美国的生物燃料和水能源关系前景（英）

纸没有 11 月 20 日生物燃料和水能源关系对美国的看法亚历山大·斯特拉帕森亨利·李杰克·施奈特勒环境和自然资源计划 环境和自然资源计划贝尔弗科学与国际事务中心哈佛肯尼迪学院肯尼迪街79号马萨诸塞州剑桥 02138本报告中表达的陈述和观点仅代表作者本人，并不意味着哈佛大学、哈佛肯尼迪学院、贝尔弗科学与国际事务中心、国际政治研究所、T20 或 G20 的认可.版权所有 2021，哈佛大学校长和研究员 纸没有 11 月 20 日生物燃料和水能源关系对美国的看法亚历山大·斯特拉帕森亨利·李杰克·施奈特勒环境和自然资源计划 关于该计划环境和自然资源计划的任务是在区域、国家、国际和全球层面开展与政策相关的研究，并通过其外展计划向决策者、学者和感兴趣的公民提供其产品。在过去的 30 年里，环境政策发生了巨大的变化。今天，它是能源政策、经济发展和安全的一个组成部分。安全不仅意味着防止军事侵略，还意味着维持充足的食物和水供应，以及保护公众健康。这些问题不能从一门学科或从一个问题或一个国家的角度来解决。未来的世界将需要跨越学科和地域界限的多种需求和价值观的整合。更多信息，请访问 belfercenter.org/ENRP致谢作者感谢 POET Biorefining LLC 和 Roy Family Fund 对哈佛肯尼迪学院贝尔弗科学与国际事务中心环境与自然资源计划 (ENRP) 的支持。该公司在本文的编写过程中没有任何作用，此处显示的观点不一定代表 POET 的观点。我们还特别感谢橡树岭国家实验室 (ORNL) 的 Keith Kline、哈佛大学和麻省理工学院的 Afreen Siddiqi、POET 的 Doug Berven 和环境健康与工程公司 (EH&E) 的 David MacIntosh 提出的宝贵意见。我们也感谢 Foley Hoag LLP 的 Shailesh Sahay 的热情支持，和来自贝尔弗中心的阿曼达·萨多尼斯。作者没有要声明的利益冲突。ii生物燃料和水能关系 关于作者亚历山大·斯特拉帕森是哈佛肯尼迪学院贝尔弗中心农业和能源政策研究员。他还是伦敦帝国理工学院的名誉研究员和法国 IFP 学院的客座讲师。在获得这些经验之前，Alexandre 是董事兼负责人巴西农业部生物能源司，联合国开发计划署能源和气候顾问，参与联合国气候变化框架公约谈判。他是一名农业工程师，持有硕士学位。圣保罗大学 (USP) 能源学博士和博士学位。毕业于帝国理工学院，获得哈佛大学可持续发展科学博士后。亨利·李是哈佛肯尼迪学院贝尔弗科学与国际事务中心环境与自然资源项目的 Jassim M. Jaidah 家族主任； HKS北极倡议和中国脱碳研究工作的教职联合主席；和公共政策高级讲师。他曾在众多有关能源和环境的州、联邦和私人顾问委员会任职。杰克·施奈特勒是乔治城大学法律中心的法学博士候选人。直到最近，他还是哈佛肯尼迪学院贝尔弗中心研究助理。 Jack 的经验包括在美国参议院为参议员 Tina Smith 和 Al Franken 工作，担任能源、环境和农业问题的立法人员。他还担任过办公室的研究员北卡罗来纳州州长，协助州长的能源和环境顾问执行该州关于气候变化的行政命令。他拥有学士学位科尔盖特大学历史与国际关系学士，哈佛大学公共政策硕士。贝尔弗科学与国际事务中心|哈佛肯尼迪学院三 目录1.2.2.12.2.2.3.2.4.2.5.3.3.1.3.2.评估..................................................................................................................................253.3.4.5.贝尔弗科学与国际事务中心|哈佛肯尼迪学校v 照片来源：（美联社照片/查理里德尔，文件） 1贝尔弗科学与国际事务中心|哈佛肯尼迪学院强调•迄今为止，美国的生物燃料生产并未受到水资源供应的限制。•一些模拟表明，在未来十年内，在不使用额外的水和土地资源的情况下，可以在全国范围内扩大以玉米为基础的乙醇。在 2030-31 作物年度，常规乙醇产量可能达到约 190 亿加仑，比当前水平增加 28%，基于现有种植面积的产量增长，并且不改变年度玉米出口和内部库存。•在不扩大种植面积的情况下，在十年内将目前的乙醇产量翻一番，在 2030-31 年达到约 320 亿加仑，将需要重新分配其他用途的玉米。否则，现有玉米面积的增加可能如果不采取预防措施，这可能会加剧某些地区的水资源短缺。•政策和法规应制定明确的激励措施，以减少水资源紧张地区的农业取水量，以支持雨养作物。在可能的情况下，它们还应考虑到不断变化的气候条件。•未来的政策应支持可持续水资源管理并开发先进生物燃料市场，旨在最大限度地减少灌溉和碳强度。 2生物燃料和水能关系1.概述生物燃料和热电发电都有与其生产周期相关的大量水足迹。1 随着电力和生物燃料在运输燃料市场中占据更大份额，必须考虑对水资源的累积影响。2如图所示在图 1 中，农业和热力发电占美国取水量的最大份额。3 随着该国努力到 2035 年从化石燃料设施转型，农业将成为主导份额。根据美国农业部 (USDA) 的数据，就美国的耗水量而言，农业占最大份额，约占全国总用水量的 80%。4图1。美国的总取水量。每个类别（2015 年基准年）。注：总取水量 = 3220 亿加仑/天。家庭供水是指住宅自给水，而公共供水是指公共和私人供水商，其目的有多种，包括国内发货。资料来源：作者准备，数据来自 USGS（2017）。3本文重点介绍液体生物燃料，尤其是基于玉米的乙醇，以及能源与水的关系。它研究了潜在的土地面积扩大对增加生物燃料生产和供水可用性的影响。鉴于在生物燃料作物生产中灌溉使用的潜在扩大，相关的水足迹在某些地区可能具有挑战性，这取决于预测中考虑的假设和趋势。平均而言，生物燃料是耗水量最高的能源产品之一。生产一加仑常规汽油需要3 到 7 加仑的水，而一加仑玉米乙醇需要 11 加仑到 160 加仑的水5在极端情况下。因此，这些影响因生产系统和地区而异。生物精炼厂 3贝尔弗科学与国际事务中心|哈佛肯尼迪学院仅占总量的一小部分，平均每加仑生产的变性乙醇消耗大约三加仑的水，5主要用于洗涤、冷却和发酵过程。当使用完全灌溉时，总水足迹特别高。另一方面，目前全国只有约 15% 的玉米得到灌溉，4鉴于位于玉米带地区的大多数州都有充足的降雨，无需灌溉即可实现生产目标。此外，这只是其中的一小部分灌溉土地与乙醇生产有关。由于在水资源短缺的边缘地区建造乙醇工厂的风险，大多数生物精炼厂并不位于这些地区。是否有可能通过提高作物产量来满足未来乙醇需求的任何增长？*在大多数情况下不需要任何灌溉或额外用水的现有土地上？玉米被认为是一种粮食和燃料作物。这是因为乙醇是由淀粉含量产生的†，约占内核的 72%，7 而其余部分（例如蛋白质、可消化纤维、植物油、矿物质和维生素）则被推向食品和饲料市场，尤其是含可溶物的干酒糟 (DDGS)‡和玉米油，以及发酵过程中使用的酵母§.虽然淀粉在全球市场上相对丰富，但 DDGS 的交易价格通常与每吨玉米相似，但蛋白质和其他营养素的浓度更高。因此，这些营养素通常对畜牧业者来说是“折扣”，而不会危及世界的粮食安全。在不同的生物燃料生产链中，通常可以观察到其他类似的集成系统示例。在世界范围内的生物燃料生产中观察到的不是食物与燃料，而是食物和燃料的案例，即两者之间的协同作用。8,决定一种植物是粮食还是燃料作物的因素通常取决于其收获后的目的地，而不是作物本身。最终，为了避免对经济造成重大影响*作物产量定义为单位土地面积收获的作物产量，也称为农业生产力。它可以用每英亩蒲式耳、每公顷吨等单位来衡量。蒲式耳是体积单位，而吨是质量单位（1 公吨 = 1,000 公斤）。一蒲式耳含水量约为 15.5% 的去壳玉米相当于 56.0 磅（或 25.4 千克）。关于土地面积，1 公顷（或 10,000 m2) = 2.471 英亩。†美国生产的乙醇约有 94% 来自玉米淀粉，其余部分来自高粱、废糖和纤维素生物质等原料。6‡DDGS 主要用作动物饲料的富含蛋白质的营养来源，供应多个市场，从牲畜生产（肉、奶和蛋）到水产养殖和宠物食品。§酒糟干酵母是乙醇生产的副产品。它们具有高蛋白质价值和适口性，可用作动物饲料的补充剂。 4生物燃料和水能关系在食品市场上，农民应努力使用高效且具有成本竞争力的作物生产生物燃料，因为单位面积的生物燃料产量越大，对土地利用的直接和间接影响就越小。11此外，值得注意的是，一年生作物通常采用轮作周期种植，即同一年同一地区种植其他作物。一个例如玉米-大豆轮作，许多农场都采用了这种方法。生物燃料也可以是其他作物的副产品（例如来自大豆的生物柴油）*或源自草（例如柳枝稷）和植物残留物（例如玉米秸秆、稻草、森林残留物），它们是第二代乙醇的木质纤维素材料的来源。此外，部分生物质生产（例如稻草、树叶、甘蔗渣）可用于发电。食物与燃料的辩论12必须在这个广泛的背景下理解，通常需要使用综合评估模型 (IAM) 和生命周期评估 (LCA)。13由于气候变化和现有农业生产使美国的水资源紧张，政府和行业需要考虑生物燃料扩张与水资源可持续性之间的关系。这不仅是国内问题，也是国际问题，14鉴于任何农业和能源产品的生产周期都会产生水足迹。例如，美国是一个大几种农产品（例如大豆和玉米）的出口商，同时还参与国际乙醇贸易（例如与巴西等国家的进出口）；因此，美国也一直在世界范围内进出口水，要么直接通过含水量产品，要么间接通过与其各自生产周期相关的水足迹。*以大豆为基础的生物柴油是通过其植物油的酯交换生产的，植物油是广阔的大豆市场的副产品之一。大豆籽粒中的油含量约占其总质量的 20%，另一部分是豆粕，它是一种富含蛋白质的营养物质，广泛用作动物饲料的来源，是全球大豆市场的主要产品。 5贝尔弗科学与国际事务中心|哈佛肯尼迪学院本文概述了生物燃料生产对美国水资源的主要影响，重点是玉米乙醇市场和农业阶段。审查了以下问题：•生物燃料生产与水资源可用性之间的关系；•未来生物燃料生产的趋势和政策选择以及水资源短缺的权衡；•运输车队的技术变革，从而对生物燃料需求和水资源产生影响；•寻求减少生物燃料对水资源可持续性的未来影响的决策者的考虑因素。 6生物燃料和水能关系2.生物燃料和水资源可用性2.1.美国的生物燃料生产自 2007 年能源独立和安全法案 (EISA) 通过以来，美国的生物燃料产量大幅增加*.该法律要求美国环境保护署 (EPA) 修订现有的可再生燃料标准 (RFS) 计划，以将“混合到运输燃料中的可再生燃料的数量从 2008 年的每年 90 亿加仑增加到每年 360 亿加仑”。到 2022 年”。在 2022 年的 360 亿加仑中，有 210 亿加仑需要是先进的生物燃料，其温室气体 (GHG) 排放量至少比汽油或柴油少 50%，并且由玉米粒以外的生物质生产。 2015 年玉米乙醇将代表每年 150 亿加仑†. EISA 的目标是通过以下方式改善能源安全激励国内能源生产，推广温室气体排放量较低的第二代运输燃料，并支持农村农业经济。修订后的法律规定要求增加运输燃料中的纤维素生物燃料、生物质柴油、先进生物燃料和可再生燃料总量。 EPA 要求生物燃料的年度配额，除非它使用指定的豁免机构建立较低的数量要求。16乙醇已在美国大量使用作为混合比高达 10%（即小于或等于 E10）的汽油充氧剂，避免使用 MTBE‡，这可能对水体和人类健康非常有害。最近，EPA 授权全年使用含 15% 乙醇 (E15) 的混合物。18一些州有 E15、E20 和 E30 的燃料混合物。乙醇也可在更高*该法案通过的两个主要驱动力是通过减少国际化石燃料（尤其是对中东石油）的依赖来提高国家能源安全，以及支持农业部门，尤其是玉米种植者。例如，能源安全是乔治总统的主要信息。W. Bush 在 2008 年华盛顿国际可再生能源会