题目
Food–energy–water implications of negative emissions technologies in a +1.5 °C future
作者
Jay Fuhrman, Haewon McJeon, Pralit Patel, Scott C. Doney, William M. Shobe & Andres F. Clarens
一作
单位
Department of Engineering Systems and Environment, University of Virginia, Charlottesville, VA, USA.
链接
https://doi.org/10.1038/s41558-020-0876-z
随着温室气体排放量的持续上升，全球经济和气候系统的综合评估模型 （Integrated Assessment Models，IAM） 将“有能力采用净负排放技术”纳入假设，以实现雄心勃勃的气候目标。然而，绝大多数IAM情景只包括两种基于土地的负排放技术 （Negative Emission Technologies，NETs）：①生物能源与碳捕获和储存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，BECCS）；②植树造林。《巴黎协定》气候目标的实现有赖于包括直接空气捕获（Direct Air Capture，DAC）等在内的二氧化碳负排放技术（Negative Emissions Technology，NET）的大规模应用。DAC是一种使用水或胺吸附剂从环境空气中去除二氧化碳，并将其压缩后注入地质储层的工程分离过程，其相关装置的占地空间比BECCS或植树造林小得多，而且不需要任何特定的土地类型，只需要靠近地质储层进行储存。本研究通过建立全球变化评估模型（Global Change Assessment Model，GCAM）对能源、水和土地部门进行了详细的处理，评估三种不同类型NET（植树造林、BECCS和DAC）组合的影响和权衡关系，以满足IPCC关于全球变暖1.5 °C的特别报告中两条代表性排放路径。图1展示了在不使用DAC情况下实现低过冲排放轨迹对能源、水和粮食系统的影响。由于维持农业生产和减缓气候变化导致农业和林业用地扩张受到限制，如果没有DAC，较高的过冲轨迹是不可行的。在低过冲轨迹中，BECCS在2100年用于生产226 EJ yr-1，超过目前一次能源需求的38%。预计到2025年开始实施气候政策时，将不使用CCS的现代生物质能进行发热、发电、液体燃料生产，并且以传统生物质作为燃料的使用量将从合计83 EJ/yr 减少至2100 年的16EJ/yr。同时，生物质灌溉和生物热能发电的蒸发损失很大，2050年达到峰值187km3 /yr，相当于2010年灌溉用水量的近15%。此外，生物能源作物种植的化肥用量在2045年达到峰值，接近目前化肥需求量的30%，而为减缓气候变化而急剧增加的化肥需求将对环境产生巨大的副作用（如水质恶化、过量的土壤氮被转化为N2O等），与碳减排的初衷背道而驰。图1 在DAC不可用情况下将温升限制于1.5℃以下的副作用本研究报告了对DAC技术的能源和成本投入在更乐观情况下的估计结果，以最好地说明该技术在大规模应用时的潜在影响 （图2）。由于DAC是碳价增长的后盾，仅仅是在减排组合中的DAC对结果的影响就比评估的成本和能源投入范围内的变化大得多。从本研究模拟的空间结果看，DAC将主要应用在美国、南美、中国和澳大利亚等地区，因为这些地区拥有丰富的地质储存能力、大量的天然气储量和廉价而相对低碳的电力潜力。在所有情况下，大部分负排放要求是由不愿意接受脱碳的部门（如运输）所驱动的。DAC取代了BECCS和植树造林两种负排放技术的使用，但同时也减少了模型中对减排的需求。也就是说，在有DAC的情况下，总的正排放量较高，因为这些排放量可以用DAC来抵消，同时还能满足对净排放量的限制。本研究考虑了三种主要的谷物：玉米、小麦和大米，并按产量对结果进行加权，以更好地反映粮食供应的区域差异。为了在不大规模应用DAC的情况下实现碳减排的低过冲轨迹，本世纪末的粮食价格预计将比2010年的水平增加7倍，同时粮食价格的影响在区域上是不均匀的，预计将主要集中在撒哈拉以南的非洲地区。低成本的DAC减轻了土地密集型的负排放技术对粮食市场的最严重影响，但由于仍有大量土地被用于BECCS和植树造林，全球粮食价格相对于2010年的水平仍增加了约三倍，区域差异依然存在。这些严重的粮食价格上涨在很大程度上是由于对“商业用地”扩张为“自然”用途土地的能力（如用于粮食、纤维和生物能源生产的农业和林业活动）的限制（图3）。
DAC的耗水量与生物能作物灌溉的耗水量相当（图4）。这一结果与之前的一份报告形成了鲜明对比，在该报告中，BECCS和植树造林的碳固存是通过用水系数来衡量的，其中包括未经灌溉的生物能源作物种植的总蒸发量，而没有减去生物能源作物将取代的粮食作物和本地植被的蒸发量。GCAM计算了农业和工业部门的内源性耗水量、取水量和作物蒸发量，这种用水处理方法产生的结果与按线性比例调整每个负排放技术的用水强度不同。DAC减少了对BECCS负排放的需求，但也允许增加向大气的正排放，然后由DAC抵消。1.5 ℃目标下低过冲和高过冲的一次能源消耗结果及其差异见图5。在未应用DAC的情况下，化石燃料继续在全球能源系统中发挥重要作用，而它们的排放量大多通过CCS技术（即在点源捕获二氧化碳排放量）得以降低。