可再生柴油与可持续航空燃料在加利福尼亚州权衡对空气质量的影响

《Journal of the Air & Waste Management Association》：Air quality impacts of the trade-off between renewable diesel and sustainable aviation fuels in California

　　

可再生柴油（RD）和可持续航空燃料（SAF）是传统石油燃料的低碳替代品，已在政策驱动下开始以商业规模进入美国市场。最广泛应用的RD和SAF形式是加氢处理脂类，通过类似工艺生产，使用植物油或废油作为原料。RD和SAF通常比其石油等价物排放更低的空气污染物，尤其是颗粒物（PM）和硫氧化物（SO_x），但这些减排的数量和地点不同。由于RD和SAF依赖相同的原料和生产能力，短期内增加SAF产量可能以牺牲RD为代价。本研究调查了这种转变可能对空气质量产生的影响，重点关注对弱势社区的潜在影响。研究人员在加利福尼亚州开发了两种排放场景，其中柴油和航空排放经过缩放，以反映偏向SAF或RD的政策。随后使用化学传输模型模拟每种排放场景相关的空气质量。基于历史社会经济数据，估算了三个主要城市区域的空气质量暴露健康影响和暴露差异。结果表明，在本研究分析的加利福尼亚州城市中，高SAF和高RD场景之间的空气质量和公共健康变化极小，因为加州当前的柴油排放法规限制了RD的潜在空气质量效益。这表明，在评估加州RD和SAF相对普及率的政策驱动转变时，空气质量考虑不应成为主要动机。其他使用较不先进柴油发动机技术的地区可能会在SAF和RD之间看到更显著的空气质量权衡。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

加利福尼亚州是全球运输部门温室气体（GHG）减排政策的引领者，其低碳燃料标准（LCFS）鼓励使用包括可再生柴油（RD）和可持续航空燃料（SAF）在内的低碳燃料。目前，RD已在加州大量应用（2024年占柴油消费的65%以上），而SAF的使用则非常有限（2024年消费量不到RD的5%）。RD和SAF均以加氢处理酯和脂肪酸（HEFA）工艺为主，使用相同的原料（植物油、废油）和生产设施，因此短期内增加SAF产量必然导致RD产量下降。虽然两者替代石油燃料时均能减少空气污染物排放（尤其是颗粒物PM和硫氧化物SO_x），但排放发生的地点和数量不同。现有研究多单独评估SAF或RD的减排效益，未考虑两者权衡带来的空气质量影响，尤其是对弱势社区（DACs）的影响。为填补这一空白，研究人员开展了此项研究，旨在评估政策驱动下SAF与RD之间的权衡对加州空气质量及公共健康的净影响。

**研究目的**

该研究发表于《Journal of the Air 》，主要目标是：评估在加州未来政策偏向SAF后，因RD产量减少导致的空气质量变化，并确定这种变化是否会对公共健康（特别是弱势社区）产生显著影响，从而为政策制定提供依据。

**研究方法概述**

本研究使用了以下关键技术方法：
1. **排放场景开发**：基于加州空气资源委员会（CARB）2020年污染源清单，通过缩放因子构建了2030年的三种能源场景：高SAF（SAF掺混率18.9%，RD掺混率30.4%）、高RD（SAF掺混率6.8%，RD掺混率45.8%）以及SAF MAX（极端场景，SAF掺混率50%）。缩放因子考虑了加州法规对道路柴油车（需配备柴油颗粒过滤器DPF和选择性催化还原SCR）和非道路柴油设备的不同要求，仅调整不受限车辆（如农用发动机、固定设备及船只）的排放。
2. **气象与空气质量模型**：使用天气研究与预报（WRF）模型v.3.4生成气象场，驱动加州大学戴维斯分校/加州理工学院化学传输模型（CTM）进行空气质量模拟。模型采用SAPRC11化学机理，预测臭氧（O₃）、硝酸铵（NH₄NO₃）及二次有机气溶胶（SOA）等污染物浓度。模拟选取2026–2035年间的32周代表性时段。
3. **健康效益与环境正义分析**：使用环境效益绘图与分析程序社区版（BenMAP-CE）v.1.5，基于单一的暴露-反应函数（Pope et al., 2016）计算因O₃和PM_2.5浓度改变导致的死亡人数变化。利用美国社区调查（ACS）2012–2016年的人口普查区级社会经济数据，计算洛杉矶、圣地亚哥、旧金山湾区和萨克拉门托四个城市区域不同种族/族裔群体的暴露差异，评估环境正义影响。

**研究结果**

**1. 柴油与航空源的一次颗粒物**

通过化学传输模型模拟，研究人员发现：高RD场景下，道路柴油车辆产生的一次PM_2.5主要沿高速公路分布；非道路柴油设备的一次PM_2.5集中在港口附近（如奥克兰、长滩）；航空源的一次PM_2.5集中在商业机场（如洛杉矶国际机场LAX、旧金山国际机场SFO）附近。这些源对总PM_2.5浓度的贡献均小于1 μg m^-3，表明改变SAF/RD掺混率对一次颗粒物浓度的影响幅度有限。

**2. 因SAF/RD掺混率变化导致的浓度变化**

对比高SAF与高RD场景的浓度差异显示：高SAF场景下，道路柴油车辆沿高速公路的一次PM_2.5浓度增加最多0.23%，非道路柴油设备在港口附近（如奥克兰、长滩）增加最多3.0%，而航空源在主要机场（如SFO和LAX）附近的一次PM_2.5浓度显著降低最多18%。这些变化在弱势社区（DACs）比非DACs更明显。然而，由于柴油和航空源的一次PM占总量比例很小，SAF/RD掺混率对总PM_2.5和PM_0.1浓度的影响几乎可忽略。总臭氧（O₃）浓度的变化更小，因此未作进一步讨论。

**3. 公共健康协同效益**

高SAF场景相对于高RD场景，整个研究域（约1960万人口）的年均避免死亡人数极小。南加州SAF MAX场景下每10万居民避免死亡0.068人，北加州0.031人，远低于模型内在不确定性及居民日常承受的其他风险（如季节性流感），因此认为健康影响不显著。

**4. 环境正义结果**

不同种族/族裔的暴露差异分析表明：在洛杉矶和圣地亚哥，西班牙裔和黑人居民承受高于平均水平的PM_2.5及PM_0.1暴露，白人居民暴露低于平均水平。在湾区与萨克拉门托，暴露模式因污染物而异，例如亚裔居民因奥克兰国际机场位置承受最高的航空一次颗粒物暴露。不同SAF掺混率场景下，相对暴露差异变化极小，SAF偏向政策未能显著缩小种族间暴露差距。

**讨论与结论**

研究结果表明，在加州，即使SAF扩展以等量减少RD为代价，也不会导致显著的区域性空气质量危害。这是因为加州严格的柴油排放法规（DPF和SCR要求）使RD的空气质量效益几乎被消除（或小到不显著），而大部分航空燃料在高空燃烧，限制了SAF对公共健康的直接影响。政策制定应优先考虑其他因素（如GHG减排、经济协同效益）而非空气质量，因为商用航空缺乏电动化等替代脱碳途径。该研究也强调了不断更新排放清单和建模工具以跟踪非道路柴油排放等新兴污染源的重要性。**研究结论：在加州进行政策驱动的SAF与RD相对普及率转变时，空气质量考虑不应成为主要动机；其他采用较落后柴油发动机技术的地区可能面临更显著的空气质量权衡。**