《Fuel》：Comparative life cycle impact assessment of compressed biogas with CNG and petrol: A well-to-pump approach
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印度交通能源的碳足迹评估与生物压缩天然气潜力研究。该研究采用全生命周期评估方法，对比分析了牛粪制CBG、国内外CNG、乙醇汽油及区域电力等能源方案的环境影响，发现CBG的温室气体减排潜力达-275%（以乙醇汽油为基准），且资源消耗和毒性排放显著低于其他选项。研究强调位置特定评估和能源技术优化对实现"净零"目标的重要性。
Srijit Biswas | Avinash Kumar Agarwal
印度理工学院坎普尔分校机械工程系发动机研究实验室，坎普尔 208016，印度
摘要
印度迅速增长的能源需求，尤其是在交通运输领域，促使研究人员探索替代能源。这需要进行全面的生命周期评估（LCA），以了解交通运输领域使用的各种主要能源的环境影响。本研究对压缩生物气（CBG）从“井到泵”（WTP）的全过程进行了详细的LCA分析。为了与其他能源进行比较，系统边界被扩展到包括印度目前使用的各种能源，如压缩天然气（CNG）（包括国内和进口的）、乙醇混合汽油（EBP）以及区域性的国家电网。该分析评估了这些能源的温室气体（GHG）排放、相关有毒排放、资源消耗和用水情况。从牛粪中生产CBG显示出显著的温室气体减排潜力（相比EBP减少了275%）。相比之下，进口和国产CNG的生命周期温室气体排放量更高（比EBP高出30%）。区域电力生产的LCA突显了其显著的环境影响。本研究的结果对政策制定者和利益相关者具有重要意义，因为它们提供了关于印度能源状况的关键见解，强调了针对特定地点的评估和技术特定的环境优化策略的重要性。本研究的结果对于制定可持续交通能源政策具有启示意义，这些政策有助于印度向低碳经济和“净零”目标的转型。
引言
LCA在估算能源消耗及其环境影响以及评估交通模式的可持续性方面至关重要。多项研究[1]、[2]、[3]强调了考虑能源足迹、温室气体（GHG）排放和对生态系统成本的重要性。LCA方法通常用于分析能源消耗，强调材料提取、生产、使用和维护阶段的重要性[4]。“从井到轮子”（WTW）和“从摇篮到坟墓”（CTG）LCA方法可以识别交通领域的环境影响。要进行全面的WTW分析，分析师必须进行详细的“从井到泵”（WTP）分析。LCA的WTP方法可以根据主要能源来源比较不同的交通模式[5]。为此，联合国欧洲经济委员会（UNECE）正在计划制定“汽车LCA”标准[6]。本研究总体上强调了LCA在确保知情决策过程中的重要性，从而实现更节能和环保的交通系统。在印度，交通领域消耗了全国约9%的能源需求[7]。该领域的温室气体排放占总排放量的约13.26%[8]。对印度所有乘用车类型的能源进行分析后发现，近63%的汽车使用汽油，17%使用柴油，14.5%使用CNG，2.6%使用纯电动汽车（BEVs），混合动力电动汽车（HEVs）约占5%[9]。随着净零目标的提出，传统燃料面临着挑战。因此，交通领域开始采用新的动力系统和燃料能源。
全球已开展了多项LCA研究，以了解新技术和能源的可持续性。生产可再生能源电力的国家正在推广电动汽车（EVs）的采用。然而，电动汽车的生命周期排放量高于内燃机车辆（ICEVs）[10]。目前正在进行大量研究，通过选择替代燃料来减少道路和海运领域的碳排放。除了对传统燃料内燃机车辆的技术创新外，还分析了CBG和其他生物燃料（如甲醇、乙醇和生物柴油）。
Munagala等人[10]评估了从甘蔗渣中生产生物CNG的影响，发现每生产1公斤生物CNG会产生约1.55公斤二氧化碳当量。Xiao等人[11]分析了经过热处理后的微藻生物质生产的生物气，他们计算出每千瓦时生物气产生的净温室气体排放量为129.94克二氧化碳当量。Singh等人[12]分析了一个基于污水污泥的生物气生产厂的性能，报告称生物气生产过程中的温室气体排放量为每立方米生物气0.2385公斤二氧化碳当量，从而避免了无机肥料的使用。Lyng等人[13]进行了生物气的比较LCA，发现其环境影响最低。Natividad Pérez-Camacho等人[14]评估了生物气替代汽油和柴油以及发电和天然气电网的效果，发现用生物气替代汽油和柴油可减少524公斤和477公斤二氧化碳当量的温室气体排放；在电力生产中使用生物气可减少300公斤二氧化碳当量的温室气体排放；在北爱尔兰天然气电网中用生物气替代天然气可减少191公斤二氧化碳当量的温室气体排放。Bilgili等人[15]对替代海洋燃料进行了LCA比较，包括生物气、DME、乙醇、甲醇等燃料。结果表明，在短期、中期和长期情景下，生物气是最优且最可持续的燃料。Singh等人[16]评估了从城市固体废物和废水中生产生物气及其对印度交通领域的影响，发现生物气的环境影响低于汽油和柴油，并估计其生产潜力可替代每天4053.5吨柴油的消耗。这些研究表明，通过采用适当的燃料和动力系统技术，印度交通领域具有显著的减排潜力。
Patel等人[17]分析了不同原料生产的CBG的成本和环境效益。在印度背景下，对工业、农业和社区有机废物的CBG进行了LCA和技术经济评估（TEA）。研究结论是，一个每天生产五吨（TPD）CBG的工厂可以通过替代每年2070吨汽油，每年减少4,781.7吨二氧化碳当量的排放。这还可以替代43.6吨合成肥料，每年减少319.77吨二氧化碳当量的排放。另一方面，每吨有机废物可以减少1.08吨二氧化碳当量的排放。Samson-Br?k等人[18]研究了在波兰电网中替代生物气的情况。他们报告称，尽管生物气的环境影响取决于所用原材料，但无论来源如何，用生物气替代煤炭都会产生积极的环境影响。据报道，与天然气和氢气生产相比，生物气和生物甲烷分别实现了51-70%和42-65%的温室气体减排。低碳绿色氢气在温室气体减排方面比生物甲烷高出13-24%[19]。Gustafsson等人[20]的研究强调了选择视角的重要性，他们发现生物气的“从油箱到车轮”（TTW）影响总是高于“从井到车轮”（WTW）影响。他们还报告说，在可再生能源占比较低的国家，TTW视角适用于CNG/CBG车辆。Zhang等人[21]使用低碳电力通过甲烷化生产生物甲烷，报告称生物气替代燃料的温室气体排放量比CNG燃料车辆低27-62%，比汽油基乘用车低41-70%。Pereira等人[22]研究了加拿大一个省份的生命周期温室气体排放，由于采用了基于天然气的工厂和可再生能源，温室气体排放量从2010年的每千瓦时175克二氧化碳当量下降到2018年的每千瓦时58克二氧化碳当量。
事实证明，生物气是一种可靠的可再生能源，可以从多种来源生产。全球范围内的研究分析了粪便、农业废物和微藻等原料的性能，显示了生物气生产的巨大潜力。CBG作为车辆燃料替代CNG或在热电厂替代煤炭具有显著潜力。与其他燃料（如CNG、汽油、柴油和电力）相比，CBG在环境和经济影响方面最具竞争力。
尽管可持续性和未来燃料对印度交通领域具有重要意义，但关于印度背景下可持续性分析的文献相对有限。库存数据的局限性导致了对所提出能源的全面环境影响理解上的知识空白。关于CBG生产、进口液化天然气（LNG）、国产CNG、EBP和区域电力生产的LCA研究较少。鉴于上述情况，关于印度向低碳经济转型的政策相关见解也很有限，这促使作者进行了这项LCA研究。
本研究旨在对主要来自牛粪的CBG进行全面的“从井到泵”（WTP）分析。研究还考虑了将废物用于生物气生产时的排放减少情况。本研究比较了交通运输中使用的其他燃料（如CNG、EBP和电力（用于EVs）的影响。通过利用关于各种能源环境效果的经验证据，我们的研究有助于制定明智的政策决策。
部分摘录
LCA方法
本分析采用了国际标准化组织（ISO）14040 [23]和14044 [24]标准中规定的方法。图1展示了LCA的各个步骤。
CBG生产的质量平衡分析
CBG生产每个步骤的质量平衡分析如图13所示。该图展示了每个过程的质量输入和输出。
WTP分析的结果以克二氧化碳当量/兆焦（g CO2-eq/MJ）表示。在本研究中，我们分析了各种燃料和能源生产情景。因此，选择这个功能单位是为了更好地比较和理解燃料生产过程中的排放情况。
结论
这项LCA研究旨在评估运输能源的WTP能量、排放和资源消耗。本研究详细分析了从牛粪中生产CBG的情况。详细分析表明，CBG是一种环保的生物燃料，解决了WTP阶段与温室气体和其他有毒排放相关的问题。CBG生产的温室气体-100和其他对人体健康有害的排放量相对较低，甚至为负值。
本研究的未来方向
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与政策制定者合作，将LCA结果纳入印度的能源政策框架，可以为利益相关者带来显著价值，并改进相关流程。
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评估新兴能源技术（如甲醇、DME、氢气）及其在循环经济背景下的环境影响。
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将印度的路径与全球基准进行比较，进行TEA分析对于理解能源的社会接受度至关重要。
CRediT作者贡献声明
Srijit Biswas：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、概念化。Avinash Kumar Agarwal：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、项目行政、方法论、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢Arpit Yadav先生和P.A. Lakshminarayanan教授在论文起草过程中提供的帮助。
