编辑推荐：
当前全球食品系统对环境影响巨大，超出多个地球系统边界，蛋白质生产是主要因素。研究人员评估利用可再生能源生产单细胞蛋白（SCP）的全球潜力。结果显示，到 2050 年其成本大幅下降，可缓解食品生产环境影响。这为可持续食品供应提供新方向。
在当今时代，全球的食品体系正面临着前所未有的严峻挑战。我们的地球早已跨越了多个安全与合理的地球系统边界，像是生物多样性丧失（生物群落完整性遭到破坏）、生物地球化学循环（磷和氮的失衡）、土地系统改变、淡水资源（地表水和地下水）紧张，以及气候变化加剧 。而全球食品系统正是前四项问题的主要推手，也是气候变化的重要 “贡献者”，它所产生的温室气体排放量超过全球人为排放量的四分之一。
随着全球人口的持续增长和人们平均收入的不断提高，对畜牧产品的需求预计在 2010 年至 2050 年间将飙升 70%。这意味着食品系统对环境的影响可能会增加 50%-90%。如此惊人的增长速度，极有可能把地球系统从不确定性的 “风险边缘”，一步步推向高风险区域，甚至逼近 “临界点”。为了应对这一危机，科学家们强烈呼吁将全球食品系统全面转型为可持续发展模式，以契合联合国可持续发展目标和《巴黎协定》的要求。在这样的背景下，寻找可持续的蛋白质供应来源成为了关键。传统的减轻食品系统温室气体排放的方法，比如转向植物性饮食，虽然有一定作用，但对于不断增长的全球人口来说，既不足以实现完全可持续的食品系统，也难以在 2050 年在全球范围内全面实现。其他常规方法，如减少食品供应链损失、从反刍动物产品转向低排放的家禽产品等，效果也较为有限。于是，一些创新的方法应运而生，其中利用可再生能源和可持续原料生产单细胞蛋白（Single-Cell Protein，SCP）备受关注。
来自芬兰 LUT 大学（LUT University）的研究人员，开展了一项关于全球基于可变可再生电力的可持续单细胞蛋白潜力的研究。他们评估了利用电解氢和氧、大气二氧化碳和氮，以及每小时优化的混合光伏 - 风能发电厂生产 SCP 的全球潜力，并制定了从 2028 年开始的工业化生产路线图，目标是到 2050 年实现年产 3000 万吨蛋白质。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，具有重要的意义。它为解决全球食品系统的可持续发展问题提供了新的思路和方向，有望缓解食品生产对环境的巨大压力，为实现全球可持续发展目标贡献力量 。
研究人员在开展这项研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：首先是建立了半灵活的现场 “电力 - 单细胞蛋白”（Power-to-SCP）供应链模型，该模型涵盖了多种能源和原料平衡技术；其次，利用 Matlab 软件进行建模和优化，对全球进行 0.45°×0.45° 的节点划分，独立评估每个节点的技术经济潜力；最后，通过计算平准化成本（Levelised cost）来评估 SCP 的生产成本，并对模型进行经济评估和成本优化。
e-SCP 核心工厂发展
研究对 e-SCP 核心工厂的资本支出（capex）进行了评估。2028 年，首个 e-SCP 核心工厂的名义产能为每年 16.42 千吨 SCP，capex 为每吨蛋白质每年 14567 欧元 。受规模经济影响，到 2030 年，全规模 e-SCP 核心工厂（名义产能为每年 164.2 千吨 SCP ，即每年 101.4 千吨蛋白质）的 capex 可能降至每吨蛋白质每年 8649 欧元。此后，随着历史累计装机容量（HCIC）每翻倍，capex 会依据学习率下降。在参考情景下，到 2035 年、2050 年和 2070 年，capex 分别降至每吨蛋白质每年 6175 欧元、3702 欧元和 3041 欧元；在先进情景下，相应年份的 capex 则降至每吨蛋白质每年 4371 欧元、1985 欧元和 1464 欧元。
技术组合和电力供应成本
研究分析了不同地区可再生电力的区域潜力对 e-SCP 生产成本和产量的影响。2030 年，在巴塔哥尼亚、北欧和英国，风能将成为成本优化的光伏 - 风能 Power-to-SCP 工厂的主要电力来源；而在美国西部、墨西哥、巴西、南欧、整个非洲、中东、澳大利亚和亚洲，太阳能光伏将占主导地位。到 2050 年，光伏主导的区域将扩大到美国大部分地区以及巴塔哥尼亚和南欧的更多地区。2030 年，成本最低的发电地点，如阿塔卡马沙漠、非洲、中东和澳大利亚北部，每兆瓦时的发电成本为 15 - 19 欧元，这些地区均以光伏为主。到 2050 年，这些地区的发电成本降至每兆瓦时 8 - 10 欧元，但由于电力平衡技术和限电的额外成本，e-SCP 工厂的供电成本在 2030 年为每兆瓦时 20 - 24 欧元 ，2050 年为每兆瓦时 12 - 14 欧元 。
电子蛋白（e-protein）的平准化成本
研究评估了 2028 年至 2050 年 e-SCP 的生产成本，进而得出其蛋白质含量（e-protein）的成本。2028 年，在电力供应成本最低的地区，如巴塔哥尼亚、澳大利亚北部、阿塔卡马沙漠、西藏和非洲之角，e-protein 的最低生产成本为每吨蛋白质 5500 - 6100 欧元（即每克细胞干重（CDW）3575 - 3965 欧元）；相比之下，芬兰的北欧条件下，e-protein 的生产成本将超过每吨蛋白质 7300 欧元（每克 CDW 4745 欧元） 。到 2030 年，低成本地区首个全规模工厂的 e-protein 生产成本将降至每吨蛋白质 4000 - 4500 欧元（每克 CDW 2600 - 2925 欧元） 。2035 年，预计最佳地点的生产成本将达到每吨蛋白质 3100 - 3500 欧元（每克 CDW 2015 - 2275 欧元） 。到 2050 年，低成本地区的 e-protein 生产成本可低至每吨蛋白质 2100 - 2300 欧元（每克 CDW 1365 - 1495 欧元） ，并且可能在全球范围内以每吨蛋白质 2300 - 2500 欧元（每克 CDW 1495 - 1625 欧元）的价格广泛供应。
成本分布和选定地点的系统动态
研究人员对 2030 年七个选定地点的 e-protein 成本分布和成本优化系统动态进行了分析。结果表明，Power-to-SCP 的总电力消耗为每吨蛋白质 70 - 73 兆瓦时（即每克 CDW 45.5 - 47.5 兆瓦时） ，主要电力消耗设备包括水电解槽（54 - 56%）、SCP 核心工厂（19 - 20%）、蒸汽发电系统的电棒（11 - 13%）和冷却器（8%）。电力供应在 e-protein 生产成本中占比最大，为 37 - 49% ，其成本受发电成本、限电和电力平衡技术成本的影响。在光伏主导的地区，电池是主要的电力平衡技术；在风电占比高的地区，电力平衡技术的作用相对较小。此外，研究还分析了其他成本因素，如氢气供应、二氧化碳供应等的成本占比。
敏感性分析
研究人员进行了一系列敏感性分析，评估对 2030 年和 2050 年 e-SCP 成本有显著影响的参数变化。结果显示，加权平均资本成本（WACC）±2 个百分点的偏差，在 2030 年可能使 e-protein 生产成本变化约每吨蛋白质 400 - 1100 欧元（12 - 15%） ；碱性水电解槽成本增加，会使 2030 年多数地区 e-protein 生产成本提高每吨蛋白质 150 - 300 欧元（3 - 6%） ，到 2050 年影响降至每吨蛋白质 50 - 120 欧元（2 - 5%） ；低温直接空气捕获（DAC）工厂成本增加，会使 2030 年不同地区 e-protein 生产成本增加每吨蛋白质 400 - 500 欧元（5 - 10%） ，2050 年增加每吨蛋白质 100 - 150 欧元（2 - 5%） 。此外，研究还分析了太阳能光伏、风能发电厂和 SCP 核心工厂成本变化对 e-protein 生产成本的影响。
大规模部署所需关键技术的容量
研究评估了全球大规模生产 e-protein 所需的光伏、风能、电池、电解槽和 DAC 的容量。以澳大利亚、智利（阿塔卡马沙漠）和德国的平均所需功率容量为参考，预计 2035 年至 2050 年，e-SCP 工厂大规模部署时，全球资源组合中光伏功率容量占比为 89% - 91%（光伏电量占比 80% - 83%） 。到 2035 年和 2050 年，1 百万吨和 28 百万吨的 e-protein 供应分别需要 33.6 吉瓦和 905 吉瓦的光伏、4.1 吉瓦和 93 吉瓦的风能、30.0 吉瓦时和 720 吉瓦时的电池、8.0 吉瓦和 231 吉瓦的电解槽，以及 3.4 百万吨和 96 百万吨的 DAC。
能源 - 面积效率和全球生产潜力
研究分析了 Power-to-SCP 系统的能源 - 面积效率和全球生产潜力。2030 年，半灵活配置的系统电力消耗为每生产 1 吨蛋白质需 73 - 83 兆瓦时，到 2050 年，基础负荷 Power-to-SCP 配置的电力消耗降至每生产 1 吨蛋白质 60.9 兆瓦时。2030 年，成本优化的混合光伏 - 风能发电厂的面积覆盖范围为每吨蛋白质每年 330 - 1000 平方米（每克 CDW 每年 215 - 650 平方米） ，在风电占比大的地区可能增加到每吨蛋白质每年 1200 - 3000 平方米（每克 CDW 每年 780 - 1950 平方米） 。到 2050 年，多数地区的面积覆盖将下降。在全球范围内，假设光伏和风能发电厂的区域土地使用上限为 10%，2030 年 e-SCP 工厂的理论年生产潜力为每平方公里 30 - 300 吨蛋白质，2050 年最高可达每平方公里 350 - 500 吨蛋白质。2050 年，全球 e-protein 的理论生产潜力约为 310 亿吨，远高于 2070 年的目标。
研究表明，利用可再生电力生产单细胞蛋白（e-SCP）在技术上是可行的，并且具有巨大的全球生产潜力。随着技术的进步和成本的降低，e-SCP 有望成为具有竞争力的蛋白质来源，无论是作为食品成分与大豆和豌豆分离蛋白竞争，还是作为饲料与大豆竞争。尽管目前 e-protein 作为饲料在成本上可能不占优势，但在土地使用、水资源需求和全球变暖潜力等方面具有显著优势。随着相关法规对食品和饲料供应环境影响的限制加强，e-protein 的市场竞争力有望提升。此外，通过改进热集成、提高生产率和降低 H2/CO2消耗比等措施，e-SCP 的长期生产成本还可能进一步下降。这项研究为全球食品系统的可持续发展提供了重要的理论依据和实践指导，为缓解食品生产对环境的压力、保障全球粮食安全开辟了新的途径。
