研究人员评估了用于美国可持续航空燃料的四种生物燃料作物的财务和环境影响。他们的研究结果表明，每种原料——玉米秸秆、能源高黏离子草、芒草或开关草——在美国部分雨养地区表现最佳。此项研究旨在帮助农民和政策制定者识别最适合的原料，以实现降低生产成本、减少温室气体排放和增强土壤碳含量等目标。
研究人员评估了用于美国可持续航空燃料的四种生物燃料作物的财务和环境影响。他们的研究结果表明，每种原料——玉米秸秆、能源高黏离子草、芒草或开关草——在美国特定雨养地区表现最佳。此项研究旨在协助农民和政策制定者识别最适合的原料，以实现如最小化生产成本、减少温室气体排放和增加土壤碳储量等目标。
美国目前每年使用230亿加仑的航空燃料。根据研究人员在《环境科学与技术》杂志中的分析，航空燃料约占国内运输二氧化碳排放的13%。尽管截至目前，美国的可持续航空燃料生产仅为几百万加仑，但可持续航空燃料重大挑战计划旨在到2030年将这一生产量扩大到30亿加仑，并在2050年达到350亿加仑，同时在整个燃料生命周期内减少温室气体排放强度50%，相比传统燃料。
伊利诺伊大学香槟分校农业与消费者经济学教授、可持续性、能源与环境研究所（iSEE）主任Madhu Khanna指出，为了应对这一挑战而生产的生物能源作物的组合，以及它们的成本和碳强度，将取决于特定的政策目标。Khanna与iSEE的博士后研究员Fan Xinxin共同领导了此次研究。
“评估所有使特定生物燃料原料经济或环境可持续的因素是一项巨大的任务，”Khanna提到。“你必须考虑到所有替代性的土地使用、新作物引入的成本，以及各种其他因素，如天气、土壤碳水平和每种作物在其特定地点的生产力。”
“此外，还有与将各种原料转化为生物燃料相关的成本，以及与种植和运输它们到精炼厂相关的温室气体排放，”Fan解释道。
该研究旨在确定对于从另一种可行作物转型的农民来说具有最低“收支平衡价”的原料，配合最低的碳强度和碳减排成本，以及每单位土地的最高生物质产量。
通过识别每种原料和种植区域的这些因素，专家和政策制定者可以确定是哪种作物将在全国不同地区蓬勃发展，以及哪些政策或激励措施将是最有效的，Fan指出。
研究人员将其研究区域的雨养区域——覆盖美国大陆大部分地区，包括达科他州、内布拉斯加州、堪萨斯州、俄克拉荷马州和德克萨斯州向东——划分为1.5英里见方的区块。他们关注四个地区：大平原地区、中西部、东北部和东南部。
团队最初计算了一个种植者从下一个最适合的作物转换为生物燃料作物的收支平衡成本，考虑了种子、化学品、肥料、储存和与种植、维护和收获作物相关的其他成本。他们还模拟了不同的生长条件、碳排放以及每种原料的生命周期成本和收益，包括将材料运输到生物炼油厂并将其转化为可用的航空燃料。他们还确定了每种原料的温室气体减排平均成本。
“我们的研究结果表明，最佳原料因地点而异，具体取决于目标是减少收支平衡成本、碳强度或碳减排费用，还是最大化每单位土地的生物质生产，”研究人员观察到。
与可持续航空燃料相关的温室气体排放的减排成本在中西部的芒草、南方的开关草以及大平原的有限区域的能源高黏离子草中最低。“基于玉米秸秆的可持续航空燃料每加仑的收支平衡价最低，但由于其相对较高的温室气体强度，减排成本也最为昂贵，”他们报告说。
Khanna解释说，不同的政策可能会使某些原料相较于其他原料更具优势。如果政策制定者优先考虑生产总量，玉米秸秆可能是首选。然而，依赖这种原料将会耗尽土壤碳水平，使其相比其他能源作物更具碳强度。相对而言，芒草和开关草对土壤碳有积极贡献，并在减少温室气体排放方面比玉米秸秆更为有效，尽管它们的生产成本较高，因此需要像碳税抵免这样的激励措施来确保经济可行性。
最终，研究人员得出结论，必须增加碳价格或降低生产可持续航空燃料的相关成本，才能使SAFs成为经济上具有吸引力的替代传统航空燃料的方案。
Khanna还担任伊利诺伊大学高级生物能源和生物产品创新中心、Carl R. Woese基因组生物学研究所和国家超级计算应用中心的教授。Fan是CABBI的博士后研究员。
该研究由能源部科学办公室和环境研究办公室资助。
