生物燃料和碳作物起飛

每年，美國天空中飛行的飛機燃燒230億加侖的燃料，留下尾流，並造成8%的國家交通相關溫室氣體（GHG）排放。美國能源部（DOE）洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）和桑迪亞國家實驗室的研究人員最近的一項研究顯示，哪些以作物為基礎的原料提供了豐富、具價格競爭力的可再生替代石油基航空燃料的最大潛力，同時最大限度地提高大氣中碳的去除。科學家們為美國能源部生物能源研究中心——聯合生物能源研究所（JBEI）進行了這項研究，該中心由伯克利實驗室管理。

隨著電動汽車逐步取代美國道路上的汽油車，目前只有液態航空燃料可以可靠地推動飛機，讓數百名乘客和大量貨物在空中飛行。據估計，將全國目前擁有的超過167,000架飛機替換為新航空技術需要20-30年，這是基於飛機的平均使用壽命。從可再生生物質中生產可持續航空燃料（SAF）可以實現到2050年將航空業GHG排放量減半的雄心勃勃的國家目標，並且能夠為現有的飛機發動機提供燃料。

生物質作物不僅需要大量生產清潔燃燒、高性能的燃料，還需要對生產者、生物煉油廠和消費者經濟上可行。此外，選擇的原料應最大限度地提高土壤中的碳累積和土地使用的效率，同時最小化肥料施用和水消耗的負面環境影響。

有幾種候選作物可以考慮作為SAF生產的起始植物。JBEI的分析考察了三種高產生物質作物——芒草（Miscanthus）、高粱（sorghum）和開關草（switchgrass）——為商業規模SAF生產提供原料的潛力。模擬和建模探討了生物能源、產量、碳去除和燃料價格之間的相互作用和權衡。科學家們選擇了這三種作物作為研究的原料，因為它們都可以在美國的農場上無需灌溉種植，且可以方便地轉化為高性能的二甲基環辛烷（dimethylcyclooctane）航空燃料。

“確定特定位置最有前景的SAF原料候選者需要評估從土壤特性到氣候模式、基礎設施和市場因素的所有內容，”桑迪亞國家實驗室的首席作者薩加爾·高塔姆（Sagar Gautam）說。

“雖然之前的研究已經評估了各地的生物質生產及其影響，但直到現在，它們還未從國家層面分析技術、經濟和環境因素的完整範圍，”該研究的資深作者、聯合生物能源研究所生命週期和經濟部副總裁兼伯克利實驗室能源分析與環境影響部副主任科琳·斯科恩（Corinne Scown）表示。

研究團隊整合了農業生態系統、技術經濟和生命週期建模，以確定生物質種植的可能位置並估計SAF生產系統的成本、生命週期GHG排放和土壤碳累積的加權可能對作物選擇的影響。在短期內，芒草似乎是SAF的強有力選擇，潛力可達高粱和開關草的兩到三倍產量。根據生長區域、燃料市場和碳去除激勵措施，芒草也可能會固定更多的碳，產生更少的GHG排放，並且生產成本更低。

“我們發現這可能是一個搖擺不定的情況，”斯科恩說。“當我們對土壤碳累積賦予高價值時，而油價保持相對較低，芒草看起來是明顯的選擇。但如果油價急劇上升，高粱和開關草則變得更具價格競爭力。”

通過光合作用，植物可以從大氣中捕獲二氧化碳，並通過其根系將碳轉移到土壤中。科學家們仍在研究碳如何與土壤中的微生物相互作用以促進碳的固定。某些類型的深根系作物使土壤中積累和儲存更大量的碳變得更加容易，這有助於改善土壤健康並對抗氣候變化。

對於除了原料供應之外還支付農民土壤碳累積的報酬，可以為生長生物質提供額外的激勵，但這也會影響生產成本、燃料價格及市場可行性。

“農民通常根據在其地區種植是否盈利來選擇作物。碳去除信用可以改變這一情況，使生產生物能源作物更具利潤潛力，進而生產數十億加侖的清潔高性能航空燃料，”合著者、聯合生物能源研究所生命週期和技術經濟分析的科學負責人納瓦·巴拉爾（Nawa Baral）表示。

根據斯科恩的說法：“如果我們對如何擴大生產和監測土壤碳影響進行深思熟慮，基於生物質的SAF有潛力對農業社區和氣候都實現雙贏。”

該SAF研究發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，合著者包括桑迪亞國家實驗室的Sagar Gautam和Umakant Mishra，以及伯克利實驗室的Corinne Scown和Nawa Baral。

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Meta Title: 生物燃料和碳作物的發展潛力

Meta Description: 本文探討了可持續航空燃料的潛在生產作物，研究生物質對碳去除及航空業減少溫室氣體排放的貢獻。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。