《Resources, Conservation and Recycling》：Evaluating bioenergy pathways for sustainable rice straw utilization in Malaysia: A life cycle perspective
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本研究通过生命周期评估方法，对比了稻秆在燃烧、气化、热解、厌氧消化和发酵五种技术路径中的环境影响，发现发酵对环境影响最大，而热解影响最小，同时提出减少开放焚烧可显著降低温室气体排放。该研究为马来西亚制定可持续生物能源政策提供依据。
作者：Rihana Firdaus、Siti Norliyana Harun、Marlia Mohd Hanafiah、Nurul Farhana Nasri
马来西亚国立大学气候变化研究所热带气候变化系统中心，位于雪兰莪州班吉，邮编43600，马来西亚
摘要
随着对可持续能源的迫切需求，稻草作为一种有前景的可再生生物能源原料受到了关注。本研究使用生命周期评估方法（ReCiPe 2016，SimaPro v9.5.0.2）评估了五种转化技术：燃烧、气化、热解、厌氧消化和发酵。评估以1公吨干稻草为功能单位。结果显示，发酵对环境的影响最大，主要源于酶的生产（各类别中占比35-97%）；而热解由于减少了资源消耗且没有高温燃烧过程，因此环境影响最小。从减少开放式燃烧的角度来看，避免的全球变暖潜力依次为：热解 > 厌氧消化 > 燃烧 > 气化 > 发酵。敏感性分析证实了结果的稳健性，并指出了影响关键参数。本研究提出了一个概念框架，强调了在马来西亚实现稻草价值化的成功因素和建议。该研究为政策制定者和行业提供了指导，以确定可持续的生物能源转化路径，推动更清洁的能源转型。
引言
由于气候变化、资源枯竭以及全球人口的快速增长，对可持续能源的迫切需求变得日益明显。在马来西亚，能源行业长期以来严重依赖化石燃料，尤其是天然气和煤炭来发电（IRENA, 2023；《马来西亚能源统计手册》，2022）。这种依赖显著增加了国家的温室气体（GHG）排放，加剧了与气候相关的挑战（Wang和Azam, 2024）。根据马来西亚在《联合国气候变化框架公约》下的第四次两年期报告，能源行业一直是最大的连续排放源，2005年至2019年间年均排放量占比达80.55%（MyBUR4, 2022）。随着化石燃料储量的减少及其环境影响的加剧，投资可再生能源对于满足未来的能源需求至关重要。作为《巴黎协定》的签署国，马来西亚致力于实现其国家自主贡献（NDC），目标是将全球温度升幅控制在1.5°C以内（Azlan等人，2023）。为了实现这一目标，马来西亚实施了多项政策，包括《国家可再生能源政策》（NREP），该政策旨在提高可再生能源在国家能源结构中的占比（Abd Aziz等人，2024）。在这一政策框架下，生物能源行业在推动全球可持续发展目标方面具有巨大潜力，特别是在实现可持续发展目标7（负担得起和清洁的能源）和目标13（气候行动）方面（联合国可持续发展目标，Blair等人，2021）。
除了政策承诺外，农业废弃物为同时解决可再生能源生产和废物管理问题提供了独特的机会。在这些废弃物中，稻草因其丰富性和有限的替代用途而受到越来越多的关注。水稻是马来西亚的主要粮食作物和农产品，其产量稳步增加以满足当地需求。稻草与稻谷的比例约为1:1（Mohd Zainol和Che Rose, 2014），因此稻草的产量随着水稻产量的增加而增加。然而，大量稻草在收获后通常通过开放式燃烧处理，释放出大量的二氧化碳、甲烷、颗粒物和其他空气污染物（Firdaus等人，2024）。这种做法显著增加了马来西亚的温室气体排放，对空气质量和公共健康构成了严重威胁。
马来西亚的《国家生物质战略》（NBS）最初重点关注油棕榈的生物质转化，因为该国油棕榈资源丰富（Rashidi等人，2022）。最近，该战略扩展到探索其他生物质原料，这是由于全球对可持续生物能源需求的增长以及多样化生物质资源的需要。鉴于马来西亚计划到2030年将碳强度相对于GDP降低45%，利用稻草生产生物能源具有巨大潜力。利用稻草不仅有助于解决废物管理问题，还符合国家的可持续发展目标。在马来西亚，水稻种植集中在官方指定的粮食生产区，这些区域从2013年的10个增加到2022年的12个（DOA 2024；MADA, 2020）。这些区域包括雪兰莪西北部的综合农业发展区（IADA）、吉打州、吉兰丹州、霹雳州、森美兰州、登嘉楼州、槟城州、砂拉越州的农业发展机构等。2022年，这些地区共生产了约127万吨稻草，为生物能源生产提供了重要机会。
因此，选择合适的稻草转化技术至关重要，因为不同的转化途径会对环境造成不同的影响。除了关注能源产量或产品效率外，越来越重要的是评估不同转化途径在单位生物质管理下的环境影响。生命周期评估（LCA）作为一种关键的方法工具，能够系统地评估多个影响类别下的环境负担。
关于稻草用于生物能源转化的研究一直在稳步增长，LCA被用于评估燃烧、气化、热解、发酵（生物乙醇）和厌氧消化（沼气）等转化途径。虽然早期研究提供了有价值的见解，但大多数研究仍局限于中间指标，主要关注与气候相关的影响，如全球变暖潜力、酸化、富营养化和资源枯竭。这些评估虽然有用，但只能部分了解对生态系统质量和人类健康的长期影响，而这些影响需要通过终点指标进行分析才能全面了解。
早期研究主要集中在单一转化技术上。例如，Silalertruksa和Gheewala（2013）在泰国进行了最早的基于稻草的生物乙醇LCA研究，发现该过程相比汽油可大幅减少温室气体排放，但酶的生产和运输物流仍然是主要的环境问题。同样，Shafie等人（2014）对马来西亚利用稻草发电进行了LCA研究，发现与煤炭相比可显著减少温室气体排放，但指出运输距离和灰渣处理对结果有显著影响。Soam等人（2016）扩展了这项工作，研究了印度的稻草发酵，发现环境负担主要受预处理和酶使用的影响，这些因素会影响总体能源产量。
最近的研究扩展到了多种转化途径和系统级评估。例如，Singh和Patel（2022）对几种技术进行了比较LCA，发现物流效率和副产品分配方法在燃烧、气化和热解之间的环境排名中起决定性作用。Alengebawy等人（2022）进一步分析了基于气化的能源系统，表明其高过程能耗显著增加了总温室气体排放。Bhatnagar等人（2022）证明，在考虑生物炭碳封存和可再生能源联产的情况下，热解可以实现接近碳中性甚至负的GWP值。在厌氧消化方面，Ugwu等人（2022）报告称，在预处理中用氢氧化钙代替氢氧化钠可以显著减少环境负担。从更广泛的角度来看，Harun等人（2022）和Firdaus等人（2024）总结了稻草LCA研究的方法学进展，强调了整合终点指标（如生态系统质量和人类健康）的必要性，这些指标在早期仅关注中间指标（如全球变暖潜力）的分析中经常被忽略。
尽管取得了这些进展，但仍存在一些关键的研究空白。首先，许多现有研究依赖于非本地的生命周期清单（LCI）数据，尤其是来自欧洲或全球数据库的数据（例如Ecoinvent），这些数据可能无法准确反映马来西亚的农业和能源系统。其次，虽然大多数先前分析评估了单一转化途径，但很少有研究在一致的系统边界和方法论假设下进行多途径比较，这限制了结果的可比性和普遍性。第三，通常缺乏不确定性和敏感性分析的整合，导致对结果稳健性的理解存在不足。最后，尽管马来西亚在其2023-2030年国家生物质行动计划中已将稻草确定为潜在原料，但很少有LCA明确探讨了其在马来西亚可再生能源政策和可持续发展目标背景下的环境影响。表1总结了以往关于稻草转化技术的LCA研究。
为了解决这些空白，本研究对五种基于稻草的转化途径（燃烧、气化、热解、厌氧消化和发酵）进行了从摇篮到大门的比较LCA，使用了中间和终点指标（ReCiPe 2016）。评估采用了以稻草输入为功能单位的原料导向框架，整合了蒙特卡洛不确定性分析，并根据马来西亚的气候、农业和能源条件调整了系统参数。除了影响量化外，本研究还提出了一个概念框架，以支持符合国家可再生能源目标和可持续发展目标的稻草价值化。
部分摘录
目标和范围定义
本研究旨在评估五种不同转化技术（燃烧、气化、热解、厌氧消化和发酵）的环境性能。目的是量化通过不同转化途径管理等量稻草所带来的环境负担，而不是比较不同生物能源产品的功能性能。
稻草开放式燃烧的生命周期评估
图3展示了燃烧1吨稻草的中点影响类别，主要影响五个方面：全球变暖潜力（GWP）、臭氧形成（人类健康和生态系统）、颗粒物形成（PMFP）和陆地酸化（TAP）。开放式燃烧占总GWP影响的90%以上，其总特征值为1.58E3千克CO2当量排放。这主要是由于排放了1460克/千克CO2和3.2克/千克CH4
结论与未来工作
总之，本研究全面评估了将稻草转化为生物能源的环境性能，满足了面对气候变化时对可持续和清洁能源解决方案日益增长的需求。通过评估各种生物能源转化途径的环境性能，本研究为马来西亚稻草价值化的可持续性提供了关键见解。
结果表明，传统的稻草开放式燃烧做法
关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本作品时，作者使用了ChatGPT和Quillbot来提高手稿的可读性。使用这些工具/服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。
伦理声明
本研究未涉及任何需要人类参与者或动物的实验。因此，不需要伦理批准和知情同意。作者声明已披露任何潜在的利益冲突，并遵守了进行和报告本研究的所有适用伦理标准。数据来源和方法已在手稿中适当引用和致谢。
作者贡献声明
Rihana Firdaus：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Siti Norliyana Harun：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。Marlia Mohd Hanafiah：撰写——审阅与编辑、验证。Nurul Farhana Nasri：撰写——审阅与编辑、可视化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢马来西亚国立大学通过Geran Galakan Penyelidik Muda GGPM-2022-072和Geran Penyelidikan Universiti GUP-2024-043，以及马来西亚高等教育部（MoHE）通过Fundamental Research Grants Scheme FRGS/1/2022/WAB02/UKM/02/1为这项研究提供的财政支持。
