生物炭去碳化平台以释放生物质的全部价值，实现碳负排放解决方案：巴西集成生物能源生产的案例研究

《Sustainable Production and Consumption》：Defossilization platform to unlock full value of biomass for carbon-negative solutions: A case study of integrated bioenergy production in Brazil

　　

**摘要**

气候变化是当今社会面临的一项重大挑战，要求我们在经济去化石化和向更可持续能源转型方面采取迅速行动并付出巨大努力。巴西在这方面发挥着领先地位，是全球最大的生物燃料生产国之一。基于甘蔗、二季作物谷物及其他可持续种植作物的巴西乙醇具有低碳强度，通过与不同现有及即将建立的供应链中生物质流的高效利用相结合，可以引领能源转型进程，同时借助不同生物质来源生产生物燃料的协同效应，推动饲料和食品生产，提高土地产出率，并与碳移除解决方案相结合。本研究分析了巴西中西部地区的一个提议案例，即将现有的甘蔗加工厂与新的二季作物谷物加工资产相结合，在一个综合生物精炼厂中利用甘蔗加工产生的过剩生物质（蔗渣）进行加工，其中加工残渣用于生产生物甲烷和生物肥料，而乙醇发酵过程中产生的生物源二氧化碳可进行捕获并用于地质封存。本研究对该综合甘蔗-二季作物谷物资产进行了全面的生命周期评估，考虑了作物协同的优势（即蔗渣作为生物质供应两个系统的热电联产，以及玉米提供稳定的饲料和生物能源生产）。结果表明，与独立乙醇设施相比，将现有甘蔗加工厂与二季作物谷物加工相结合可将乙醇碳排放和环境影响降低高达10%。将碳捕获与封存技术纳入综合生物燃料生产过程时，可获得高质量的碳移除，从而释放碳负生物燃料的生产潜力。与化石能源方案相比，将碳封存纳入生物燃料生产可使总体环境影响降低高达70%，同时以最优土地利用促进食品和饲料生产。本案例凸显了扩大巴西生物燃料生产以及不同生物质协同效应对能源转型的潜在益处。

**引言**

由于采用了再生农业实践以及使用专用或残余生物质来满足能源需求等措施，巴西生物燃料的碳强度在全球生物燃料中处于最低水平之列（Amaral et al., 2008; Cantarella et al., 2023）。甘蔗是巴西长期种植的一种作物，与粮食和能源作物相比，其每公顷栽培地的能源产出率处于最高水平之一（Goldemberg, 2007; Gorawala and Mandhatri, 2017; Macedo et al., 2008）。甘蔗产生的甘蔗汁可用于食品和能源生产，同时产生的残余生物质（即蔗渣）可为甘蔗加工提供能源需求，此外还可通过热电联产装置向巴西电网提供过剩电力，因此无需外部采购能源（Junqueira et al., 2017; Rossi et al., 2021）。巴西甘蔗具有高产率和最小土地利用的特点（Embrapa, 2026），2000年至2010年间甘蔗种植面积的扩展主要通过替代废弃的牧场区域，从而通过增加土壤碳储量产生积极影响（Guarenghi et al., 2023）。然而，由于水分和气候条件限制，甘蔗榨季每年仅限于约8个月，且无法在一年内进行平季加工储存，这使得这种半多年生作物的食品和能源生产潜力仅限于榨季月份（通常为每年4月至11月）。

玉米和高粱是可用于食品/饲料和生物燃料生产的生物质，在巴西的二季作物种植方案中种植成功，即在已种植的区域（通常在每年1月至4月大豆种植周期之后）进行种植。这种组合可以在不引发任何相关毁林的情况下提高土地产出率，同时增加土壤碳储量并减少对氮肥的需求（Moreira et al., 2020）。该组合也推动了二季作物谷物乙醇生产的不断增长，特别是在巴西中西部的马托格罗索州，由于物流条件具有挑战性，该地区拥有最丰富且价格较低的二季作物谷物供应，近年来该地区玉米乙醇设施扩张迅速（Barros and Woody, 2020; IBGE, 2025）。二季作物谷物的主要优势在于其能够储存并在淡季进行加工，从而确保饲料和能源产品的持续生产（da Luz et al., 2023; Gurgel et al., 2024）。然而，与甘蔗不同，二季作物谷物不释放任何可用于满足生物质加工能源需求的残余生物质，外部能源采购需求是其主要限制因素（Hill, 2009）。巴西二季作物谷物加工依赖于使用外部生物质来运行热电联产装置，因此该资源及其可获得性在该地区生物能源工厂的扩展中具有高度战略意义（Folha de S?o Paulo, 2025）。

因此，考虑到两种生物质的优势与局限性，现有甘蔗资产与即将建成的基于二季作物谷物的生物能源和饲料工厂在拥有两者作物供应丰富的地区（如马托格罗索州）进行综合资产运营时，具有极具前景的战略协同机会（da Luz et al., 2023; Donke et al., 2017; Silva et al., 2023）。甘蔗流中过剩的残余生物质可用于供应二季作物谷物乙醇的生产，从而确保二季作物谷物加工厂的能源需求拥有稳定且完全可追溯的生物质供应，同时借助二季作物谷物的储存和加工能力，在甘蔗淡季实现食品和饲料以及生物燃料生产的平稳交付。当考虑到生物质加工残渣（如滤渣、酒糟以及田间残留的部分秸秆）也可用于生产气态生物燃料（如通过厌氧消化和后续沼气提纯生产的生物甲烷）时，协同潜力可进一步增强（de Carvalho et al., 2023; Formann et al., 2020）。

综合生物质加工（如图1所示）可以促进有价值产品的生产，如低碳强度乙醇、电力和生物甲烷，此外还包括糖、油、动物饲料（无论是来自作物的——啤酒糟与可溶性蛋白（DDGS）——还是来自耗竭酵母的——动物酵母补充剂）以及高质量生物肥料。该生态系统还可以促进生物燃料在替代化石燃料以减少CO?排放以及通过在不同阶段的生物能源系统中整合碳捕获与封存（CCS）技术来交付可扩展的高质量CO?移除方面的潜力（Restrepo-Valencia and Walter, 2019），从而以比其他碳移除技术更低的成本促进生物能源生产中的去化石化方法（Altoom, 2026）。生物能源生命周期中有不同阶段会将生物源CO?释放回大气中。其中乙醇发酵阶段释放高纯度CO?气流（CO?浓度高于95%），该气流的捕获成本低，且与捕获CO?进行地质封存以实现永久移除（超过1000年）相关的环境负担较小（Benson et al., 2005; Alcalde et al., 2018）。生物质生命周期中其余的生物源CO?来源，如热电联产装置中的生物质燃烧以及车队发动机中生物燃料的燃烧，在捕获方面存在限制，如CO?浓度低和非固定点排放，这增加了CCS成本（Wiesberg et al., 2021; Yu et al., 2025），因此使发酵罐成为生物燃料生产中CCS最高效的来源。沼气提纯为生物甲烷也可提供高度浓缩的CO?气流，使综合生物乙醇和生物甲烷系统成为可扩展CO?捕获与封存的具有成本竞争力的途径（Yang et al., 2020）。

考虑到全球变暖威胁以及过去几十年平均最高全球气温升高所导致的日益频繁的极端天气事件，与生物燃料相关的CO?移除高潜力至关重要（IPCC, 2021）。《巴黎协定》（UNFCCC, 2015）旨在将温升限制在1.5°C的全球努力正在进行中，未来几年温度超过阈值的风险真实存在。在此背景下，IPCC认可碳移除方法对于温度超过阈值的逆转以及中和难以减排部门的排放、实现净零排放至关重要。在评估的二氧化碳移除（CDR）途径中，生物能源与碳捕获及封存（BECCS）代表了成熟技术的应用，旨在捕获和封存生物质在生长过程中移除的CO?，是IPCC设计的2020年至2100年1.5°C目标情景中的主要CO?移除来源（IPCC, 2022）。

对生物燃料生产和在扩展的生物能源系统中整合生物质以及将CCS应用于生物能源方案的一个担忧是，可能会刺激一个虽然能够提供有效碳减排和碳移除，但相较于传统能源方案可能存在环境权衡并对环境产生负面影响（Fajardy and Mac Dowell, 2017; Jeswani et al., 2020）的系统。调查产品和服务环境影响的有效工具是生命周期评估（LCA）（Bovea and Vidal, 2004）。LCA是一种整体性方法，通过科学手段衡量产品和服务在整个生命周期中与原材料提取和/或种植和运输、加工、产品运输、使用阶段以及处置/残余排放相关的环境影响，即进行从摇篮到坟墓的评估（对于生物燃料而言，也称为从井到轮）（ISO, 2006a）。

已有若干研究探讨了甘蔗基乙醇的环境绩效以及潜在协同机会，包括：1. 利用加工残渣生产生物甲烷和/或生物炭；2. 通过利用甘蔗提供的过剩能源来整合谷物用于饲料和生物能源生产；3. 捕获CO?气流用于地质封存的可能性。将沼气装置整合到现有甘蔗资产中具有显著的环境正面效应，通过替代化石燃料消耗、减少颗粒物和一氧化氮排放，同时提供高质量肥料以回收氮、磷、钾（NPK）用于田间应用（de Carvalho et al., 2023; Longati et al., 2017）。生物质整合，如在现有甘蔗厂的基础上加工二季作物谷物（如玉米和高粱），可提供持续的生物燃料生产和减少净能源消耗，同时通过共享基础设施确保具有成本效益的生产。然而，文献中发现甘蔗、玉米和高粱系统存在环境权衡，主要是由于尿素施用导致的氨排放量较高（Donke et al., 2017; Oliveira and Cruz, 2023），同时指出该系统的优势高度依赖于谷物种植在已有人类活动区域上的扩展，从而缓解潜在的土地利用变化（LUC）效应（Cortarelli and Gardner, 2026）。最后，将CCS技术路径纳入生物能源生产可以有效地以具有竞争力的成本交付负碳平衡，基于对发酵排放CO?的捕获，并结合综合资产（如二季作物谷物厂和沼气装置）以及附加热电联产装置中的氧燃料捕获技术，具有进一步碳移除的潜力（Dees et al., 2023; Donke et al., 2017; Gurgel et al., 2024; Moreira et al., 2016; Pereira et al., 2025; Yang et al., 2020; Yu et al., 2025）。该技术路径的主要限制因素是生物源CO?源附近的运输基础设施以及地质适宜性。

这些研究尽管探索了当前研究所提出的综合生产路径的潜力，但并未评估一个基于之前文献中各种方法组合的完全综合系统。本研究所要分析的系统将整合现有的甘蔗加工与二季作物谷物厂，利用巴西中西部地区大量供应的谷物，以及可用于自给自足生物能源加工的过剩蔗渣。该系统还包含利用甘蔗残渣生产的综合沼气装置来生产生物燃料和生物肥料，并通过生物质生产的工程化碳移除平台捕获和封存CO?以形成闭环，这是一个尚未在文献中调查过的价值主张。此外，热带地区生物质种植环境核算的最新更新，如Embrapa Meio-Ambiente发布的ICVCalc工具（Folegatti-Matsuura et al., 2023），尚未对甘蔗和二季作物谷物生产系统进行分析。

该工具旨在建立一套适应热带条件的生物质环境评估框架，考虑到不同方法在温室气体排放评估结果中存在较大差异，而所提出的BR-Calc工具（Pereira et al., 2019; Silva Sales et al., 2025）得出了更具代表性的结果。该工具考虑了巴西国情在作物种植环境评估中的动态变化，这是ICVCalc工具的主要特征。因此，作为对科学界的贡献，并作为展示整合生物能源生产潜在效益的努力——考虑到巴西中西部地区现有的甘蔗生产市场，以及拓展第二茬谷物基生物能源的种植和加工——本文应用了热带地区作物种植的最新可用数据，并对马托格罗索州一家整合生物精炼厂中利用甘蔗和2nd-crop谷物生产低碳强度生物乙醇进行了全面的生命周期评估研究，同时还考虑了碳捕集与封存（CCS）方案，使巴西乙醇生产链内实现净负碳平衡成为可能。

**生命周期评估（LCA）研究描述**

根据ISO 14040和14044标准（ISO, 2006a; ISO, 2006b），本LCA研究分为四个主要步骤（1. 目标与范围，2. 生命周期清单分析，3. 生命周期影响评估，4. 结果与讨论），具体内容如下。

**生命周期影响评估（LCIA）结果与解读**

LCIA阶段旨在基于从数据收集或文献中获取的信息，了解所分析过程潜在环境影响的严重程度。LCA基于指标（ISO标准中称为影响类别）评估所分析系统的环境绩效（ISO, 2006a; ISO, 2006b）。

在可用的LCIA方法中，本LCA研究遵循了环境足迹（EF）v3.1方法（European Commission, 2021），这是欧洲委员会推荐的方法。

**结论**

以马托格罗索州一家巴西甘蔗生物精炼厂为案例研究，进行了一项全面的生命周期评估，该工厂将整合现有运营与第二茬谷物加工（本研究中为玉米），以探讨在巴西生物能源市场现实条件下整合生物精炼厂工艺的潜力。该方法利用甘蔗资产中多余的蔗渣来满足整合工厂的能源需求，并利用大量低碳强度的第二茬谷物……

**CRediT作者贡献声明**

Pablo Resende Oliveira：撰写—原稿撰写、可视化、方法论、调查、数据整理、概念化。Tomaz Carraro Pereira：撰写—审阅与编辑、验证、方法论。Gon?alo Amarante Guimar?es Pereira：撰写—审阅与编辑、监督。

**未引用参考文献**

Hutchings et al., 2023b

**利益冲突声明**

作者声明，不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，可能对本论文所报告的工作产生影响。

Pablo Resende Oliveira | Tomaz Carraro Pereira | Gon?alo Amarante Guimar?es Pereira