使用综合可持续性指数对太阳能烹饪技术的生命周期能源、经济效益和环境影响进行评估

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Life-cycle energy, economic, and environmental assessment of solar cooking technologies using an integrated sustainability index

　　**摘要**
太阳能烹饪技术作为一种有前景的替代化石燃料和生物质能源烹饪方法的方式已经出现，但其广泛应用受到长期可持续性证据有限的阻碍。本研究对三种Scheffler型抛物面太阳能炊具（SK-14、SK-23和SK-30）进行了全面的从摇篮到坟墓的生命周期评估（LCA）以及能源-经济-环境（EEE）分析，并将其与六种传统烹饪方法进行了比较。研究旨在量化这些炊具的生命周期能源效率、经济可行性和环境影响，并将这些结果整合到一个统一的选型指标（SI）中，以用于技术排名。分析涵盖了10年功能寿命期间的材料获取、制造、使用和报废阶段。结果显示，太阳能炊具具有显著的净能量收益：SK-14为9.48 × 10^4 MJ，SK-23为2.58 × 10^5 MJ，SK-30为4.70 × 10^5 MJ，优于所有传统系统。经济评估显示，其生命周期内货币收益在188,764至1,065,322卢比之间，其中SK-30的净节省最高。环境评估显示，与LPG和生物质系统高达6056公斤的排放量相比，太阳能炊具可减少5.5至27.8吨的二氧化碳排放。综合SI框架将SK-30确定为最可持续的选择（SI = 1.54）。本研究的新颖之处在于将LCA、EEE和选型指标结合成一个统一的决策支持工具，用于评估太阳能烹饪方案。

**引言**
人类生存需要四样基本事物：食物、住所、衣物和能源[1]。能源是显著影响现代文明的要素之一，关系到经济、环境和生活质量[2]。随着全球能源消耗的持续增长，人们对资源枯竭、环境破坏和可持续性的担忧日益增加，这推动了对绿色能源解决方案的追求[3]。太阳能作为最丰富且最有前景的能源之一，能够提供清洁、无碳且持久的能源供应，满足数十年来的需求[4]。每年地球捕获的太阳能约达385百万艾焦，远超当前世界的消耗量[5]。仅印度每年就接收约5000万亿千瓦时的太阳能。印度大部分地区每天接收4-7千瓦时的太阳辐射，每年大约有250-300个晴朗的日子[6]。由于这种丰富性，太阳能成为印度可再生能源转型的关键组成部分，也是实现可持续发展的关键驱动力[7]。
全球约有24-30亿人（接近全球人口的40%）仍在每天使用木材、木炭、农业废弃物、粪肥和煤油等污染性固体燃料进行烹饪[8,9]。多种相互关联的障碍阻碍了这种依赖：(i) 经济限制，例如印度LPG的充值价格（约800卢比/瓶）对低收入家庭来说过高，而他们将收入的20-25%用于烹饪燃料[10]；(ii) 农村地区的供应链限制和地理上的不可及性；(iii) 基于文化习惯的传统烹饪方式的惯性[11]；(iv) 地缘政治因素，包括燃料进口依赖性和补贴波动导致LPG供应中断[12]。这些结构性障碍共同解释了为什么仍有超过82%的人口继续使用传统炉灶[13,14]。
在低收入和中等收入国家（LMICs），固体生物质燃料通常在明火或简易炉灶中用于传统烹饪[15]。这些方法不仅污染严重，而且能源效率低下，会释放一氧化碳、黑碳和细颗粒物（PM2.5），加剧室内空气污染和全球气候变化。全球约25%的人为黑碳排放来自家庭烹饪，而全球30%的木材产量以不可持续的方式被用作燃料[8,16]。
受影响最大的是妇女和儿童。频繁收集燃料的体力劳动占用了他们每周的大量时间，使他们面临暴力、骨科伤害和错失机会的风险[17]。印度农村的妇女每周要跋涉数英里去采集柴火，这剥夺了她们学习和谋生的时间。性别分工限制了社会流动性，加剧了贫困循环[18]。尽管向清洁燃料（如电力和LPG）的转变正在加速，但进展仍不够充分。即使在最乐观的社会经济预测下，到2030年仍有近38%的世界人口可能处于“烹饪贫困”状态，而COVID-19后的长期经济衰退可能导致另外4.7亿人无法获得安全烹饪条件[19]。根据行为研究，除文化阻力外，体力限制、燃料价格、供应中断和设备限制占传统炉灶持续使用的82%[13]。发展成果也受到现代烹饪能源可及性的影响。清洁能源与性别平等和人口转型密切相关。对44个国家155次人口与健康调查的分析表明，妇女获得现代烹饪燃料的机会每增加1%，总体生育率就会下降0.013个孩子[20]。
确保清洁烹饪的普及需要社会参与、教育和社会行为改变。可持续发展教育（ESD）研究表明，青年和地方机构促进了技术的采用和利用[21]。这种整合直接支持了可持续发展目标4（优质教育）、目标5（性别平等）和目标7（负担得起和清洁的能源）[22]。可持续发展目标的核心是烹饪能源的转型，因为清洁燃料每年可防止约400万人死亡（目标3），缓解气候变化（目标13），并保护生态系统（目标15）[23,24]。
目标7和2030年议程依赖于这一发展。从传统烹饪技术向太阳能烹饪技术的转变是实现脱碳、无排放烹饪的扳机点。太阳能烹饪利用直接阳光能量进行烹饪，不产生任何温室气体。抛物面碟式和箱式太阳能炊具可在家庭层面提供700-900瓦/平方米的热能用于日常烹饪[25]。廉价但速度慢的箱式太阳能炊具适合煮沸和烘焙，而抛物面聚光器则适用于加热油炸和烘烤。更大的反射器，尤其是Scheffler聚光器，即使在几何变形的情况下也能保持焦点。具有14-16平方米开口的系统每天可为数百到数千人提供餐饮服务。印度的几个实例，如Shirdi Temple和Mount Abu Solar Kitchens，每年节省了30-40%的LPG使用量，并减少了20-25吨的二氧化碳排放[26,27]。
应对全球能源贫困、空气污染和气候变化的最佳方法之一是转向可再生能源烹饪系统。在高日照地区，太阳能是最丰富且技术上可行的清洁烹饪资源。最新研究表明，全球平均每平方米接收170瓦的太阳辐射，超过7000万家庭使用太阳能热系统。太阳能烹饪技术每年可减少超过3000万吨的二氧化碳排放，相当于340亿吨煤炭[28]。
太阳能炊具已经从箱式和抛物面碟式设备发展到带有储热的聚光器。20世纪流行的箱式炊具因结构简单而受到欢迎，但温度仅能达到140-160°C，仅限于煮沸和烘焙[25]。配备Scheffler反射器的抛物面碟式炊具将温度范围提高到250-350°C，适用于油炸和烘烤[29]。现代设计使用聚酯薄膜涂层反射器和黑铬吸收器，效率超过41%，而带有热能储存的混合设计可在无阳光时段进行烹饪，消除了长期存在的社会障碍。结合相变材料（PCM）或熔盐的热储存系统可提供连续或傍晚烹饪，提高利用率和用户舒适度[30]。
太阳能聚光器系统在机构性和社区性烹饪中具有成本效益和环境友好性。研究表明，太阳能可为印度机构厨房提供高达57%的烹饪能源，每年节省197,000吨LPG和592,000吨二氧化碳[29,31]。SK型太阳能烹饪系统是这一技术中最具可扩展性的选项之一，适用于家庭和机构应用。这种模块化设计支持的反射器面积从1.54平方米（家庭级的SK14）到7平方米（社区级的SK30）不等。SK-14炊具具有14平方米的反射表面和52%的光学效率，在平均太阳辐射条件下提供375-635瓦的烹饪功率和46%的热效率[32]。财务评估表明，SK-23单元可满足39-60%的年度机构烹饪需求，折现回收期为6.2-9.2年，具体取决于安装地点的太阳辐射水平和消费模式[29,33]。基于Scheffler的聚光器每年可满足59-85%的烹饪需求，但由于资本成本较高，回收期较长，为9.5-11.7年[29]。SK-30太阳能炊具提供7千瓦的热输出，每天服务于25人，工作温度为250-400°C，每年可节省25-30瓶LPG[26]。这些系统通过可行性缺口融资或加速折旧激励措施（覆盖0-60%的资本成本）可以与LPG和柴油厨房竞争[34]。
尽管技术成熟且现场表现良好，太阳能烹饪技术仍面临采用障碍，包括比传统炉灶更高的前期成本、依赖太阳可用性的间歇性操作以及潜在用户认知有限。印度最近的政策举措，包括最高30%的资本补贴和国家太阳能计划提供的软贷款，旨在提高财务可行性和加速市场渗透（MNRE, 2015）。然而，比较太阳能和传统烹饪方法在能源、经济和环境维度的全面生命周期评估在文献中仍然稀缺，这阻碍了明智的技术选择和政策制定。图1展示了抛物面碟如何集中入射太阳辐射到烹饪锅中，将太阳能转化为日常烹饪所需的热能。这一视觉效果强调了SK系列太阳能炊具作为传统燃料系统替代品的实用性和环境相关性。
尽管技术上可行，但由于高昂的前期成本、在不同阳光条件下的性能不佳以及缺乏正式的可持续性评估框架，太阳能烹饪系统并未得到广泛使用。比较研究通常使用诸如有效性、回收时间和二氧化碳减排等离散指标，而没有将其整合到决策工具中。此外，传统的LCA研究忽略了用户优先事项和地区间的EEE权衡。国际能源署（IEA, 2023）报告称，近24亿人（占全球人口的三分之一）无法获得清洁烹饪燃料[35]。在撒哈拉以南非洲，传统生物质燃料（包括木材、木炭、农业废弃物和粪肥）提供了约65%的家庭能源；在南亚这一比例为40%。这种依赖导致了每年25亿吨二氧化碳当量的排放，约占全球排放量的5%。家庭使用固体燃料每年导致数百万人过早死亡，其中妇女和儿童受影响最为严重[36]。
尽管改进的生物质炉灶、LPG和电感应技术被提倡作为过渡方案，但价格、燃料供应的不可预测性和对化石燃料的依赖限制了它们的持久性。印度的Pradhan Mantri Ujjwala Yojana (PMUY) LPG计划由于行为和经济接受度有限，仍有超过7.8亿人使用传统烹饪方法。印度低收入家庭通常将每月收入的20-25%用于购买LPG和煤油等传统烹饪燃料，使得这些依赖化石燃料的系统从经济上不可持续[10]。
太阳能烹饪系统，特别是Scheffler（SK）系列的聚光器，可以帮助同时实现可持续发展目标7和目标13。现有研究缺乏对SK系列炊具在能源效率、环境影响（二氧化碳减排潜力）和经济可行性方面的定量评估。大多数关于受控条件下技术性能的研究缺乏LCA和EEE框架。必须系统地将SK系列系统（SK-14、SK-23、SK-30）与传统烹饪方法进行比较，以证明它们在家庭、社区和机构使用中的可行性。这些发现量化了SK型太阳能炊具的LCA性能，并将其与六种传统烹饪技术进行了比较。表1中的文献综述涵盖了主要的太阳能烹饪技术和SK太阳能炊具，包括设计方法、性能参数、能源效率和环境影响，基于多项实验研究。
本研究旨在从EEE角度对传统和太阳能烹饪方法进行全面生命周期评估。目标是创建一个结合EEE数据与可配置权重的选型指标（SI），以反映特定用户和地方目标的需求。本研究希望通过比较、敏感性分析和案例评估来验证SI，并为各种人口和气候情景下的可持续烹饪提供政策相关见解。本研究对比了三种类型的太阳能炉具：标准型SK-14、SK-23和SK-30，以及6种传统炉具，以解决缺乏明确比较参数的问题。通过将生命周期评估（LCA）与多标准决策方法（MCDM）相结合，提供了一个标准化的评级体系。该研究旨在促进基于证据的技术选择、可持续实践，并推动太阳能烹饪解决方案在多样化社会经济环境中的广泛应用。

**文献综述**
生命周期评估（LCA）被用于详细研究从传统生物质和化石燃料烹饪系统向太阳能系统的转变。早期的LCA研究能够对比设备整个生命周期内的能源和环境性能，从而推动了当今高效抛物面式和 institutional 太阳能烹饪技术的发展。

**烹饪系统的技术评估**
烹饪技术已经从木柴和牛粪炉具发展到了液化石油气（LPG）和电磁炉系统。这些系统在热性能、成本和燃烧特性方面存在显著差异。统计分析揭示了它们之间的明显差异。

**概念框架与研究设计**
使用符合ISO 14040/44标准的LCA框架[ISO 14040:2006; ISO 14044:2006] [39,105]，对三种SK系列太阳能炉具（SK-14、SK-23和SK-30）和六种传统烹饪方法进行了可持续性评估。评估过程包括定义范围和操作单位、编制具体的生命周期清单（LCIs）、使用LCIA方法测量环境影响，以及进行不确定性和敏感性分析。

**选择指数（SI）的开发与验证方法**
能源效率（EEE）指标通常无法全面评估技术的整体可持续性，因为它们忽略了整个生命周期。对于预期使用寿命为10年的SK太阳能炉具而言，需要在能源效率、成本和环境责任之间找到适当的平衡，以鼓励其长期使用。在决策时，不应仅依赖单一指标（如能源产出或成本节约），而应考虑整个系统的性能。

**结果与讨论**
本段对比了三种抛物面太阳能炉具（SK-14、SK-23、SK-30）与六种传统烹饪设备，重点关注能源效率（EEE）性能指标。研究采用了选择指数（SI）框架，对各种技术的可持续性进行了全面清晰的评估，强调了三个维度上的权衡与协同作用。该分析不仅报告了定量结果，还对其进行了解释。

**结论**
本研究提供了对三种抛物面太阳能炉具（SK-14、SK-23、SK-30）与六种传统烹饪技术的全面生命周期可持续性评估，将能源效率（EEE）指标纳入了一个统一的评估框架中。
- **能源效率与性能**：SK系列炉具的能源回报较高，净能量平衡分别为9.47 × 10^4 MJ（SK-14）、2.58 × 10^5 MJ（SK-23）和4.61 × 10^5 MJ（SK-30）。增大孔径面积提高了光效率和热效率。

**作者贡献**
- **Amit Kumar**：数据收集、文献综述、初步数据分析、数据整理和论文初稿撰写
- **Ashish Karn**：资源调配、软件使用、论文结构搭建及修订
- **Craig McGregor**：项目监督、模型开发、数据分析、结果解释和校对
- **Varun Pratap Singh**：概念构思、框架设计、模型开发、资金筹集、软件使用、数据分析及论文撰写

**资金支持**
本工作得到了UPES R&D的财政支持，项目编号为UPES/R&D-SOE/24022023/11。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**致谢**
本文感谢南非斯泰伦博斯大学太阳能热能研究组（STERG）以及UPES R&D和机械工程系的资源支持。

**作者信息**
Amit Kumar | Ashish Karn | Craig McGregor | Varun Pratap Singh
印度德哈拉敦UPES机械工程系，邮编248007