生物燃料為何成為氣候大錯的原因

生物燃料為何成為氣候大錯的原因

自1973以來 石油禁運美國的能源政策試圖用替代品取代石油運輸燃料。 一個突出的選擇是使用生物燃料,如乙醇代替汽油和生物柴油,而不是普通柴油。

運輸產生 美國溫室氣體排放量的四分之一因此,解決這一部門的影響對氣候保護至關重要。

許多科學家將生物燃料視為 本質上是碳中性的:他們假設二氧化碳(CO2)植物從空氣中吸收,因為它們完全抵消或“中和”當植物燃料燃燒時排放的CO2。 基於這種假設的多年計算機建模,包括 美國能源部支持的工作, 得出的結論是,使用生物燃料替代汽油可以顯著降低運輸中的CO2排放。

新的研究 重新審視這個問題。 我們檢查了作物數據,以評估是否有足夠的CO2被農田吸收,以平衡生物燃料燃燒時排放的CO2。 事實證明,一旦所有與飼料作物生產和生產生物燃料相關的排放都被考慮在內,生物燃料實際上會增加CO2的排放而不是減少它們。

生物燃料熱潮,氣候失誤

自1970s以來,聯邦政府和州政府對玉米乙醇進行了補貼,但在9月11 2001襲擊事件發生後,生物燃料作為促進能源獨立和減少石油進口的工具得到了支持。 在2005大會上頒布了 可再生燃料標準,這要求燃料精煉廠將7.5十億加侖的乙醇混入2012的汽油中。 (相比之下,在那一年美國人用過 133十億加侖汽油。)

在2007大會上,在一些人的支持下,大大擴展了RFS計劃 主要環保組織。 新標準 超過三倍 每年美國可再生燃料消耗量從4.1的2005十億加侖增加到15.4的2015十億加侖。

我們的研究 在可再生燃料使用的急劇增加期間,檢查了2005-2013的數據。 我們沒有假設生產和使用生物燃料是碳中性的,而是明確地將農田吸收的CO2量與生物燃料生產和消費過程中排放的量進行比較。

現有的作物生長已經從大氣中吸收了大量的CO2。 經驗問題是生物燃料生產是否會提高CO2的吸收率,足以完全抵消產生的CO2排放 當玉米發酵成乙醇時 當生物燃料燃燒時。

在此期間進入生物燃料的大部分作物已經在種植; 主要變化是農民將更多的收成賣給了生物燃料製造商,而減少了食品和動物飼料的收入。 一些農民擴大了玉米和大豆的產量 交換的 這些商品來自利潤較低的作物。

但只要生長條件保持不變,玉米植物就會以相同的速度將CO2從大氣中排出,無論玉米的使用方式如何。 因此,為了正確評估生物燃料,必須評估所有農田的CO2吸收量。 畢竟,作物生長是CO2“海綿”,它將碳從大氣中排出。

當我們進行這樣的評估時,我們發現從2005到2013,美國農田的累積碳吸收量增加了49 teragrams(teragram是100萬公噸)。 在此期間,大多數其他大田作物的種植面積減少,因此CO2吸收的增加主要歸因於生物燃料種植的作物。

然而,在同一時期,2 teragrams增加了發酵和燃燒生物燃料產生的CO132排放。 因此,與作物生長相關的碳吸收量增加僅抵消了37至2的生物燃料相關CO2005排放的2013百分比。 換句話說,生物燃料遠非固有的碳中性。

碳流和'氣候浴缸'

這一結果與大多數關於生物燃料的既定工作相矛盾。 為了理解原因,將氣氛視為一種有益的做法是有益的 浴缸 用CO2代替水。

地球上的許多活動都將CO2添加到大氣中,就像從水龍頭流入浴缸的水一樣。 最大的來源是呼吸:碳是生命的燃料,所有生物都“燃燒碳水化合物”來驅動它們的新陳代謝。 燃燒乙醇,汽油或任何其他碳基燃料進一步打開了CO2“水龍頭”,並且比自然代謝過程更快地向大氣中添加碳。

其他活動將CO2從大氣中移除,就像從桶中流出的水一樣。 在工業時代之前,植物生長吸收的CO2足以抵消植物和動物呼吸到大氣中的CO2。

然而,今天,主要通過化石燃料的使用,我們將CO2添加到大氣中的速度遠遠超過大自然去除它。 因此,CO2“水位”在氣候浴缸中迅速上升。

當生物燃料燃燒時,它們每單位能量的CO2排放量與石油燃料大致相同。 因此,使用生物燃料代替化石燃料並不會改變CO2流入氣候浴缸的速度。 為了減少大氣CO2水平的積累,生物燃料生產必須打開CO2排水 - 也就是說,它必須加快從大氣中除去碳的淨速率。

越來越多的玉米和大豆開闢了CO2的“排水量”,主要是通過取代其他作物。 對於玉米來說尤其如此,玉米的高產量以每英畝2噸的速度從大氣中去除碳,比大多數其他作物更快。

然而,擴大生物燃料的玉米和大豆產量增加了CO2的吸收量,足以抵消與生物燃料使用直接相關的CO37的2百分比。 此外,遠遠不足以抵消生物燃料生產過程中的其他溫室氣體排放,包括化肥使用,農場運營和燃料精煉等。 此外,當農民將草原,濕地和其他將大量碳儲存到農田的棲息地進行轉換時,會發生非常大的CO2釋放。

錯誤的建模

我們的新研究有 引發爭議 因為它與許多先前的分析相矛盾。 這些研究採用了一種叫做的方法 生命週期分析或LCA,其中分析師將與生產和使用產品相關的所有溫室氣體排放加起來。 結果通常被稱為產品的“碳足跡

用於證明和管理可再生燃料政策的LCA研究僅評估排放 - 即CO2流入空氣 - 並且未能評估生物燃料生產是否增加了農田從大氣中移除CO2的速度。 相反,LCA只是假設由於玉米和大豆等能源作物可以從一年到另一年重新生長,它們會自動從大氣中去除與生物燃料燃燒過程中釋放的碳一樣多的碳。 這一重要假設被硬編碼到LCA計算機模型中。

不幸的是,LCA是RFS以及加利福尼亞州的基礎 低碳燃料標準,該州雄心勃勃的氣候行動計劃的關鍵要素。 它也被其他對運輸燃料感興趣的機構,研究機構和企業使用。

我曾經接受過這樣的觀點,即生物燃料本質上是碳中性的。 二十年前,我是第一作者 第一篇論文 建議將LCA用於燃料政策。 許多此類研究已經完成,並且a 被廣泛引用的薈萃分析 發表在2006的Science雜誌上發現,與石油汽油相比,使用玉米乙醇可顯著減少溫室氣體排放。

然而,其他學者對如何用能源作物種植廣大地區可能會改變土地使用提出了擔憂。 早在2008 Science發表了兩篇值得注意的文章。 一個描述了生物燃料作物如何 直接取代富含碳的棲息地,如草原。 另一項研究顯示,種植生物燃料的作物會引發破壞 間接影響,如砍伐森林,因為農民競爭生產性土地。

LCA追隨者使他們的模型更加複雜,以解釋燃料生產的這些後果。 但由此產生的不確定性變得如此之大,以至於無法確定生物燃料是否有助於氣候變化。 在2011國家研究委員會 報告RFS 得出的結論是,玉米乙醇等基於作物的生物燃料“還沒有最終證明可以減少溫室氣體排放,實際上可能會增加它們。”

這些不確定性促使我開始解構LCA。 在2013中,我在Climatic Change上發表了一篇論文,表明生物燃料生產可以抵消CO2的條件 比通常假設的要限得多。 在 隨後的評論文件 我詳細介紹了使用LCA評估生物燃料時所犯的錯誤。 這些研究為我們的新發現鋪平了道路,在美國,迄今為止,可再生燃料實際上對氣候的危害比汽油更大。

從石油中減少CO2仍然是緊迫的,石油是美國和美國人為CO2排放的最大來源。 全球第二大 煤炭之後。 但我們的分析證實,作為應對氣候變化的一種方法,生物燃料就是這樣 “比疾病更糟糕。”

減少並刪除

科學指出了比生物燃料更有效,成本更低的氣候保護機制。 有 兩大戰略 用於減輕運輸燃料的CO2排放。 首先,我們可以通過提高車輛效率,限制行駛里程或替代真正的無碳燃料(如電力或氫氣)來減少排放。

其次,我們可以比生態系統現在更快地從大氣中去除CO2。 戰略 “重新碳化生物圈” 包括 重新造林和植樹造林,重建土壤碳,恢復其他富含碳的生態系統,如濕地和草原。

這些方法將有助於保護生物多樣性 - 另一個全球可持續性挑戰 - 而不是像生物燃料生產那樣威脅生物多樣性。 我們的分析還提供了另一種見解:一旦從空氣中除去碳,將能量和排放物加工成生物燃料只是為了燃燒碳並將其重新釋放到大氣中,這是很有意義的。

關於作者

John DeCicco,研究教授, 密歇根大學

這篇文章最初發表於 談話。 閱讀 原創文章.\

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