《Environmental Science & Technology》：Liquid Biofuels for Transportation: Lessons of the Last Two Decades for the Next Two
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这篇综述深入探讨了过去二十余年全球液体生物燃料（乙醇、生物柴油等）的发展历程、多维影响（环境、社会经济）与政策得失。文章核心在于论证，尽管第一代（1G）生物燃料面临可持续性挑战，但在航空、海运等难以电气化的领域，先进生物燃料（源自废弃物、纤维素等）展现出独特减排潜力。作者指出，要实现其潜力，需超越传统的总量指令政策，转向基于全生命周期排放（如加州低碳燃料标准LCFS）的绩效标准、激励生态系统服务等更具针对性的创新政策框架。
引言
本世纪初，许多国家和地区开始推行政策，以乙醇和生物柴油作为汽油和柴油的可再生替代品，旨在同时应对昂贵的石油进口负担、农村经济停滞和温室气体（GHG）排放问题。当时，主要源自玉米、甘蔗、大豆、油菜籽和棕榈油等粮食作物的第一代（1G）生物燃料，似乎是成本最低的可再生国内替代方案。然而，到2000年代中期，人们开始担忧此类政策可能带来的意外后果，主要是粮食价格通胀和农业扩张到非农田导致的生态系统退化。生物燃料中蕴含的化石能源以及较差的能量投资回报率，也引发了对其可扩展性的质疑。作为回应，源自废弃物和纤维素生物质（不直接适合人类消费）的所谓第二代（2G）生物燃料开始受到关注。纤维素生物质包括农业残留物、林业残留物以及柳枝稷、芒草和灌木柳等专用能源作物，这些作物可以在边际土地上种植，相对于食用作物所需的水、能源和化学品投入更少。尽管来自烹饪和其他工业过程的废弃油脂、脂肪和油污的生物燃料现已占全球生物燃料的14%，但来自其他原料的纤维素生物燃料在技术上仍不成熟。藻类是另一种单位土地生产力很高的原料，有时被称为第三代（3G）生物燃料。从原料到不同燃料、副产品的生物燃料转化途径及其技术就绪水平（TRL）如图1所示。展望未来，电池电动汽车（BEV）的成熟，加上内燃机无需改造即可混合生物燃料的能力（尤其是在目前消耗大部分生物燃料的乘用车领域）接近饱和，对提高乙醇或生物柴油形式的生物燃料份额构成了挑战。此外，来自太阳能和风能的可再生电力成本下降，使得绿色氢气作为货运燃料更具竞争力。将现有乙醇转化为航空燃料或柴油替代品的研究也日益增多。这些发展需要对生物燃料的新用途以及实现这些效益所需的政策进行更新的视角，这也是本文的目的。
简要历史发展与生物燃料现状概述
乙醇和生物柴油自20世纪初就已投入商业使用。Rudolph Diesel用花生油测试了他的第一台柴油发动机，而乙醇-汽油混合物在1940年代的美国和欧洲很常见。20世纪大部分时间里，石油基燃料的低成本意味着生物燃料的使用持续下降。然而，高油价时期（例如1970年代的两次石油价格冲击）刺激了公众对生物燃料的兴趣，但随着油价下跌，这种兴趣又消退。巴西是个例外，自1970年代以来一直维持强有力的乙醇支持政策，如今是全球乙醇成本最低的生产国。到1990年代末，原油价格上涨、需要替代甲基叔丁基醚（MTBE）（一种有毒、污染的化学添加剂，与汽油混合以减少发动机爆震）以及对能源安全的日益关注，重新点燃了全球石油进口国对生物燃料的兴趣。
在生物燃料历史上，过去二十年见证了全球对生物燃料最有力、最持久的支持。目前，超过65个国家制定了国家生物燃料法规，设定了年度使用目标，这些目标在许多情况下也得到了财政补贴（例如，资本投资或燃料生产的税收减免）的支持。2002年至2022年间，全球生物燃料产量增长了5倍多，从每年340亿升增长到每年1780亿升，其中超过60%的当前消费发生在高收入和中等收入国家。按体积计算，乙醇和生物柴油分别约占所有生物燃料的67%和26%，其余7%以加氢处理植物油（HVO，也称为可再生柴油或生物质基柴油）的形式消费。目前，玉米和甘蔗分别占乙醇产量的60%和25%（其余来自糖蜜、小麦、木薯和甜菜）。食用油脂占生物柴油的75%，其中棕榈油、大豆油和油菜籽油分别占30%、25%和20%，而废弃食用油和动物脂肪占其余部分。按能源计算，液体生物燃料占全球生物能源的不到10%，占全球公路运输石油使用量的不到5%。从更广视角看，传统（用于家庭烹饪和取暖）和现代（电力和生物燃料）生物能源合计约占全球一次能源使用量的8%，以及全球可再生能源使用量（包括大型水电）的33%。
近年来，利用多种原料和转化技术生产的生物燃料已实现商业化。例如，在加利福尼亚州，根据低碳燃料标准（LCFS）法规，已批准了来自13种作物、23类生物质废物类别、超过1000个独特碳强度（CI）值的25种燃料类型。在此期间，主要生物燃料类型的平均环境足迹已大幅下降。在美国，玉米乙醇生产效率的提高使能源使用量减少了24%——这归因于热电联产、酶技术改进和玉米油回收——同时乙醇产量增加了6.5%。这些改进共同使乙醇的生命周期CI在2005年至2019年间降低了23%（从58降至45 gCO2e/MJ）。加州LCFS为低CI生产途径提供了强有力的激励，自该计划启动以来，其项下的平均乙醇CI降低了20-25%。对于大豆生物柴油，使用当前农业和转化数据（包括土地利用变化）的最新生命周期评估（LCA）表明，其温室气体排放比石油柴油低40-69%。在巴西，机械化收割的采用、收获前焚烧的消除以及高效锅炉和甘蔗渣热电联产的实施，减少了田间和工厂的排放。巴西国家生物燃料政策RenovaBio建立了基于CI分数的可交易信用体系，有助于降低生物燃料的碳强度。当代LCA估计，甘蔗乙醇的碳强度约为35 gCO2e/MJ，比汽油低60-70%。
尽管取得了这些技术和环境进步，但自2010年以来，生物燃料生产的增长速度与前十年前相比有所放缓。2001年至2010年间，全球生物燃料专利申请量迅速增加（2004年至2008年达到顶峰），自2008年以来则有所放缓。这种趋势可归因于几个因素，包括油价降低、对未来需求和油价的保守预期，以及随之而来的研发投入减少。此外，对间接排放和粮食影响的担忧导致了更复杂的法规，增加了合规成本，减少了对高风险、潜在变革性创新的激励。这些动态可能造成了一个自我强化的循环，即进展缓慢助长了悲观情绪，进一步抑制了投资和创新。
当前生物燃料的环境和社会经济影响
在得出对生物燃料影响的清晰理解方面，一个挑战在于生产、加工和使用所依据的环境和社会经济条件，以及所避免的影响，不仅因不同原料而异，而且对于任何给定原料，也因地点和时间而异。生命周期评估（LCA）是一个为评估与生物燃料生产和使用的全谱影响（例如，温室气体、空气污染物、水污染等）——从资源提取到最终使用——而开发的框架。然而，也存在超出传统LCA系统边界的排放，称为间接效应或排放，随着生物燃料生产规模的扩大，这些效应变得越来越重要。我们首先讨论直接排放，即生物燃料自身供应链的排放，然后讨论间接排放。
温室气体排放
生物燃料的任何积极气候效益都基于排除燃烧过程中排放的CO2，其前提是这些排放将通过光合作用被完全抵消。当使用天然气能源生产，且原料种植在现有农田上时，玉米乙醇和大豆生物柴油通常比汽油或柴油的生命周期温室气体排放低20-60%。由于使用甘蔗渣为动力的蒸馏厂和高产率，甘蔗乙醇的排放降低50-90%；当油菜籽/油菜在现有农田上种植时，其生物柴油可减少50-70%的排放。来自废弃脂肪、油脂和油污（FOGs）的生物柴油可实现超过80%的减排，因为它避免了土地用途转换。总体而言，1G生物燃料的全球变暖强度（GWI）平均值随时间推移而下降。例如，2011年至2019年间，根据加州低碳燃料标准（LCFS）批准的所有乙醇途径的平均GWI下降了25%，而全球石油供应则变得碳密集度更高。
空气质量影响
玉米乙醇倾向于排放更多的NOx和SOx——比汽油高2到5倍——以及高出50-180%的PM2.5和PM10，尽管CO和VOC排放略低。最近的研究表明，来自能源作物（柳枝稷和柳树）的乙醇由于燃料转化过程中较高的非燃烧排放（SOx），其标准空气污染物排放相对于玉米基乙醇更高，这可以通过投资污染控制设备来缓解，但会增加燃料成本。大豆生物柴油减少了CO和碳氢化合物，但使NOx增加10-15%，而甘蔗乙醇的影响较小，除非露天焚烧增加了颗粒物。油菜籽生物柴油的表现优于大豆，FOG衍生的生物柴油排放最低。改进炼油厂燃料选择（例如，从煤炭转向天然气或可再生能源）和精准施肥可以显著降低总污染物负荷。总体而言，虽然生物燃料将污染物分布从尾气管转移到生产阶段，但更好的管理和技术可以缓解这些权衡。
用水和水质影响
生产一加仑玉米乙醇消耗8.7-160加仑淡水，而生产一加仑汽油消耗1.4-8.6加仑。巴西的甘蔗乙醇，每加仑燃料需要2-10加仑水；大豆和油菜籽生物柴油分别需要6-50和4-30加仑，而FOG生物柴油使用不到一加仑。然而，对水资源短缺的影响取决于原料是雨养还是灌溉。数据显示，美国只有约17%的玉米产量和12%的大豆种植面积是灌溉的，巴西最重要的甘蔗产区只有17%的种植面积是灌溉的。全球范围内，加拿大的油菜籽/油菜、欧洲和俄罗斯的向日葵、马来西亚和印度尼西亚的油棕大多是雨养的。印度的甘蔗几乎完全依赖灌溉，但印度使用的是制糖副产品糖蜜来生产乙醇。
据估计，美国的生物燃料生产使化肥使用量增加了3%至8%，水质污染物排放量增加了3%至5%。玉米和甘蔗种植的养分径流导致富营养化和有害藻华，特别是在密西西比河流域和墨西哥湾。大豆和油菜籽使用较少的氮肥，但更依赖除草剂，而甘蔗则需要大量磷。保护措施，包括覆盖作物、少耕、河岸缓冲带，可将氮和磷的损失减少30-60%。这些措施可以使水质结果较少依赖原料，而更多地依赖土地管理。
土壤碳与健康
生物燃料种植对土壤碳的影响是特定地点的，取决于先前的土地利用和管理模式。“基于观察的实验研究表明，在传统的玉米-大豆轮作管理下，土壤碳固存率通常在-0.34至+0.10 Mg C ha–1yr–1之间。然而，通过改进的管理实践，如覆盖种植、免耕和适当的养分管理，玉米-大豆种植系统的碳固存率可达0.24-0.88 Mg C ha–1yr–1。”甘蔗田在避免焚烧残留物后，经过多次轮作，土壤有机碳（SOC）可能会恢复，而谷物轮作中的油菜可以适度改善土壤结构和SOC。废弃油脂基生物柴油则完全避免了直接的土壤扰动。这些研究共同表明了玉米种植对土壤碳固存的潜在贡献，强调了实施可持续农业实践以最大化玉米和大豆种植系统碳固存的重要性。然而，将草地或闲置农田转为玉米或大豆种植通常会使SOC减少30-50%。保护性耕作、残留物保留和作物轮作可以减缓这些损失。将时间碳动态和土地利用历史纳入LCA，将使碳强度分数能更好地反映长期土壤效应。因此，可持续的原料管理对于土壤碳恢复力仍然至关重要。
生态系统健康与生物多样性
生物燃料驱动的农田扩张已产生可衡量的生态后果。玉米和大豆种植与栖息地破碎化以及传粉媒介和鸟类数量减少有关。在热带地区，甘蔗扩张与湿地和牧场减少以及水生生物多样性变化有关。油菜籽和油菜种植与草原景观破碎化有关，尽管相对于玉米而言强度较低。废弃油脂和动物脂肪生物柴油避免或最小化了土地干扰以及上述大部分问题，但如果残留物在处置前未经适当处理进入水道，可能会造成局部水生毒性风险。这些趋势一致表明，减轻生物燃料生产对生态系统造成不利后果的风险，可能需要整合保护措施，如作物多样化、栖息地缓冲带和减少农用化学品投入。
间接排放
生物燃料背景下的间接效应是指生物燃料产业整体对全球经济的影响及其相关的环境后果，这超出了传统LCA的范围。间接土地利用变化（ILUC）是一个具体例子，指的是由于生物燃料导致农业用地总需求增加，从而促使农业向非农田扩张，这可能产生有害的生态影响。对美国可再生燃料标准（RFS）指令的经济模型模拟估计，生物燃料每增加10亿加仑，美国境内会扩张0.01至2.45百万英亩，而经验估计表明，每10亿加仑增加对应的扩张范围较窄，为0.38-0.66百万英亩。在排放方面，大多数估计在20至39 g CO2eq-MJ–1之间，这可能是玉米乙醇平均自身生命周期足迹的30%到40%。另一种此类效应是间接燃料使用变化（IFUC），即较低的汽油或石油需求导致燃料价格下降，燃料消耗反弹，这意味着生物燃料对石油产品的1:1替代减少。虽然ILUC主导了当前的分析，但前面提到的不同类型的负担也可能间接表现出来，且这些方面研究不足。改进LCA以整合这些更广泛的间接效应，对于对生物燃料可持续性进行可信的全经济评估至关重要。缺乏清晰和成熟的科学标准来确定此类影响显著发生的规模、定义间接效应的系统边界，以及缺乏单一的明确估算方法，增加了不确定性，也使得比较不同研究的估算结果具有挑战性。
粮食价格影响
1G生物燃料的增长导致了粮食价格上涨。这反过来又加剧了贫困人口，特别是发展中国家贫困人口的粮食不安全。然而，由于多种因素共同作用，要单独分离生物燃料的影响是困难的。在2008年全球经济衰退前的几年里，当粮食价格上涨担忧最强烈时，生物燃料贡献的估计值在10%到75%之间。虽然大多数估计来自理论模型的模拟，但短期影响的计量经济学估计表明影响范围在20%–30%。此外，对各种作物、生物燃料和石油产品的时间序列分析表明，生物燃料仅在部分市场和时期推动了价格上涨，长期影响估计为10%–15%。然而，一项长期分析揭示了上个世纪农产品实际价格的明显下降趋势，期间穿插着短暂的快速通货膨胀时期，这些时期很快就消散了。需要进一步的研究来阐明生物燃料对粮食安全和商品价格的影响。此外，重要的是要研究谷物和油籽等大宗商品批发价格的变化如何影响各地区零售和加工食品的价格。数据还显示，新冠疫情后的通货膨胀率远高于2007年之前的生物燃料繁荣时期。宏观层面的数据显示，近几十年来全球人均卡路里供应量呈持续上升趋势，主要农产品类别的消费量快速增长。虽然将作物转用于生物燃料会影响粮食供应并推高商品价格，但产量增加和人均可得性提高的更大趋势仍然明显。此外，大量的食物浪费，例如2023年美国食品供应中有31%被指定为过剩，这表明可以设计政策在不减少获取或安全的情况下生产生物燃料。
对农村经济和就业的影响
生物燃料生产对农村经济和就业的影响是多方面的，给社区带来积极和消极的后果。农产品价格上涨可以增加农民收入，刺激农村就业，促进技术采用和农业现代化。特别是在农业机械化程度有限的发展中国家，生物燃料生产相比化石燃料，每单位能源产生的就业岗位净增加，大部分新就业集中在农业部门。在欧盟，生物燃料与农村就业和整体能源相关工作岗位的增加有关。然而，当生物燃料政策提高燃料价格时，可能会减少消费，进而减少其他部门的劳动力需求。在发展中经济体的自给农民和农村家庭中也观察到了负面影响。一些研究报告称，生物燃料扩张可能导致不利的土地利用变化，例如将农业和林业用地转变为种植园单一栽培。例如，在加纳，生物燃料生产导致了大片土地转变为种植园单一栽培。单一栽培种植园的建立对弱势群体，包括妇女和移民，影响尤为严重，因为他们获取多样生物质资源用于家庭用途的机会有限。实施精心设计的政策对于确保生物燃料生产支持农村贫困人口、维护农村景观的生态完整性以及保护土著人民和土地保有权不安全者的权利至关重要。
培育更可持续未来生物经济的视角
尽管过去二十年表现不确定，但仍存在强有力的理由继续培育更可持续的生物经济。首先，尽管进展缓慢，2G生物燃料仍大有可为，并且存在几种成熟且具有显著环境效益的1G生物燃料商业化可行途径。其次，对于航空和海洋运输等应用，可再生液体燃料似乎是当今替代化石燃料在经济上最现实的替代品。相对于替代公路运输中类似份额的化石燃料，可以以更少的土地和其他资源竞争，替代这些应用中全球化石燃料使用的很大一部分。例如，2023年的十亿吨报告估计，美国每年有超过10亿吨生物质的潜力，足以满足到2050年每年生产350亿加仑可持续航空燃料（SAF）的宏伟目标。发展更可持续的生物经济需要确定最有前景的途径（原料、转化技术和最终产品的组合），并采取政策以克服这些途径目前面临的技术和经济障碍。
提高原料生产的可持续性
原料生产是生物燃料环境和社会影响中最大或第二大贡献者。可以通过更多地利用生物质残留物和废弃物、种植低成本的专用能源作物、将能源作物作为覆盖作物和/或在边际土地上种植、利用废弃物和废弃CO2、在水中培养微藻和大型藻类生物质，以及更可持续地种植1G原料，来减少原料相关的负担。
农业和林业残留物、动物粪便和家庭废弃物是全球未充分利用的资源，它们带来意外后果的风险很小。将废弃食用油和脂肪转化为生物柴油、可再生柴油和SAF的产量预计在未来十年会增加，但要充分发挥其潜力，需要投资于收集、预处理和质量控制。将生物质用于生物燃料也有助于避免生物质燃烧产生的排放。然而，高昂的收集和运输成本，以及原料质量的差异，带来了经济挑战。
芒草、柳枝稷、甘蔗和高粱变种等专用能源作物以及柳树和杨树等木本作物的种植，对土地、水和化学品的需求较低。然而，与1G生物燃料类似，将农田分配给能源作物可能会导致需要最小化的ILUC效应。在边际土地上种植能源作物作为一种避免粮食-燃料竞争同时最大化生态系统服务的策略正日益受到关注，包括增强土壤碳固存。另一种潜在的生物燃料原料是藻类。由于藻类培养需要氮和磷等营养物质，将其生产设施设置在污水处理设施附近，可以帮助避免与生产这些营养物质相关的排放，并缓解富营养化。然而，微藻生长在通
