基于生命周期评估的前瞻性筛选框架：面向气候减缓目标的生物基化学品与塑料路径优先排序

《Resources, Conservation and Recycling》：SCREEN-LCA: Ex-ante prioritization of bio-based pathways for chemicals and plastics under a climate-mitigation objective

　　

生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）是指导循环生物经济战略的关键工具，包括用生物资源替代化石碳。然而，其数据密集和时间密集的特性可能阻碍其在候选路径众多时的应用，尤其是在化工领域。本研究开发了SCREEN-LCA，一种分步式前瞻性框架，旨在进行完整LCA之前对案例研究进行优先排序。该框架结合了：（i）行业级影响估算；（ii）目标行业内热点产品的识别；（iii）相应替代生物基路径的映射；以及（iv）基于多重标准的路径优先排序。研究人员将SCREEN-LCA应用于一项以法国为导向的示范研究中，以优先排序用于后续LCA的残余生物质基路径。现有石化产品和塑料的温室气体（Greenhouse Gas, GHG）足迹、原料兼容性和技术成熟度被用作筛选标准。研究人员构建了一个涵盖50种热点产品及其替代生物基路线的广泛图形数据库。乙烯、丙烯、甲醇和聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）因具有前景良好的生物基替代方案而成为优先研究对象。

论文解读：SCREEN-LCA框架——面向气候减缓的生物基化学品与塑料路径前瞻性优先排序

一、研究背景与问题提出

气候变化主要由化石资源的累积燃烧驱动，这仍是人为温室气体（GHG）排放的最大来源。在此背景下，用生物碳替代化石碳的生物经济解决方案被视为去化石燃料化工业系统并减少相关GHG排放的可靠途径。然而，以往政策努力主要集中在能源领域增加可再生碳的使用，石化和塑料行业受到的关注相对较少。截至2024年，全球约16%的化石石油需求被用作化学品和材料（如塑料）的工业原料，预计这一比例还将上升。因此，减少对化石资源的依赖需要扩大替代碳原料在生产聚合物和有机化学品中的应用。生物基替代品还具有在产品中暂时封存生物碳的优势，从而在降低全球平均温度变化方面带来气候效益。特别是利用残余生物质，这些通常是未充分利用的流，并非主要用于食物、饲料、材料或能源目的，可以提高资源效率并减少对土地的压力。

从可持续性角度来看，开发生物基化工行业的努力应集中于为环境负担最高的产品提供替代品。然而，石化和塑料产品种类繁多，包括数千种分子和数十种聚合物家族，选择哪些替代方案来开发远非易事。当主流环境评估方法如生命周期评估（LCA）仍然数据密集和时间密集时，优先排序尤为关键。尽管已有少数尝试提出了生物基替代产品的优先排序方法，但这些研究要么覆盖的化学和聚合物范围狭窄，要么依赖的选择标准不够透明，难以复现。例如，美国能源部早期的“高附加值化学品”筛选或Winter等人（2022）的工作侧重于糖基转化路线，忽略了非碳水化合物原料。而其他方法虽然覆盖面更广，但其选择程序仅部分记录，使得复制变得困难甚至不可能。因此，目前缺乏一种可复现、覆盖面广、包含多种原料和产品的方法，用于优先排序最有前景的石化和塑料生物基替代品。

二、研究内容与结论

为了填补这一空白，本研究引入了SCREEN-LCA，一个分步式、可复现且部门不可知论的方法框架，用于生物基替代路径的前瞻性优先排序。该框架旨在通过识别需要通过详细LCA量化环境绩效的优先候选对象来支持决策。研究人员将其应用于法国石化和塑料行业，以识别能够利用残余生物质并具有强大气候变化减缓潜力的生物基路径。

该论文发表在《Resources, Conservation and Recycling》上。其主要意义在于提供了一个结构化的、可复现的LCA案例选择方法论基础，并为向生物基产品转型的战略决策提供了具体数据。此外，研究中开发的生物基价值链图形数据库是一个可重用的知识库，为生物经济解决方案的系统筛选奠定了基础。

三、关键技术方法

研究人员为开展研究采用了以下几个主要关键技术方法：

1. 1.
   环境扩展的多区域投入产出（EE-MRIO）分析：使用EXIOBASE数据库（v3.10.2，2022年数据）估算目标行业（“塑料，基本”和“化学品，未另分类”）的基线GHG足迹，采用GWP₁₀₀指标。
2. 2.
   产品分解与物理流量统计：利用欧盟统计局（Eurostat）的PRODCOM数据集（“ds-059358”），将目标行业按物理市场份额分解为特定产品，并对生产量和进口量求和后排序。
3. 3.
   生命周期清单（LCI）数据库匹配与足迹计算：将分解后的产品与Ecoinvent数据库（v3.12，截断分配模型）中的相应数据集进行人工匹配，并采用IPCC 2021（AR6）方法的GWP₁₀₀指标估算其从摇篮到坟墓的气候变化影响。
4. 4.
   结构化文献综述与图形数据库构建：通过Google Scholar等渠道进行结构化文献检索，识别每种热点产品的生物基替代路径，并使用Kumu在线工具构建一个关系型图形数据库，连接原料、中间体、过程和最终产品。
5. 5.
   技术成熟度评估：基于技术就绪水平（TRL）框架，评估与选定原料（法国残余生物质）兼容的转换过程的成熟度，并将其分为低、中、高和完全成熟四个等级。

四、研究结果

2.1 步骤1：情境化与范围界定

通过设定目标为“优先排序在法国使用残余生物质替代高GHG足迹的石化产品和塑料的生物基路径”，明确了应用领域、时间范围（基准年为2019-2024年平均）、地理范围（法国）、影响指标（GWP₁₀₀）、替代原料（残余生物质）和核算体系（国内产量加进口）。

2.2 步骤2：目标行业基线足迹估算

利用EXIOBASE估算，2022年法国生产和进口的塑料及其他化学品的GHG足迹分别为21.7和22.2 Mt CO₂-eq，证明了目标行业的重要性。

2.3 步骤3：通过细分目标行业细化产品范围

使用PRODCOM数据将石化和塑料行业分解为具体产品，并按质量排序。由于法国数据缺口，使用了欧盟27国（EU27）数据作为代理。

2.4 步骤4：热点产品识别

将排名靠前的PRODCOM产品与Ecoinvent数据集匹配，估算其GHG足迹。结果显示，前15个热点产品包括乙烯、丙烯、甲醇、PET等，其中乙烯的总GHG足迹最高。

2.5 步骤5：替代路径识别

通过结构化文献综述，为50个热点产品建立了生物基替代路径的图形数据库，包含超过100个中间体和过程，并记录了文献来源。

2.6 步骤6：原料兼容性

根据法国残余生物质潜力清单（主要为木质纤维素材料，如作物残留物），筛选与这些原料兼容的替代路径。

2.7 步骤7：过程技术成熟度

评估了与木质纤维素原料兼容的转换过程的TRL。发现许多路径（如复杂的催化转化和基因工程微生物生产路线）尚未达到商业成熟度。

2.8 步骤8：建立优先列表与结果

综合以上步骤，确定了优先顺序：

• •
  乙烯：排名第一，乙醇制乙烯路径因其较高的商业前景而被优先考虑。
• •
  丙烯：排名第二，甲醇制丙烯/烯烃（MTP/MTO）路径已达到工业中试规模。
• •
  PET：排名第三，聚乳酸（PLA）被确定为相关替代品，是目前最成熟的生物基塑料之一。
• •
  苯、甲苯、二甲苯（BTX）芳烃虽也是关键热点，但其生物基路径的技术成熟度较低，限制了其优先级别。

五、讨论与结论

讨论部分指出，SCREEN-LCA设计为一个通用且可配置的框架，不限于法国残余生物质或GHG指标，可扩展到其他原料和指标。它有意地一次只筛选一个驱动环境指标，因此不适合揭示影响权衡，应作为进行完整LCA前的补充工具。方法的局限性包括：需求被视为外生变量；优先选择最成熟的路径可能会低估早期突破性选项；以及生命末期足迹的简化处理。演示的一个显著结果是，一些广泛讨论的生物基化学品和塑料（如琥珀酸、甘油、PEF、PHA）并未成为最高优先级，这是因为SCREEN-LCA采用问题导向的顺序，首先识别环境负担最大的现有产品，再寻找替代方案。

研究结论部分翻译如下：

稳健的生命周期评估本质上是耗时且数据密集的。这使得每当可能的产品和替代路线数量庞大时（如化工行业所示），透明、合理的案例选择成为前提条件。然而，用于优先排序减缓选项和比较技术路径的结构化、可复现的方法仍然有限。本研究通过提出并实施SCREEN-LCA来解决这一差距，这是一个基于明确且合理假设的分步式、可操作的LCA案例优先排序框架。该方法通过一个以法国为对象的案例研究进行了说明，该案例研究针对的是残余生物质基的石化产品和塑料替代品。它根据现有产品的基线GHG足迹对其进行排名，并根据原料兼容性和技术成熟度筛选候选生物基路径。乙烯和丙烯成为具有相对成熟候选路线的优先热点产品，包括（i）来自第二代乙醇发酵的乙烯和（ii）通过生物质气化、甲醇合成和甲醇制烯烃生产的丙烯。PLA也被确定为某些PET应用的候选替代品。这些路径是后续进行完整LCA的优先候选对象，而完整的LCA对于量化其环境绩效和气候减缓潜力是必需的。除了优先路径列表，这项工作的一个主要贡献是开发了一个生物基价值链的图形数据库。该数据库连接了原料、中间体、过程和最终产品，并附有记录的成熟度评级和支持性参考文献。通过构建超过50个热点产品及其替代生产路线，该图形数据库为生物经济解决方案的系统筛选提供了一个可重用的知识库。SCREEN-LCA方法并不局限于在GHG减缓目标下对化石基化学品和材料的生物基替代品进行优先排序。它也可以适应其他地理背景、时间范围和战略目标（例如，循环性、资源效率或替代原料）。因此，这项研究为可复现的前瞻性完整LCA案例选择提供了方法论基础。此外，该示范性演示提供了具体数据，为向生物基产品转型的战略决策提供信息。