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Nature Climate Change:减少全球塑料制品碳足迹的策略

作者:生态学家
文长3593 - 时长9分

摘要:
在过去四十年中,全球塑料产量翻了两番。如果按照这种趋势继续生产下去,到2050年因塑料导致的温室气体排放量将达到全球碳预算的15%。本研究指出,有必要整合能源、材料、回收和需求管理策略,以遏制塑料生命周期内温室气体排放的增长。

 摘要 

在过去四十年中,全球塑料产量翻了两番。如果按照这种趋势继续生产下去,到2050年因塑料导致的温室气体排放量将达到全球碳预算的15%。然而,尚未在全球范围内对减缓塑料温室气体排放的策略进行评估。对此,研究人员编制了一个数据集,其中涵盖了10种常规塑料和5种生物塑料及其在各种缓解策略下的温室气体排放。结果表明,2015年全球传统塑料生命周期内的温室气体排放量为1.7 Gt二氧化碳当量,到2050年将增长到6.5 Gt二氧化碳当量。然而,积极应用可再生能源、塑料回收以及需求管理策略,可能使2050年的二氧化碳当量排放量与2015年水平相当。此外,用生物质替代化石燃料原料可以进一步减少排放并实现从当前水平的绝对减排。本研究指出,有必要整合能源、材料、回收和需求管理策略,以遏制塑料生命周期内温室气体排放的增长。

原文信息

标题:Strategies to Reduce The Global Carbon Footprint of Plastics

期刊:Nature Climate Change (IF 19.181)

作者:Jiajia Zheng,Sangwon Suh(美国加州大学圣塔芭芭拉分校布伦环境科学与管理学院)


研究背景

1950年至2015年,全球塑料产量从200万吨增长到3.8亿吨,年增长率为8.4%。在全球范围内,58%的塑料废弃物被丢弃或填埋,2015年仅有18%被回收利用。据估计,2010年沿海国家产生的塑料废弃物为4.8-12.7百万吨。尽管整个化学工业占全球人为温室气体排放量的15%左右,但塑料的全球生命周期温室气体排放量尚未量化。

已有研究讨论了各种减少塑料温室气体排放的策略,例如用生物塑料代替化石燃料。生物塑料通常表现出比基于化石燃料的同类产品更低的生命周期温室气体排放。欧盟以及日本、韩国和泰国等国家已经启动了促进生物塑料的策略。2017年,全球生物塑料总产量达到205万吨,预计未来五年将增长20%。低碳能源是另一种减少塑料生命周期温室气体排放的策略。在100%利用可再生能源的情景下,美国塑料生产的温室气体排放量可减少50%-75%。 回收利用也是减少塑料温室气体排放一个策略,这减少了碳密集型原始聚合物的生产,同时防止了焚烧等过程中的温室气体排放。

本研究开发了一个数据集,涵盖了10种基于化石燃料和5种生物塑料的树脂生产、转化和燃烧工艺的温室气体排放,然后将数据集与全球塑料需求和温室气体减排策略的预测相结合,以评估以下缓解策略及其组合下的温室气体排放:

(1)生物塑料。化石燃料塑料逐渐被生物塑料取代,到2050年它们将被彻底淘汰。

(2)可再生能源。 塑料供应链的能源结构逐渐脱碳,到2050年达到100%利用可再生能源(即风能和沼气)。

(3)回收。 到2050年,塑料的循环率逐渐增加并达到100%。

(4)减少需求增长。目前将全球塑料需求的年增长率(4%)降至2%。

结果

全球塑料生命周期阶段的温室气体排放量现状

2015年生产的传统(化石燃料)塑料在其生命周期内排放1.8Gt二氧化碳当量,不包括回收的碳排放额度(图1)。该值相当于当年全球排放的47Gt二氧化碳当量的3.8%。树脂生产阶段产生大部分排放二氧化碳当量(61%),其次是转换阶段(30%)。在所有塑料类型中,聚酯,聚酰胺和丙烯酸纤维在两个阶段中具有最高的温室气体排放。聚烯烃系列占世界塑料消费量的近50%,也是一个重要因素。由于市场份额微不足道(<1%),2015年未考虑生物塑料的温室气体排放。

焚烧是温室气体排放的主要来源。尽管垃圾填埋场该过程占塑料垃圾的最大份额(58%),但产生的温室气体排放量最少。回收过程本身产生了49Mt二氧化碳当量。然而,如果考虑通过回收物排放碳密集型原始聚合物,则回收的温室气体排放量将降至负67Mt二氧化碳当量,燃烧阶段的总排放量将从161Mt降至45Mt的二氧化碳当量。在这种情况下,全球塑料的生命周期温室气体排放总量将达到1.7Gt二氧化碳当量,即是2015年全球年度温室气体排放量的3.5%。


图1 2015年全球塑料生命周期阶段的温室气体排放量和塑料类型。回收产生的碳排放额度不包括在内。蓝色、橙色和绿色分别代表树脂生产、转化和处理管理阶段。每个阶段的排放物按塑料类型或醇处理方法进行分解,用相应颜色的不同深浅表示。PUR:聚氨酯。

不同策略下塑料的温室气体排放量

按照目前的水平,塑料的全球生命周期温室气体排放量将迅速增长(图2a)。2015年全球生产了4.07亿吨塑料,2010年至2015年间平均年增长率为4%。预计到2050年,塑料年产量将增长到16亿吨,温室气体排放量从2015年的1.7Gt增长6.5Gt。如果到2050年所有塑料都被焚烧,那么每年的总排放量将达到8.0Gt。塑料回收,到2050年将排放量减少到4.9Gt。用玉米塑料替代化石燃料塑料将使塑料的温室气体排放量在2050年减少到5.6Gt(图2a)。如果所有塑料都被焚烧并且所有可生物降解塑料都被堆肥,那么玉米塑料的温室气体排放量将增加到6.7Gt。然而,回收所有生物塑料会将排放量减少到4.4Gt。基于甘蔗的塑料可以进一步将温室气体排放量减少到4.9Gt。与生物塑料相比,我们模型中基于化石燃料的塑料的100%回收方案产生相似或甚至更低的排放(图2a,b)。这意味着传统塑料的再循环可能与使用可再生原料一样有益。

能源脱碳显示出减少温室气体排放的巨大潜力(图2b,d)。100%可再生能源将使温室气体排放量在2050年减少62%。即使化石燃料作为未来塑料生产的唯一原料,使用100%可再生能源可以实现与其相比减少51%,在100%可再生能源下回收所有塑料,可分别使化石燃料,玉米和甘蔗基塑料的温室气体排放减少77%,84%和86%。这一结果表明,绝对减少温室气体排放只能通过部署可再生能源和广泛回收塑料来实现。相对于2050年的温室气体排放量为81%,塑料需求增长率降至2%,每年温室气体排放量可降至56%(图2c,d)。使用100%可再生能源使化石燃料塑料的排放量在2015年几乎保持不变,并用生物塑料替换它们使排放水平进一步降低。甘蔗基塑料的温室气体排放量是最低,100%可再生能源加100%回收和需求增长减少,每年温室气体排放量为0.5Gt。这表明,塑料的温室气体排放量将大幅度减少,但这需要以前所未有的规模和速度实施以上四种策略。

图2 2015-2050年不同原料来源、能源结构、管理策略和塑料需求增长情景下塑料的温室气体排放量。a,在目前的能源结构下,塑料需求年增长率为4%。 b,塑料需求年增长率为4%,能源结构将在2050年脱碳。c,在目前的能源结构下,塑料需求年增长率为2%。 d,塑料需求年增长率为2%,能源结构将在2050年减产。

不同能源下的塑料的温室气体排放

图3显示了从不同原料类型的塑料的温室气体排放细分类。在目前的能源结构下,2050年化石燃料,玉米和甘蔗基塑料的温室气体排放量分别平均为每公斤塑料4.1,3.5和3.0 kg二氧化碳当量(图3a)。然而,使用100%可再生能源,每公斤塑料平均温室气体排放量将分别降低到2.0,1.4和1.3 kg(图3b)。与化石燃料的对应物相比,衍生自可再生原料的塑料产生较低的温室气体排放。在当前能源结构下的所有原料类型,树脂生产和转化阶段是温室气体排放的主要贡献者(图3a)。然而,在100%可再生能源的情况下,焚烧成为生物基塑料总排放量的最大贡献者(图3b)。在100%可再生能源情景下,回收产生的碳排放额度减少,因为可再生能源的低温室气体排放削弱了避免原始聚合物生产的碳效益。

图3 2050年两种能源混合情景下不同原料类型塑料的温室气体排放。a,2050年当前能源结构情景下的温室气体排放。b,2050年100%可再生温室气体排放。

结论

四种策略(即生物塑料,可再生能源,回收和需求管理)都不能实现充分的温室气体减排;只有在一致实施时,这些策略才能实现绝对减少。其中,与使用生物塑料相比,能源系统的脱碳(这是一种经济上更有利于温室气体减排的选择)显示出最大的潜力。即使化石燃料原料被用作塑料生产的唯一来源,100%可再生能源也会使温室气体排放量减少一半。如果与广泛的回收或需求管理相结合,能源的脱碳可以维持目前的温室气体排放水平。需要大规模采用生物塑料以及实施所有其他三种策略才能进一步减少温室气体排放。

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译者:李子黄了(笔名),西北大学研究生在读。

来源:生态学家

封面图:pixabay


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