结果16b.菜籽油全生产过程终点特征化评价结果17c.种植阶段能源、碳和水足迹终点类别空间分布结果172.4 汽车保险杠182.5 装修垃圾203 结论221 碳足迹相关概念1.1 碳足迹的产生碳足迹是指社会活动过程中排放的温室气体(二氧化碳)集合。基于现有研究,碳足
2、迹有两种解释:一种是将碳足迹理解为区域生产活动过程中排放的碳类气体(温室气体)总量,也即区域碳排放量;另一种是将碳足迹理解为吸收(中和)区域生产活动产生的碳类气体所需要的生态土地面积。本文将尝试基于碳排放量的概念计算区域碳足迹。在碳排放量的概念框架下,碳足迹的测算主要涉及以下两大环节:(1)煤炭、石油、柴油等化石能源作为直接投入作为生产要素。在该类情形下,为核定不同能源的碳排放问题,一般采用标准煤的概念。也即,将各类不同能源通过折算标准煤系数进行等价转换。对于将化石能源作为中间投入的社会生产活动,就目前的主要消费去向为发电。也即,将化石能源作为一种投入要素,通过燃煤机组为发电提供中间产品;(2
3、)碳排放产生的关键环节是燃烧。化石能源不管作为直接投入还是作为中间投入,都会通过燃烧的方式产生碳。具体过程是,在能源燃烧后会产生热量,每单位的热量中均会含有一定比例的碳,当碳遇到空气即会氧化,从而形成温室气体-一二氧化碳。该过程也是碳转化为二氧化碳的过程。在实际中,为更简便的描述碳转化为二氧化碳的过程,一般用碳排放系数来衡量。因不同化石能源产生的热量及含碳量不一致,导致不同化石能源的碳排放系数也存在差异。基于上述过程,形成了碳足迹的测算方法:排放因子法。政府间气候变化专门委员会(IPCC)、国际能源署(IEA)、英国石油公司(BP)以及美国橡树岭国际实验室信息分析中心(CDIAC)等机构均采用
4、该方法测算各国和各地区的碳足迹。1.2碳汇碳汇主要指具备碳吸附能力的自然界物种通过化学或非化学作用中和空气中的二氧化碳,达到减少大气中的温室气体浓度的过程。根据联合国气候变化框架公约(UNFCCC),温室气体包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氢、氢氯碳化物、全氣化碳和六氣化硫等六种温室气体。但在实际分析过程中,二氧化碳排放量占主要比重,且数据相对容易获取,故大部分文献意指的碳汇均指自然界吸收二氧化碳的量。根据吸收二氧化碳的主体不同,碳汇可以分为森林碳汇、草地碳汇、耕地碳汇、土壤碳汇和海洋碳汇等。(一)森林碳汇森林碳汇指森林植物吸收空气中的二氧化碳,然后将其进行固定,以降低空气中的二氧化碳浓度。据不完全
5、统计,森林碳汇是碳汇的最主要来源,大概占全球碳汇总量的50%以上。基本过程是,林木等利用光合作用,将吸收的二氧化碳转变为氧气、有机物等,为枝叶、果实或者种子等提供营养。(二)草地碳汇草地碳汇指草原等草类植物通过光合作用将二氧化碳固定在土壤中。与森林碳汇相比,草类植物的碳汇较少,吸附碳的能力相对较弱,仅占10%左右。但是,随着退耕还林、植树造林等国家战略工程的实施,草地碳汇总量逐渐提升。(三)耕地碳汇耕地碳汇指吸附在农作物枯秤中的二氧化碳被固定到土壤中的量。具体地,耕地在用过生产的要素中,表现为两种形式:粮食和枯杆。其中,粮食被社会生产活动所消耗,无碳吸附的过程。枯秤则被燃烧,在燃烧过程中会产生
6、碳排放,增加大气中的二氧化碳浓度。但是,在燃烧完成后,残留物质会作为有机肥料用作新的生产活动中。这部分存在有机肥料中的碳,即可认为是被耕地吸附的碳。从上述过程可以看出,耕地碳汇的量相对较小,在实际碳汇测算过程中测算难度较大,一般在定量分析时较少考虑。(四)土壤碳汇土壤碳汇指土壤中的微生物能够吸附碳,从而减少大气中的温室气体。但是,也有探究表明,土壤中也存在着微生物会释放碳。因此,关于土壤碳汇是否存在,其吸附碳足迹的能力又是多少,在学界尚存在争议。(五)海洋碳汇海洋碳汇指利用海洋生物(如,海草、藻类植物、有机生物、沼类植物等)捕获空气中的二氧化碳。据不完全统计,地球上有50%以上的生物碳或绿色碳
7、是由海洋碳汇吸附的,单位海洋的固碳量是森林的10倍、草原的20倍。但是,海洋碳汇的最主要问题是数据难以获取。主要原因在于,海洋因其地理位置,很难对其进行区域性进行界定,甚至是难以从国家间进行界定。因此,海洋碳汇虽然是现实中吸附二氧化碳的主要方式,但在研究中很少学者将其进行定量分析。1.3碳足迹的转移碳足迹的转移有两类过程:一类是通过自然过程,以有机碳的形式实现碳足,迹的转移,另一类是通过自然界的空气流转,以非有机碳的形式实现碳足迹的转移。通过非有机碳的方式,主要指空气中的碳足迹随天气现象(如,风、云、雾、雨等)从一个区域转移到另一个区域。因此,该种方式的碳足迹转移主要指区域间的碳足迹转移。同时
8、,该种方式转移的碳足迹量还受到气温、湿度和气压等其他因素的影响,准确测定碳足迹的转移量有较大的难度。通过有机碳的方式,实现碳足迹的转移,是自然界中普遍存在的形式,相对容易测定。其基本过程根据有机碳的依附形式分为两种。第一种为植物通过光合作用,吸收大气中的二氧化碳,形成自身有机碳。部分有机碳随着生长与调落会离开植物体,被微生物分解的碳进入大气,未被微生物分解的碳则会成为土壤有机碳的主要来源。在此过程中,因空气流动,不同区域间吸附的碳来源是不同的,会导致碳足迹的转移,这种通过植物吸附的碳足迹转移往往依托外部环境存在,在实践中同样难以测定;第二种为通过产品生产的方式实现碳足迹的转移。产品在生产过程中
9、的碳一部分会排放到大气,另一部分则会依附在产品中。当生产的产品被其他部门或其他地区使用,相应的碳足迹业随之转移。这类碳足迹转移是实践中最为普遍存在的,也称为依靠价值链的碳足迹转移。碳足迹的影响因素通过对碳足迹的影响因素的研究,可以找出影响碳足迹大小的关键因素,从而比较分析不同地区、不同时间的碳足迹的差异性,量化各因素对环境压力的影响程度。人口因素包括人口总量、人口城镇化水平、人口年龄构成等人口结构以及居民消费等要素。人口、消费与二氧化碳排放之间存在长期稳定的关系,且具有比较显著的影响。经济发展促进了国家的发展,同时也产出了环境问题。经济规模是推动碳排放增加的主要因素。技术水平是引起碳足迹增减变
10、动的关键驱动力。技术进步体现在能源强度、高能耗产业能源结构、高能耗产业、清洁能源使用等方面,可以反应一个国家或地区的资源利用效率、经济发展与环境保护之间的平衡关系。碳足迹影响因素还涉及碳减排政策,包括碳交易政策和碳税收政策等。碳足迹的广度和深度传统的碳足迹模型能够体现碳盈余情况,在一定程度上反映碳排放对生态系统造成的压力,但无法评估碳在生态系统空间累积效应。测算经森林和草原等植被吸收后的区域碳足迹,即区域生态赤字。碳足迹广度是指在区域碳吸收承载力范围内,吸收当期区域碳排放所需占用的生态性面积;碳足迹深度是指碳生态赤字背景下,吸收当期碳排放需要消耗的碳汇情况。1.4 生命周期评价生命周期评估(L
11、CA)是国际标准ISO8中规定的一项成熟的技术,已被广泛用于评估废物管理系统中的环境影响。按照ISO 14040和ISO 14044的定义,生命周期评估是指在产品生命周期内,对产品系统的输入、输出和潜在环境影响进行汇编和评估。LCA由以下四个步骤组成:(1)目标和范围的定义。明确研究的目的和对象,是生命周期评价的首要步骤,是整个生命周期评价最重要的一个环节,直接关系到评价工作和研究结果的准确性9。(2)生命周期清单分析。生命周期清单(LCI)阶段是将给定产品系统整个生命周期或单个过程的输入和输出进行汇编和量化的过程10,11,是生命周期影响评价的重要组成部分。清单分析包括数据收集和生命周期清单
12、表中的数据汇编。(3)生命周期影响评估。生命周期影响评估识别和评估由生命周期影响产生的潜在环境影响的数量和重要性。在生命周期中的输入和输出首先被分配到影响类别,再根据表征因素对其潜在影响进行量化。在研究范围内,生命周期影响评估包含强制性要素和可选要素,其中,强制性要素包括影响类别、分类和特征化,可选要素包括归一化、分组和加权。(4)生命周期解释。生命周期解释是LCA分析的最后阶段,旨在突出生命周期中的最终论点并提出可能的出现的变化,以减少活动过程带来的的环境影响。2 不同产品碳足迹与生产周期评价研究2.1 生物乙醇水中国生物乙醇产量占比超过70%的第一代粮食乙醇的主要原材料为玉米及小麦,主要产
13、地为中国几大粮食主产省份,分别为黑龙江、吉林、河南以及安徽,以木薯为原材料的第1.5代生物乙醇占比约20%,主要产地位于中国中南部地区省份,如湖北、广西。安徽省内以小麦为原材料加工生产的生物乙醇单位质量水足迹最大,为4251m3/t,而广西省以木著为原材料生产的生物乙醇单位质量水足迹最小,仅为809.29m3/t。在几大主产区中,安徽省内的玉米生物乙醇水足迹与小麦生物乙醇水足迹表现出双高现象,小麦乙醇水足迹是中国生物乙醇水足迹的峰值,玉米乙醇水足迹横向对比也高于其他省份以玉米为原材料生产的生物乙醇水足迹,达到2499.12 m3/t,仅低于玉米乙醇最高值黑龙江的2716.71 m3/t。安徽省
14、内所产生物乙醇水足迹表现出绿水占比十分突出的特征,其中小麦绿水占比高达85.73%,玉米绿水占比83.73%,这两项指标均高于其他三省份。绿水对水足迹总量的高贡献率,是安徽省生物乙醇水足迹均高于中国平均水足迹的原因。造成这种现象的主要原因是安徽省内农作物生长过程中作物需水量主要供给者为土壤水,同时安徽省内土壤又具有比北方省份较高的土壤含水率,以上情况共同导致了安徽省作物水足迹中绿水足迹较大的事实,进而使得生产链下游生物乙醇的水足迹总量偏大且绿水足迹占绝对优势,安徽省内玉米乙醇的总水足迹为2499.12 m3/t,小麦为4251.49m3/t,玉米水足迹仅为小麦水足迹的58.78%,绝对差值为1
15、752.37m3/t,尽管玉米乙醇在水足迹中表现出明显优势,但在实际生产中,安徽省内生物乙醇的主要原材料却为小麦,造成这种落差的主要原因是原材料获取难度的不同。安徽地处中国华东地区,长江、淮河中下游,长江三角洲腹地,在地理气候上和其他几个北方省份有较大差异,这充分体现在各省之间的种植结构上。安徽省内玉米播种面积常年在880千公顷左右,产量在500万吨上下,小麦播种面积在2450千公顷浮动,产量在1400万吨上下。从上述数据中可以看到,相对于玉米,安徽省内玉米获取难易度明显大于小麦。需要注意到的是玉米在水足迹上的优势,这种相对于小麦的优势是全球性的,在全球尺度上,玉米平均水足迹小于小麦平均水足迹
16、。在中国,从省级尺度整体比较,玉米水足迹也低于小麦水足迹,同时考虑到生物乙醇“不与人争地、争粮”的要求,安徽选择小麦作为其生物乙醇的主要原材料是较为合理的。鉴于第一代粮食乙醇存在上述描述中出现的“与人争地、争粮”、淡水资源消耗较大、原材料获取难度较大等问题,安徽正加大力度发展第1.5代非粮乙醇,选用在中国南方具有较好种植优势的木薯作为生产原材料,有关以木薯为原材料生产的生物乙醇将于下文进行更为详细讨论。a.中国以玉米为原材料的生物乙醇水足迹在第一代以粮食为原材料生产的生物乙醇中,从水足迹的角度可以清晰地看到,以玉米为原材料的生物乙醇具有比较明显的优势,中国玉米乙醇水足迹的最大值发生在黑龙江省内
17、,为2716.71 m3/t,这仅仅比中国以小麦为原材料的生物乙醇最小值,发生在河南的2712.56 m3/t高出个位数水足迹。单一省内比较,吉林省玉米乙醇具有最大的水足迹优势,玉米乙醇水足迹同比为省内小麦乙醇水足迹总量的53%,绝对值差值为1753.64m3/t。在省内玉米乙醇与小麦乙醇水足迹对比上,安徽省及黑龙江省表现出与吉林省相同的水足迹特征,玉米乙醇有明显水足迹优势。某作物的水足迹优势在一定程度上反向证明着该地区具有此种作物的种植优势。吉林省处于黄金玉米带,在种植玉米上有得天独厚的优势,是中国玉米单产最高的省份,单产比第二名的黑龙江高出20%,同时玉米种植面积第二大、玉米总产量第二高。
18、黑龙江是中国玉米种植面积最大与总产量最高的省份,虽种植优势没有吉林省突出,但玉米相对小麦优势仍明显,这也表现在黑龙江省近几十年来的种植模式改变上,自1993年后黑龙江省玉米种植面积成明显上升趋势,从1993年的177.7万公顷,上升到2015年峰值772.3万公顷,同比小麦从1993年的133.7万公顷,一路下降至2015年谷值7.5万公顷。2000年后黑龙江省玉米种植面积扩大趋势进一步加快,年产量也逐年提高,2001年为了解决大量“陈化粮”处理问题,同时改善大气及生态环境质量,调整能源结构,国家启动了生物燃料乙醇试项目,黑龙江省与吉林省也选用了玉米作为其生物乙醇的原材料。从水足迹角度出发,黑
19、龙江和吉林的玉米均具有明显优势,两省均选择玉米作为生物乙醇原材料,这符合国家启动生物乙醇研发应用的初衷,较为出色地完成了解决“陈化粮”、减少温室气体排放,优化能源结构的任务。吉林是中国以玉米作为生物乙醇原材料产能最大的省份,其玉米种植优势明显,生物乙醇水足迹的构成也呈现出与其他省份的不同。吉林省玉米乙醇水足迹是中国第一代粮食乙醇水足迹中的最小值,为1997.23 m3/t,其中绿水足迹1569.14 m3/t,占比78.57%,蓝水足迹为428.09m3/t,占比21.43%。在蓝水足迹中,生产过程中消耗电能所产生的水足迹为398.00 m3/t,占蓝水足迹的92.97%,生产过程中消耗淡水产
20、生的水足迹为10.53m3/t,占蓝水足迹的2.46%,玉米蓝水足迹为10.73 m3/t,占蓝水足迹比例为2.42%,生产过程中消耗天然气所产生的蓝水足迹为8.68m3/t,占蓝水比例2.03%,煤炭蓝水足迹0.51 m3/t,比例为0.12%。中国各省玉米乙醇水足迹中,绿水足迹均占据主要比重,全部超过了75%,其中安徽更是达到了83.73%,安徽绿水占比高的原因已于前文讨论,此处不再赘述。中国生物乙醇绿水足迹处于主导地位,生物乙醇的总水足迹的最终大小在相当大的程度上取决于绿水足迹的多少,即原材料的绿水足迹,这种结果符合现有国内外相关研究的主流观点,这种特点不仅体现在第一代粮食乙醇,也体现在
21、第1.5代非粮乙醇,有关非粮乙醇具体讨论见后文。虽然玉米乙醇中绿水足迹贡献率显著,但决不能忽视这其中的蓝水足迹,蓝水足迹除安徽省外,贡献率均超过20%,玉米乙醇蓝水足迹在各个省份中也出现明显差异。河南省玉米乙醇中玉米原材料的蓝水足迹最高,为216.50 m3/t,占总蓝水足迹的41.45%,其余三省为吉林的10.37m3/t,占比2.42%,黑龙江的16.96 m3/t,占比2.89%,安徽的47.35 m3/t,占比11.64%。河南省原材料蓝水足迹的在数值与蓝水贡献率上均为几省份中最高,吉林与黑龙江两省呈现出极为相似的蓝水分布,安徽省的蓝水分布趋同于东北两省。造成以上现象的原因主要取决于两
22、方面:一是各省份由于地理位置、气候条件以及种植习惯的不同导致的原材料蓝水足迹数值上的不同,河南身为中国中部省份,位于黄河流域,种植玉米有较大的灌溉耗水量,这就导致其拥有最大的原材料蓝水足迹,安徽位于中国长江三角洲,有更为丰富的土壤水,玉米只需较少的灌溉水便可满足其正常的生理需要,而吉林和黑龙江地处中国东北,玉米种植模式多为雨养,且当地地面及地下径流较少,无更多淡水资源供玉米种植消耗,这就造成了两省玉米原材料蓝水足迹的低下现象;二是各省份单位电能水足迹有较大差异。本文单位能源水足迹结果采用同期(2000-2009)各省份能源平均水足迹,其中由于电能消耗在所有能源消耗中占绝大比例,故生产过程中消耗
23、电能所产生的水足迹占总蓝水足迹比例极大。各省份消耗电能水足迹分别为河南294.71m3/t,占总蓝水比例41.45%,吉林398.00 m3/t,比例92.97%,黑龙江551.89m3/t,比例94.15%,安徽348.06m3/t,比例85.58%。东北两省份电能消耗所产生的大量蓝水足迹,协同两省份玉米种植的低蓝水足迹,直接导致了电能消耗蓝水足迹占总蓝水足迹的90%以上,河南省由于较高的玉米蓝水足迹,较低的电能水足迹,两者水足迹持平,玉米蓝水占比41.45%,电能蓝水足迹56.42%。b.中国以小麦为原材料的生物乙醇水足迹河南省是中国传统农业大省,耕地面积和粮食产量均为全国第二,其中小麦占
24、省内主要耕地面积,是全国最大的小麦播种省份,小麦产量一直占全国总产量的20%以上,高居全国第一。玉米是仅次于小麦的河南省第二大粮食作物,种植面积少于黑龙江和吉林,和内蒙古、山东及河北持平。基于河南省种植结构的均衡,河南省生物乙醇的原材料也表现出异于其他省份的特点,小麦与玉米作为原材料的供给比例更为均衡,这相较于其他省份的单一化原材料选取有很大优势,这也使河南省淀粉基生物乙醇工艺发展更为成熟先进。河南省以小麦为原材料的生物乙醇总水足迹为2712.56 m3/t,远低于其他三省,吉林3750.87 m3/t,黑龙江3458.43 m3/t,安徽4251.49 m3/t,体现出巨大优势。这种优势的主
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