实现农业脱碳的路径：评估中国利用光伏热解技术将秸秆液化以产生负碳的潜力

《Biomass and Bioenergy》：A pathway to agricultural decarbonization: Assessing the negative-carbon potential of photovoltaic hydrothermal liquefaction of straw in China

基于改进混合生命周期评估方法（IHLCA）研究中国31省秸秆基光伏热解液化多能系统碳足迹，结果显示系统GHG排放强度为2.5?g CO?-eq/MJ，较传统燃煤发电降低71.4%。生物炭还田可使系统实现负碳排放，8.22%还田率达净零排放，100%应用率产生-27.6?g CO?-eq/MJ强度，全量应用可固碳2023万t CO?-eq，对冲62.9%区域排放。研究将省份划分为负排放、低排放和高排放三类，为农业脱碳策略提供科学依据。

　　

王健|于菲菲|杨天华|刘佐曦|李润东|王珊珊|耿勇|董慧娟|任婉霞|文健|肖丽辉

摘要

本研究开发了一种改进的混合生命周期评估（IHLCA）方法，用于评估中国31个省份中基于秸秆的光伏热液液化（PV-HTL）多联产系统的碳足迹。结果表明，PV-HTL过程的温室气体（GHG）排放强度为2.5克二氧化碳当量/兆焦（g CO?-eq/MJ），相比传统热力发电减少了71.4%。通过整合生物炭土壤改良技术，该系统实现了负碳排放。具体而言，将8.22%的副产生物炭返还土壤可实现净零排放；而100%的应用率则使净温室气体排放强度降至-27.6克二氧化碳当量/兆焦（-27.6 g CO?-eq/MJ）。若将这种全生物炭应用方案推广到31个省份，可在土壤中封存2023万吨二氧化碳当量，抵消该地区总排放量的62.9%。最后，这些省份被划分为负碳排放、低碳排放和高碳排放区域，为制定农业脱碳策略提供了重要的科学依据。

引言

中国是一个主要的农业生产国，每年产生约8.6亿吨农作物秸秆，其中多达80%可用于能源用途[1]。秸秆作为一种典型的生物质形式，通常被认为是碳中性的，因为其使用过程中释放的二氧化碳会在后续生长周期中被植物光合作用重新吸收[2]。由于传统汽油的温室气体排放强度为94克二氧化碳当量/兆焦（94 g CO?-eq/MJ），几乎是生物质液体燃料的21倍[3]。因此，生物质液体燃料在替代传统化石燃料和减少温室气体排放方面发挥着重要作用。目前，农业废弃物生物质的能源化利用主要包括发电、生物液体燃料（如热解和水热液化（HTL）产生的燃料）、合成气以及致密生物质燃料[4]。其中，HTL技术能够将秸秆分解并转化为多种有价值的生物基产品，近年来引起了学术界的广泛关注[5]。因此，有必要评估中国秸秆HTL技术的负碳潜力。

HTL是一种热化学过程，在高温（250–400°C）和高压（5–25 MPa）条件下，利用水、乙醇、二氧化碳等物质作为反应介质，将生物质转化为生物油、水产品、气体和固体残渣[6]。主要的液化产物是生物油，固体副产物是生物炭。生物炭由稳定的碳分子组成，如果将其固定在土壤中作为碳汇，对实现碳中和和改善土壤质量具有关键作用[7,8]。目前，农业废弃物生物质的HTL过程通常依赖热力发电驱动，导致温室气体排放显著增加[9]。随着HTL技术的发展，该过程正朝着更低碳、更高效的方向发展[10]。例如，通过设计光伏热液液化多联产系统（PV-HTL）[11]，利用光伏系统替代热力发电，从而减少整个系统的温室气体排放。需要强调的是，准确量化HTL技术的减排潜力对于促进其在中国的广泛应用至关重要。

目前关于HTL技术减排的研究主要集中在最终产品（生物燃料）在整个生命周期内的全球变暖潜能（GWP）上[12,13]。相比之下，关于生物精炼厂副产品再利用的研究相对较少。例如，生物炭是HTL的常见副产品，将其返还土壤不仅可以改善土壤质量，还能作为碳汇[14,15]。尽管现有研究表明生物炭应用对碳封存有积极作用，但很少有文章从全生命周期的角度分析秸秆HTL过程中副产品生物炭的碳中和贡献。

此外，当前关于农业废弃物生物质能源化利用的研究采用的碳排放核算方法主要是传统的生命周期评估（LCA）方法。基于过程的LCA系统边界通常设定为“从摇篮到坟墓”（cradle-to-grave）或“从摇篮到大门”（cradle-to-gate）。然而，越来越多的LCA研究表明，传统基于过程的LCA范围有限，导致忽略了整个生物精炼系统中上游经济系统的嵌入碳排放。为了解决这些问题，越来越多的混合LCA方法被用于计算产品的碳足迹[16]。由于缺乏标准的混合LCA计算方法，评估结果往往存在显著差异[17]。传统的混合LCA结合了基于过程和基于输入输出（IO）的LCA方法，旨在同时考虑详细数据和系统边界的完整性[18]。然而，这种方法仍存在一些缺点，包括PLCA和EIO-LCA之间的重复计算问题[19]。

为了解决上述问题，本研究首次建立了一种用于热转换系统碳足迹的混合LCA方法。以中国地区的PV-HTL系统为例，对该系统的碳足迹进行了核算。该方法创新性地通过使用EIO-LCA计算嵌入的温室气体排放，并采用IPCC方法计算直接温室气体排放，从而避免了传统混合LCA方法中的重复计算问题，确保了碳减排潜力的准确量化。将该系统的二氧化碳减排潜力与其他HTL系统和生物质能源转换技术进行了比较。还进行了关于生物炭返还、运输距离和秸秆利用率的情景分析，以进一步优化中国31个省份中PV-HTL的负碳潜力，揭示了在农业领域实施PV-HTL对于实现碳减排的重要性。

光伏热液液化多联产系统描述

假设PV-HTL系统位于中国天津（北纬38°34′-40°15′，东经116°43′-118°4′）。该地区年平均气温为14°C，年降水量为534.4毫米，年均日照时数为2387.9–2694.7小时。年平均太阳辐射强度在5400至6700兆焦/平方米（5400–6700 MJ/m2）之间；为简化计算，本研究采用了6050兆焦/平方米的中值。根据2017年天津统计年鉴的数据，该地区的总种植面积为约357,267公顷（ha）。

光伏热液液化多联产系统清单

PV-HTL系统每年产生的生物油、合成气和生物炭的产量分别为1031吨、38892万立方米（388920000 m3）和702吨，具体热值见表2。系统成本可分为四个部分：（1）建筑工程（组合车间和办公楼）、（2）设备购置、（3）运输以及（4）运营和维护。

结果与讨论

不同排放源的贡献比例详见图3。如表3所示，2007年天津PV-HTL系统的总温室气体排放量为149.11吨二氧化碳当量（149.11 t CO?-eq），其中间接排放占88.9%。直接温室气体排放来自玉米运输过程中的柴油燃烧，占比为11.1%（图3(a)）。值得注意的是，间接温室气体排放主要源于与碳密集型原材料相关的嵌入排放。

情景分析

基于现有研究，生物炭的碳封存能力、运输距离和秸秆产量是影响生物质热转换系统减排潜力的重要因素。因此，本研究旨在基于生物炭返还土壤后的碳封存能力、秸秆运输距离对碳排放的影响以及理论上的可利用性，进行减排潜力分析。

结论

这项概念验证研究建立了一个稳健的改进型混合生命周期评估（IHLCA）框架，用于评估基于秸秆的光伏热液液化（PV-HTL）多联产系统的负碳潜力。通过使用EIO-LCA计算嵌入排放，以及IPCC方法计算直接排放，该方法有效解决了传统方法中的重复计算问题。主要定量发现和意义如下：

(1)

显著的减排效果：

生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本研究期间，作者使用了ChatGPT辅助英文翻译和内容重构。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

王健：数据整理、正式分析、资金获取、初稿撰写。于菲菲：正式分析、初稿撰写。杨天华：概念构思、资金获取、调查、监督、审稿与编辑。刘佐曦：概念构思、资金获取、调查、审稿与编辑。李润东：概念构思、资金获取、调查、审稿与编辑。王珊珊：概念构思、调查

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了京津冀区域环境综合改善-国家科技重大项目（项目编号2025ZD1205400和2025ZD1205404）的支持。作者还感谢国家自然科学基金（项目编号52406266）和中国辽宁省自然科学基金（项目编号2024-MS-138）提供的研究资助。