我國果蔬冷鏈碳足跡分析

(天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津 300134)

隨著人們生活水平的不斷提高，消費者對食品的品質(zhì)和安全有了更高的要求，食品冷鏈技術(shù)也在逐步發(fā)展。雖然冷鏈可以提高食品的安全性和新鮮度，但會導(dǎo)致更多能源的消耗和溫室氣體的排放[1-2]。2009年底在哥本哈根會議中，中國政府承諾2020年我國單位GDP CO2排放比2005年下降 40%～45%，顯然冷鏈的發(fā)展與低碳化經(jīng)濟之間存在一定的矛盾。所以將碳減排引入冷鏈中，不僅可以減少碳排放，也可以降低企業(yè)的成本[3-4]。生命周期評價法可以評估冷鏈過程的碳排放，分析食品系統(tǒng)各個階段的碳足跡，為冷鏈碳減排提供依據(jù)。目前我國尚未出臺碳足跡計算的相關(guān)標(biāo)準，開展的有關(guān)組織碳足跡、產(chǎn)品碳足跡工作均以國際標(biāo)準、PAS2050《商品和服務(wù)生命周期溫室氣體排放評價規(guī)范》等為依據(jù)[5]。

PAS2050是目前唯一確定的、具有公開具體的計算方法、以及人們咨詢最多的評估產(chǎn)品碳足跡的標(biāo)準[6]。它是建立在生命周期評估(LCA)方法之上的評估商品和服務(wù)生命周期內(nèi)溫室氣體排放的規(guī)范。PAS2050規(guī)定了兩種評估方法：企業(yè)到企業(yè)(B2B)和企業(yè)到消費者(B2C)。計算一個B2C產(chǎn)品的碳足跡時需要包含產(chǎn)品的整個生命周期，包括原材料的獲取、制造、分銷和零售、消費者使用、最終廢棄或回收等環(huán)節(jié)[7]。

果蔬冷鏈使用制冷技術(shù)和設(shè)備，通過果蔬采摘后的預(yù)冷、冷藏、運輸、以及冷藏陳列柜銷售等階段，以保證果蔬品質(zhì)，降低腐損。但同時產(chǎn)生大量溫室氣體，對環(huán)境和人類的健康造成重大危害。中國是果蔬生產(chǎn)大國，每年消費者對果蔬冷鏈的需求都在增長，伴隨產(chǎn)生的溫室氣體也逐年增加[8-9]。為了順應(yīng)低碳經(jīng)濟的發(fā)展，量化果蔬冷鏈過程的環(huán)境影響，本文采用生命周期評價法來分析果蔬冷鏈各環(huán)節(jié)溫室氣體排放數(shù)據(jù)。

1 研究方法

冷鏈系統(tǒng)碳足跡是指食品在原材料獲得、低溫加工、包裝、低溫貯藏、運輸、配送及冷藏銷售等過程中溫室氣體排放量，用CO2當(dāng)量(CO2eq)表示。產(chǎn)品生命周期評估是對產(chǎn)品整個生命周期的所有環(huán)境影響進行科學(xué)、全面的評估，客觀地評價和改善產(chǎn)品的環(huán)境性能。它是對產(chǎn)品生命全過程實施環(huán)境管理的有力工具，也是推行清潔生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)。一個完整的LCA一般包括4個步聚，即目標(biāo)界定、清單分析、影響分析和完善化分析[10-11]。圖1所示為產(chǎn)品生命周期評價框架。本文根據(jù)PAS2050計算果蔬冷鏈在整個生命周期內(nèi)(從原材料的獲取，到預(yù)冷貯存、運輸、銷售和消費)溫室氣體排放量[12]。

圖1 生命周期評價框架Fig.1 Life cycle assessment framework

圖2 系統(tǒng)邊界Fig.2 Research boundary

2 食品冷鏈碳足跡

2.1 產(chǎn)品選擇

本文以我國果蔬為研究對象，進行產(chǎn)品碳足跡核算。由文獻[13]全國冷鏈物流企業(yè)分布圖2017年數(shù)據(jù)顯示：冷庫總?cè)萘繛?6 095 589噸，冷藏車保有量為74 587輛，其中自有冷藏車為31 643輛，企業(yè)整合社會冷藏車42 994輛[13]。中國每年果蔬產(chǎn)量巨大，據(jù)統(tǒng)計2014 年總產(chǎn)量達到約10億噸，但由于物流保鮮技術(shù)和設(shè)備落后，每年冷鏈流通的果蔬量僅1.46億噸[14]。據(jù)統(tǒng)計，全國每年由鐵路調(diào)運的易腐貨物中能保證用冷藏列車運輸?shù)呢浳镎?5%；公路冷運易腐食品占運輸總量的20%；水路冷運易腐貨物冷運量占全年水運總量的1%[15]。

2.2 評價目標(biāo)

本文評價目標(biāo)是量化我國果蔬在冷鏈全生命周期的溫室氣體排放，核算食品冷鏈系統(tǒng)中溫室氣體排放量最大的生命周期階段或生產(chǎn)流程，識別果蔬從生產(chǎn)到消費全過程對環(huán)境的影響，為企業(yè)節(jié)能減排降低成本提供數(shù)據(jù)支持。評價涉及果蔬產(chǎn)品的主要生命周期過程包括：原材料獲得、預(yù)冷、低溫貯藏、運輸、配送及冷藏銷售。

2.3 功能單位

功能單位是對產(chǎn)品系統(tǒng)輸出功能的度量[4]，為研究提供一個可以參考的單位。本文找出果蔬冷鏈溫室氣體排放熱點，不進行產(chǎn)品間的比較，因此對果蔬農(nóng)產(chǎn)品生命周期分析時，取每千克果蔬為功能單位。

2.4 系統(tǒng)邊界

本文取B2C評價模式進行系統(tǒng)邊界的劃分，如圖2所示。系統(tǒng)界定的關(guān)鍵原則是：要包括生產(chǎn)、使用及最終處理該產(chǎn)品過程中直接和間接產(chǎn)生的碳足跡。以下情況可排除在邊界之外：碳足跡小于該產(chǎn)品總碳足跡1%的項目、人類活動導(dǎo)致的碳足跡、消費者購買產(chǎn)品的交通碳足跡、動物作為交通工具時產(chǎn)生的碳足跡(如發(fā)展中國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的牲畜)[2]。系統(tǒng)內(nèi)溫室氣體排放源包括但不限于：能源利用、燃燒過程、化學(xué)反應(yīng)、制冷劑的損失和其他氣體的逃逸、運行、土地利用改變、牲畜和其它農(nóng)業(yè)過程、廢物[16]。

2.5 清單分析

清單分析是針對產(chǎn)品生命周期的各個階段列出其資源、能源消耗及各種廢料排放的清單數(shù)據(jù)[10]。產(chǎn)品生命周期的碳足跡模型被定義為[17]：

G=Gm+Gpr+Gt+Gs+Gc

(1)

式中：G為產(chǎn)品生命周期碳足跡；Gm為原材料獲得階段的碳足跡；Gpr為預(yù)冷階段的碳足跡；Gt為運輸過程的碳足跡；Gs為使用貯藏和銷售階段的碳足跡；Gc為消費階段的碳足跡。

2.5.1原材料獲取階段

果蔬生產(chǎn)的碳源包括來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的CO2(如化肥、農(nóng)藥等)、來自田地的CH4、化肥應(yīng)用的N2O包括合成肥料和糞肥以及作物殘余物和直接能源(電力、柴油、汽油、煤)產(chǎn)生的CO2。為了使不同的排放源具有可比性，采用全球變暖潛能值(global warming potential, GWP)，GWP計作排放到大氣中的1 kg溫室氣體在一段時間(如 100 年)內(nèi)的輻射效力與 1 kg CO2的輻射效力的比值，利用IPCC2006的100年全球增溫潛勢系數(shù)轉(zhuǎn)換成CO2eq排放[18]。GWP經(jīng)常用來度量不同溫室氣體對氣候變化的影響。Lin Jianyi等[9]研究得到每生產(chǎn)1 kg蔬菜的碳足跡為0.26 kg CO2eq，每生產(chǎn)1 kg水果的碳足跡為0.8 931 kg CO2eq，間接農(nóng)業(yè)投入的碳足跡占產(chǎn)品生產(chǎn)碳足跡總量的28%～35%。

2.5.2產(chǎn)地預(yù)冷和貯藏

1)預(yù)冷

預(yù)冷是利用低溫處理方法將采后果蔬產(chǎn)品的溫度(20～30 ℃)迅速降到工藝要求溫度(0～15 ℃)的操作過程。預(yù)冷通過去除果蔬產(chǎn)品的田間熱，降低呼吸強度不僅可以提高果蔬的品質(zhì)，還可以降低預(yù)冷后冷藏車、冷藏船、冷藏庫等的冷負荷，實現(xiàn)冷藏儲運裝置的節(jié)能運行[19-20]。預(yù)冷階段的能耗主要為電能，其碳足跡用電力碳排放因子表示。采用強風(fēng)(差壓)預(yù)冷方式，在2 h內(nèi)將果蔬從30 ℃迅速降到5 ℃，耗電量根據(jù)式(2)計算：

式中：W為預(yù)冷裝置耗電量，kW·h；Q為果蔬降溫所需制冷量，kW；t為預(yù)冷時間，h；COP為預(yù)冷裝置能效比。

一般的果蔬比熱容以水為計算標(biāo)準，為4.186 kJ/(kg·K)，計算得1 kg果蔬從30 ℃降到5 ℃被帶走的熱量約為104.65 kJ。COP取2.5，則計算得出1 kg果蔬預(yù)冷所消耗的電能約為1.163×10-2kW·h。D. Coley等[21]得出 2010年中國電力碳排放因子為0.766 kgCO2eq/kW·h,則1 kg果蔬預(yù)冷所產(chǎn)生的碳足跡約為8.9×10-3kgCO2eq。

2)貯藏

S. J. James等[22]得出每年單位體積冷庫的耗電量為57.9 kW·h,換算出冷庫每天單位體積的耗電量為0.158 6 kW·h，根據(jù)冷庫設(shè)計規(guī)范可知：

式中：G為冷庫貯藏噸位，t；V為冷庫公稱容積，m3；ρ為食品計算密度，kg/m3；η為冷庫容積利用系數(shù)；1 000為一噸換算成千克的數(shù)值，kg/t。

果蔬計算密度取250 kg/m3，1 000 m3以下冷庫容積利用系數(shù)取0.4，計算得出冷庫內(nèi)每千克果蔬的能耗為6.608×10-5kW·h，碳足跡為5.128×10-5kgCO2eq。

制冷裝置對全球變暖的影響約有20%來自制冷劑的泄漏[22]，制冷劑的泄漏是除電力使用外的第二大碳足跡貢獻因素，D. Coulomb[23]指出每年制冷劑在商業(yè)制冷設(shè)備上的泄漏量高達15%。本文采用的制冷劑R22，是當(dāng)前使用較廣泛的中低溫制冷劑，常在冷庫、食品冷凍，商業(yè)制冷、超市陳列展示柜等制冷設(shè)備中使用。制冷劑排放的直接影響僅為使用R22制冷劑的年總量的3%～5%[24]。根據(jù)文獻可知，制冷劑每小時泄漏涉及的直接碳足跡為(2.055～3.425)×10-9kgCO2eq。

2.5.3運輸階段

冷鏈運輸?shù)哪芎耐ㄟ^運輸工具的油耗來表征，制冷系統(tǒng)能耗在運輸工具總能耗中約占1/3[20,25]。制冷系統(tǒng)中消耗的能源為車廂制冷提供能量并承擔(dān)制冷裝置的重量，因此產(chǎn)生的CO2排放量占總階段CO2排放量的比例較大。制冷劑在食品運輸制冷系統(tǒng)中占有重要地位，生活水平提高使食品冷藏運輸?shù)男枨笤黾樱M而制冷劑的使用增多消耗更多的能源，導(dǎo)致更多的CO2被排放到大氣中。國內(nèi)貨車大多數(shù)使用柴油，D. Coley等[21]指出柴油的碳排放因子為0.249 kgCO2eq/(kW·h),而燃料的能含量為10.7 (kW·h)/L。該階段制冷劑泄漏引起的環(huán)境影響較小可忽略。

假設(shè)冷藏運輸車為東風(fēng)小霸王冷藏車，車廂尺寸為4 000 mm×1 850 mm×1 800 mm，總質(zhì)量6 495 kg，額定載質(zhì)量2 865 kg(駕駛室準乘人數(shù)2人)，最高車速90 km/h。

式中[26]：L為燃油消耗量，L/h；P0為發(fā)動機標(biāo)定功率，kW；ε為燃油消耗率，g/(kW·h);ρ為柴油的密度，取0.85 g/mL。

已知發(fā)動機額定功率為70 kW,全負荷最低燃油消耗率為210 g/kW·h(參考普通發(fā)動機參數(shù))，計算可知該冷藏車滿負荷時燃油消耗量為17.29 L/h。滿載質(zhì)量取2 505 kg(60 kg/人)，計算得單位質(zhì)量產(chǎn)品的燃油量為0.002 662 L/h，對應(yīng)的碳足跡為7.092×10-3kg CO2eq。

2.5.4銷售和消費

現(xiàn)代超市占商業(yè)領(lǐng)域中制冷能源消耗的比例較大，期間消耗大量的能源產(chǎn)生間接排放，同時制冷劑泄漏產(chǎn)生直接排放，對環(huán)境有重大影響。

S. A. Tassou等[27]研究了640家銷售面積低于280 m2的商店能耗強度(圖3)，得到每年平均能耗強度為1 480 kW·h/m2，每年的標(biāo)準偏差352 (kW·h)/m2。平均每天的能耗為4.055 (kW·h)/m2，取陳列區(qū)高度為1.5 m，根據(jù)式(3)計算得出銷售區(qū)能耗為1.69×10-3kW·h，對應(yīng)的碳足跡為1.295×10-3kgCO2eq。

圖3 80～280 m2便利店銷售區(qū)域能耗強度[27]Fig.3 Electrical energy intensity of convenience stores of sales area between 80 m2 and 280 m2[27]

圖4所示為冷凍青豆的總溫室氣體排放百分比，其中制冷劑泄漏率為15%[27]，且制冷劑泄漏引起的直接碳排放占總能耗的34%，計算可得相應(yīng)的碳足跡為4.401×10-4kgCO2eq。

圖4 冷凍青豆的總溫室氣體排放百分比[27]Fig.4 Percentage contributions to total GHG emissions for frozen peas[27]

表1所示為8家家用冰箱24 h的耗電量，平均容積為554.9 L，即0.554 9 m3，平均耗電量為0.057 5 kW·h，取冷藏室能耗占總能耗的1/3，冷藏容積占總?cè)莘e的2/3，容積系數(shù)取0.5，根據(jù)式(3)計算每千克能耗為4.145×10-4kW·h，對應(yīng)的碳足跡為3.175×10-4kgCO2eq。

2.5.5以一條典型的某蔬菜產(chǎn)品冷鏈為例計算整個生命周期碳足跡

表2所示為1 kg某果蔬經(jīng)過預(yù)冷、貯藏、運輸、貯藏、分銷以及消費等階段所產(chǎn)生的碳足跡。其中預(yù)冷階段產(chǎn)生量約為8.9×10-3kgCO2eq，冷庫貯存(2，4，6，7)碳足跡約為3.725×10-3kgCO2eq，運輸階段(3，5，8)碳足跡約為2.836×10-2kgCO2eq，消費階段碳足跡約為3.18×10-4kgCO2eq。根據(jù)式(1)計算整個冷鏈的碳足跡為0.041 3 kgCO2eq。

表1 家用冰箱24 h的耗電量Tab.1 The power consumption of domestic refrigeratorfor 24 h

2.5.6影響分析

本文根據(jù)IPCC、PAS2050以及查找相關(guān)文獻得出各階段碳排放因子，計算出每千克果蔬產(chǎn)品在其生命周期各階段的碳足跡。為了更加直觀的分析果蔬冷鏈各環(huán)節(jié)對環(huán)境的影響，計算出一條典型的某蔬菜產(chǎn)品冷鏈的碳足跡，除原材料獲取階段外冷鏈各階段碳足跡比例如圖5所示，運輸階段的碳足跡占整個冷鏈的69%，其次貢獻較大的階段是預(yù)冷，占總量的21%，因為運輸消耗的柴油不僅用來承受產(chǎn)品和制冷設(shè)備的重量還用來保持車廂內(nèi)較低的溫度。冷庫部分碳足跡占總量的9%。消費階段的碳足跡僅占總量的1%。

表2 一條典型的某1 kg蔬菜產(chǎn)品冷鏈的碳足跡Tab.2 A typical cold chain carbon footprint of an 1 kg vegetable product

圖5 一條典型的某蔬菜產(chǎn)品冷鏈的總碳足跡比例Fig.5 Percentage contributions to total carbon footprint for a typical vegetable product cold chain

3 結(jié)論

本研究根據(jù)生命周期評價法,進行目標(biāo)界定、清單分析以及影響分析這3個步驟，分析計算出功能單位果蔬產(chǎn)品各階段碳足跡，并以一典型某蔬菜冷鏈為例，詳細分析出其生命周期各階段碳足跡。結(jié)果表明：該冷鏈的碳足跡為0.041 3 kgCO2eq，其中冷藏運輸階段的貢獻達69%，預(yù)冷階段碳足跡達21%。從評價結(jié)果可知，通過開發(fā)清潔型燃料和提高預(yù)冷設(shè)備效率可以有效減少冷鏈碳足跡，另外利用環(huán)境友好型的制冷劑取代氟利昂，可以減少冷鏈的碳足跡。

本文受天津市教委項目(170018)、天津商業(yè)大學(xué)人才啟動項目 (R160117)和武清區(qū)科技發(fā)展項目(WQKJ201633)資助。(The project was supported by the Foundation of Tianjin Educational Committee(No.170018), the Research Foundation for Talents of TUC(No.R160117) and the Science and Technology Program of Wuqing District, Tianjin(No.WQKJ201633).)