跳动城乡网从土壤到碳封存，普林斯顿大学和五大湖生物能源研究中心的研究人员模拟了美国中西部第二代生物燃料的供应链。
这些下一代生物燃料正在成为化石燃料衍生的汽油和柴油的更可持续的替代品，如果得到精心管理，它们从大气中去除的温室气体比其生命周期内排放的还要多。
与传统或第一代生物燃料不同，第二代生物燃料来自生产率低或最近废弃的土地上种植的农业废弃物或非粮食作物，而传统或第一代生物燃料是由玉米和甘蔗等原本可用作食物的作物生产的。
然而，作为一种仍处于萌芽阶段的技术，这些下一代燃料必须应对其在未来低碳能源中的角色的巨大不确定性。
先前对生物燃料的研究倾向于两个极端，要么专注于“生物”——结合作物生长、生产力和土地使用数据而不详细考虑下游供应链问题;要么专注于“燃料”——使用过于简单的土地和作物数据来规划供应链和生物精炼厂设计。
普林斯顿大学的研究将这两种观点结合起来，以非常详细的数据为基础，对中西部八个州的生物燃料供应链进行了更全面的预测。他们的研究结果于5月22日发表在《自然能源》杂志上。
安德森家族能源与环境教授兼化学与生物工程教授ChristosMaravelias表示：“这项研究结合了两种研究生物燃料的不同方法。我们在分析中参考了大量精细空间尺度的高质量数据，让我们对这些系统有了更全面的了解。”
从作物生长到封存地点的优化
生物燃料的供应链非常复杂。生物燃料的原料必须从分散的土地网络中种植和收获。然后，这些原料必须运输到位于中心的炼油厂。在炼油厂，几种不同的技术可以将植物物质转化为液体生物燃料，并且转化过程中产生的任何碳排放都可以被捕获并随后封存到场外。
因此，从选择作为原料的作物到田地和炼油厂之间的距离，以及将植物转化为生物燃料所使用的技术，供应链上每个环节所做的决策都可能导致成本和排放影响存在巨大差异的系统。
“即使是看似孤立或不相关的决定，比如你计划为碳捕获提供多少激励或你支持哪种转化技术，都会对生物经济的景观设计产生巨大影响，”论文合著者、化学和生物工程研究生CalebGeissler说。
因此，盖斯勒说，最佳景观设计取决于最初的目标：应该生产多少生物燃料，以多少成本生产，以及以多少碳强度生产?
虽然研究人员告称，他们的模型并非专门设计为决策工具，但Maravelias表示，该模型为未来生物经济的经济和环境影响提供了宝贵的见解。由于第二代生物燃料尚未实现广泛的商业化，因此现在的积极研究可以为确保燃料有效应用于未来能源系统提供参考。
“该模型考虑了系统的所有组成部分，因此我们可以用它来回答许多不同类型的问题，”Maravelias说。“我们可以用它来确定生产一定数量生物燃料的最佳方式，同时最大限度地降低经济成本。我们可以用它来确定生产相同数量燃料的系统，同时最大限度地减少环境影响。或者我们可以让它设计一个在两者之间取得平衡的系统。”
强调政策的影响
利用他们的模型，研究小组还可以探究政策激励在塑造生物燃料供应链的首选技术和排放影响方面的作用。
例如，该团队发现，碳捕获的45Q税收抵免(每吨封存碳提供85美元)足以激励整个系统的碳捕获。但是，每吨碳低于60美元的税收抵免(在2022年《通胀削减法案》之前，45Q税收抵免仅值50美元)不足以推动对碳捕获和封存的投资。
在这种情况下，该系统产生了而不是消除了碳排放，尽管与当今的化石燃料相比，它产生的排放量仍然少得多。
“即使激励的价值发生变化，我们仍然希望我们的结果具有参考价值，”盖斯勒说。“这也是一种让政策制定者了解不同激励措施如何支持系统的不同技术和配置的方式。”
虽然目前的激励计划仅为炼油厂本身捕获的碳分配货币价值，但研究人员还模拟了替代方案，旨在最大限度地减少整个供应链的排放，包括运输产生的直接排放和为系统供电所用电力所产生的间接排放。
这些替代方案凸显了更多的权衡。税收抵免必须至少达到每吨79美元才能开始激励炼油厂的碳捕获，而每吨100美元左右才能在每个炼油厂安装碳捕获装置。低于这些价值，在投资碳捕获之前减少运输和抵消购买电力的排放通常更具成本效益。
研究人员甚至绘制了除财政激励之外的减缓碳排放的途径，利用特定地点的土壤碳封存潜力和管理决策(例如是否施肥)，以产生具有最大整体环境效益的景观设计。
“由于这些下一代生物燃料仍处于新兴技术阶段，我们开发的模型使我们能够确保正确设计这些系统，”Maravelias说道。“现在，在我们陷入不太理想的技术和系统配置之前，尽可能多地获取信息非常重要。”
