UCO在多种生物柴油生产技术中，相较于植物油具有更大的碳减排潜力

《Journal of Cleaner Production》：UCO provides greater carbon reduction potential than plant oils across diverse biodiesel production technologies

生物柴油碳减排评估：基于21家中国工厂的LCA研究表明，原料选择（如废弃食用油UCO替代棕榈油CPO/大豆油SBO）对碳排放强度影响显著（UCO biodiesel 4.11-24.15 g CO?eq/MJ），生产技术（酯交换法与HVO工艺）及系统边界定义和分配方法（质量/能量分配）起关键作用。建议推广UCO原料并优化工艺配置以降低60%以上碳排放。

　　

杨莉|方 Wang|肖 Fu|叶 Wu

清华大学深圳国际研究生院环境与生态研究所，中国深圳，518055

摘要

现有研究通常只关注原料选择或生产技术，而在全面评估生物柴油碳排放方面存在空白。本研究考察了来自不同原料和技术的21家工厂生产的生物柴油产品的碳排放情况。采用质量分配和能量分配方法进行了生命周期评估（LCA）。棕榈油（CPO）和大豆油（SBO）生物柴油的大部分碳排放来源于土地利用变化（LUC）、种植和油提取过程。当系统边界和分配方法保持一致时，原料选择对碳强度的影响远大于生产技术的选择。减少生物柴油碳排放的建议包括使用环保型生物质能源、将废弃食用油（UCO）与UCO生物柴油生产过程相结合，以及推广UCO作为原料。用UCO替代CPO或SBO可使生命周期碳排放减少60%以上，因为无需经历上述的土地利用变化、种植和油提取过程。选择合适的分配方法对LCA结果具有关键影响。此外，UCO生物柴油和废弃食用油基氢脱氧植物油（HVO）生物柴油的碳排放分别为4.11-24.15克二氧化碳当量/兆焦和6.54-10.18克二氧化碳当量/兆焦。UCO和HVO生物柴油的LCA结果主要受收集和生产过程中的能源和原材料消耗的影响。将UCO作为生物柴油原料使用有助于能源安全、创造就业机会并减轻环境负担。

引言

随着化石燃料的枯竭和环境退化的加剧，世界各国政府都在寻求生物质能、风能、太阳能等可再生能源（Kanbur等人，2017年）。在这些可再生能源中，生物质能（如生物燃料）受到了政策制定者和行业的关注（Zhang等人，2023年）。生物柴油由动物脂肪、植物油、废弃食用油和微藻油制成，比传统燃料更环保，因为它可以减少交通污染物。此外，生物柴油的温室气体（GHGs）排放量低于传统柴油。使用生物柴油可以显著降低一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、颗粒物（PM）和颗粒数（PN）的排放，同时仅略微增加氮氧化物（NO_X）的排放（Zhang等人，2023年）。由于其可生物降解的特性，生物柴油已被作为传统化石燃料的替代品（Rajaeifar等人，2017年）。根据地区政策和燃料标准，生物柴油通常与石油柴油以不同的比例混合使用。修订后的《可再生能源指令II》为欧盟（EU）设定了到2030年的生物燃料混合比例目标，最低混合比例为42.5%，目标是45%（欧盟，2023年；Fernandez-Tirado等人，2021年）。在中国，上海率先制定了严格的生物柴油标准，有效推动了生物柴油的发展（Li等人，2023年）。

根据欧洲科学院科学咨询委员会2012年的报告，根据不同的初始原料，生物柴油可分为四代（Zhang等人，2023年）。第一代生物柴油由食用植物油（如棕榈油、大豆油（SBO）、椰子油、芥花油、菜籽油和葵花籽油）制成。而废弃食用油（UCO，也称为废油WCO）和非食用农业油则属于第二代生物柴油。微藻油和转基因微藻油分别属于第三代和第四代生物柴油（Wu等人，2023年）。鉴于马来西亚和印度尼西亚位于赤道附近的热带地区，当地的生物柴油原料主要以棕榈油（CPO）为主（Syafiuddin等人，2020年；Wahyono等人，2022年）。然而，每一代生物柴油都有其优缺点。与第一代食用油原料相比，UCO不受耕地可用性的限制，也不会直接与水资源和耕地竞争。

根据美国农业部（USDA）的数据，2022年马来西亚和印度尼西亚生物柴油产品中CPO原料的比例分别为92.01%和92.17%（Wahab和Richards，2023年；Rahmanulloh和Osinski，2023年）。然而，欧盟和英国（UK）政府更倾向于使用LUC风险较低的原材料。RED II政策旨在促进先进生物燃料的发展，同时限制来自粮食和饲料作物的生物燃料生产。在欧盟和英国，UCO占生物柴油原料的19%，占全球消费量的56%（Van Grinsven等人，2020年）。印度的生物柴油生产主要依赖UCO，这已被证明在商业上是可行的（Manikandan等人，2023年）。同样，UCO原料也主导了东亚地区的生物柴油市场，包括日本和中国（Syafiuddin等人，2020年）。关于中国生物柴油行业的综合研究较少，特别是关于不同原料和生产技术的碳排放方面。准确确定中国UCO生物柴油的碳排放量有助于全球减排努力。

另一方面，生物柴油的分类也可以根据生产技术来确定，例如通过酯交换反应制成的脂肪酸甲酯（FAME）生物柴油或可再生生物柴油。可再生生物柴油也被称为第二代生物柴油。酯交换技术是最广泛使用的方法，通常被视为第一代生物柴油的生产方法（Zhang等人，2023年）。酯交换过程受催化剂类型的影响（Singh等人，2020年）。脂肪酶催化的酯交换在效率方面通常优于酸催化和碱催化的酯交换过程（Wirawan等人，2024年）。可再生生物柴油也可以由UCO制成，称为氢脱氧植物油（HVO），其化学性质与石油柴油相似。这种方法在改善润滑性能、降低硫含量和使生物柴油的芳香烃含量接近零方面具有优势（Amin，2019年）。此外，可再生生物柴油和FAME生物柴油在物理化学性质上也存在差异（Wirawan等人，2024年）。尽管有很多关于FAME和HVO化学和物理性质差异的研究，但FAME和HVO之间的温室气体排放强度仍需进一步明确。不同催化剂对生命周期评估结果的影响也需要进一步研究。

Zhang等人（2023年）评估了中国大豆生产的能源和碳足迹。生产一吨大豆会产生3.33 × 10³千克二氧化碳当量的全球变暖效应。此外，大豆生产对环境总负担的贡献主要来自磷酸二铵、柴油和工厂现场排放。通过LCA方法发现，麻疯树和微藻作为生物柴油原料比大豆更具竞争力（Hou等人，2011年）。例如，评估的10个中间影响类别中，麻疯树和微藻生物柴油的得分分别为大豆生物柴油的68.88%和6.79%。Uusitalo等人（2014年）研究了由棕榈油、菜籽油和麻疯树油制成的生物柴油的碳足迹。分析发现，这些原料的碳足迹主要来源于土地利用变化（LUC）、原料种植和油提取过程。Zhao等人（2021年）研究了中国UCO生物柴油生产的环境和经济影响。与传统化石燃料相比，基于UCO的生物柴油在资源消耗和温室气体排放方面表现更好。然而，Zhao等人指出，不同生物柴油原料和生产技术的碳足迹差异目前尚不明确。这些研究要么关注原材料的差异，要么专注于某种特定的生物柴油生产技术。尽管Naseef和Tulaimat（2025年）研究了不同生产技术的环境影响，但分析仅限于基于棕榈油的生物柴油。Khan等人（2025年）的研究也存在类似问题。即使原料相同（如UCO），其来源和预处理过程也会导致生命周期碳排放的显著差异（Bansod等人，2024年）。因此，在评估各种类型生物柴油的生产技术的总体碳足迹方面存在空白。

由于土地利用变化（LUC）、作物类型、LCA系统和分配方法的不同，生物柴油的碳足迹存在很大差异（Brand?o等人，2022b）。Cherubini等人（2011年）评估了不同分配方法对碳排放和其他环境性能的影响。每种分配方法都有其优缺点。当生产数据随时间保持一致时，基于能量和能量的分配方法更受欢迎。通过对233项生物燃料研究的系统回顾，Wang等人（2025年）发现了类似的局限性。当前的LCA研究面临共同的问题和限制，特别是在系统边界、功能单位和分配方法的定义上。以往的LCA研究通常在CPO提取过程中使用质量分配方法。对于生物柴油生产过程，要么使用能量分配方法，要么使用质量分配方法（Hou等人，2011年；Zhao等人，2021年）。功能单位（FU）是确定LCA中材料和能量输入和输出的基本和关键因素（Carneiro等人，2017年）。在大多数研究中，生物柴油生产的LCA中使用的是1千克或1吨的功能单位（Zhang等人，2023年；Foteinis等人，2020年）。然而，也有建议将LCA结果基于其他单位进行报告，例如1兆焦的生物柴油和1公顷的植物油基生物柴油产品（Rathore等人，2016年；Xu等人，2022a，Xu等人，2022b）。目前，推荐的功能单位主要是1兆焦或1千克（Xu等人，2022a）。多种分配机制和功能单位带来的复杂性使得碳排放评估的比较变得复杂。

为了填补上述研究空白，本研究对中国21家选定的生物柴油工厂（包括新工厂和旧工厂）的碳排放进行了LCA评估。这些工厂使用了不同的生物柴油原料和多种生物柴油生产技术。可以利用生产数据评估来自不同原料和技术的生物柴油产品的碳排放。同时，还提出了适当的分配方法和功能单位建议，以减少生物柴油产品的碳排放，从而促进生物柴油的发展并增强能源安全。

部分内容摘录

系统边界

图1展示了从摇篮到大门（也称为从井到泵，WTP）的CPO、SBO和UCO系统边界，包括棕榈树或大豆种植、SBO和CPO提取、生物柴油生产和运输过程。与CPO和SBO生物柴油不同，UCO LCA系统边界中还包括UCO收集过程，而不是种植或油提取过程。UCO来源于多种来源，包括住宅、餐馆和某些食品工厂。

UCO作为中国的主导原料

在调查的21家生物柴油工厂中，有16家工厂生产生物柴油，具体是从工厂E到工厂Q。其余5家工厂（包括旧工厂A到工厂D）生产工业基础混合油UCO。这种产品是中间产品，需要进一步加工成生物柴油。具体生产信息列在表A1中。基本生产过程包括六步净化：脱水、去除杂质、脱胶等。

结论

本研究采用LCA和GREET模型评估了中国21家工厂生物柴油产品的碳排放。LCA结果显示，生物柴油产品的碳排放强度顺序为：SBO生物柴油（119.25克二氧化碳当量/兆焦）、CPO HVO（87.19-94.14克二氧化碳当量/兆焦）、柴油、UCO生物柴油（4.11-24.15克二氧化碳当量/兆焦）和UCO HVO（6.54-10.18克二氧化碳当量/兆焦），以及工业基础混合油UCO（1.72-3.45克二氧化碳当量/兆焦）。CPO生物柴油表现出更好的性能。

CRediT作者贡献声明

杨莉：软件、方法论、调查、数据管理、概念化。方 Wang：软件、资源管理、数据管理、概念化。肖 Fu：写作 – 审稿与编辑、监督、软件、资源管理、数据管理。叶 Wu：写作 – 审稿与编辑、监督、软件、资源管理、方法论、数据管理。

数据

数据可应要求提供。数据来源：（中华人民共和国生态环境部，2024年）。

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。