全球食品冷鏈碳足跡分析

Jean SARR1,Jean-Luc DUPONT2,Jacques GUILPART（著）

（1-巴黎薩克雷大學(xué)，法國(guó)巴黎 91190；2-國(guó)際制冷學(xué)會(huì)科技信息部，法國(guó)巴黎 75017；3-法國(guó)冷藏協(xié)會(huì)，法國(guó)巴黎91790）

王云鵬**，張曉寧，趙國(guó)君（譯）

（中國(guó)制冷學(xué)會(huì)，北京 100142）

0 引言

當(dāng)今全球有77 億人口，到2050年約有97 億人口[1]，保障這些人口所需的食品數(shù)量與質(zhì)量，無(wú)疑是當(dāng)今世界的重大挑戰(zhàn)之一，這對(duì)全球經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)平衡具有潛在影響。

溫度是影響易腐食品安全以及質(zhì)量的主要因素[2]。為了防止病原體的生長(zhǎng)，并保持食品的營(yíng)養(yǎng)成分與感官特性，人類消費(fèi)的部分產(chǎn)品從生產(chǎn)到消費(fèi)的所有階段都必須冷藏。通過(guò)使用制冷系統(tǒng)，這些食品的溫度在整個(gè)供應(yīng)鏈中得到了必要控制。為將食品保持在所需溫度而實(shí)施的一系列應(yīng)用制冷技術(shù)的操作稱為冷鏈[3]。

在之前的一份簡(jiǎn)報(bào)[4]中，國(guó)際制冷學(xué)會(huì)指出，2013年，超過(guò)1,661 Mt 食品應(yīng)使用冷鏈，結(jié)果只有778 Mt（47%）使用了冷鏈，造成的食品損耗約占人類消費(fèi)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的13%。更廣泛使用冷鏈可以大大減少食品損耗，從而改善全球食品安全和保障。該簡(jiǎn)報(bào)還指出，冷鏈能減少冷藏覆蓋范圍不足（或“缺乏制冷技術(shù)”）造成的食品損耗，節(jié)省量達(dá)到475 Mt，節(jié)省量理論上每年可供9.5 億人食用[4]。

根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織2017年的數(shù)據(jù)（迄今為止可獲得的最新數(shù)據(jù)），使用相同的計(jì)算方法，對(duì)上述簡(jiǎn)報(bào)中提供的結(jié)果進(jìn)行更新，結(jié)果顯示可節(jié)省526 Mt 食品，如表1所示。

表1 2017年全球冷藏食品情況

因此，擴(kuò)展當(dāng)前的冷鏈規(guī)?？梢宰屓藗兏美盟a(chǎn)的食品，并限制為彌補(bǔ)這些損耗而增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，從而減少農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）2019年的一份報(bào)告指出，農(nóng)業(yè)、林業(yè)和其他類型的土地利用占溫室氣體排放量的23%[5]。因此，消除或降低因缺乏冷藏造成的食品損耗也將有助于避免額外的與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的CO2排放量（文中稱為“CO2排放量”）。

但是，冷鏈所使用的制冷劑泄漏到大氣中也會(huì)產(chǎn)生CO2排放，更重要的是造成能源消耗[6]。此外，冷凍冷藏食品運(yùn)輸車輛的燃料消耗是新增的CO2排放源。

因此，與冷鏈相關(guān)的CO2總排放量包含以下幾項(xiàng)：1）冷鏈設(shè)備自身排放量；2）由于現(xiàn)有冷鏈對(duì)必須冷藏保存食物的覆蓋不足而造成的食品損失而形成的“CO2排放量”。

本文首先對(duì)碳足跡建立模型，如所有國(guó)家當(dāng)前冷鏈所產(chǎn)生的當(dāng)量CO2排放量；并基于CO2排放量，研究“改進(jìn)”冷鏈、提升由于缺乏制冷而導(dǎo)致食品損失的效益，并且其效率更高?！案倪M(jìn)”冷鏈主要在于擴(kuò)展冷鏈覆蓋范圍，如使用更多的制冷設(shè)備，但是也具有更好的能源和環(huán)保性能。下面將針對(duì)此項(xiàng)假設(shè)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

“改進(jìn)”冷鏈通過(guò)安裝和使用更多作為冷鏈一部分的制冷設(shè)備來(lái)提供更好的制冷覆蓋率，從而減少食品損耗。這兩個(gè)冷鏈的模型旨在比較與之相關(guān)的CO2排放總量。

這里需要回答一個(gè)重要問(wèn)題：“改進(jìn)”冷鏈所產(chǎn)生的額外CO2排放量是否多于由于缺乏冷藏造成的食品損耗的減少所降低的CO2排放量？

1 冷鏈

冷鏈?zhǔn)窃谏嫌紊a(chǎn)者和最終消費(fèi)者之間對(duì)冷藏食品進(jìn)行不間斷控溫運(yùn)輸和儲(chǔ)存的系統(tǒng)，旨在保持這些食品的品質(zhì)安全[7-8]。圖1所示為典型冷鏈過(guò)程。

圖1 典型冷鏈過(guò)程

冷鏈包括5 個(gè)階段：1）預(yù)冷階段，對(duì)應(yīng)于食品的第一次冷卻，例如發(fā)生在農(nóng)產(chǎn)品剛采收后冷卻；2）冷藏運(yùn)輸階段，對(duì)應(yīng)于冷卻冷凍食品在最佳溫度條件下的運(yùn)輸，冷藏運(yùn)輸在冷鏈過(guò)程中可能發(fā)生多次；3）冷藏存儲(chǔ)階段，這對(duì)應(yīng)的是冷卻冷凍食品的儲(chǔ)存階段；與運(yùn)輸階段一樣，冷藏可以在冷鏈過(guò)程中發(fā)生多次；4）零售階段，這一階段對(duì)應(yīng)于冷卻冷凍食品在超市和其他銷售網(wǎng)點(diǎn)配送；5）最終消費(fèi)者階段，這是食品在最終消費(fèi)者的冰箱/冰柜中冷藏的階段。

2 CO2排放量模型

2.1 制冷設(shè)備數(shù)據(jù)

對(duì)冷鏈CO2排放量進(jìn)行建模，需要對(duì)整個(gè)冷鏈中使用的制冷設(shè)備進(jìn)行評(píng)估，包括以下參數(shù)：1）冷藏運(yùn)輸車輛數(shù)量；2）冷庫(kù)容量；3）超市冷藏展示柜的長(zhǎng)度；4）家用冰箱和冰柜的數(shù)量。

本文根據(jù)冷藏食品的數(shù)量來(lái)估算冷藏設(shè)備的存量。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織2017年的數(shù)據(jù)估算，全球冷藏食品量約為813 Mt[9]。由于每個(gè)國(guó)家都有這些數(shù)據(jù)，因此可以估算每個(gè)國(guó)家的制冷設(shè)備使用量。模型中考慮的食品有肉、奶、魚(yú)、水果、蔬菜和塊莖。關(guān)于模型相關(guān)的假設(shè)和計(jì)算方法來(lái)源于文獻(xiàn)[10]。

2.2 建模原則

冷鏈中制冷設(shè)備產(chǎn)生的CO2排放來(lái)自以下幾個(gè)方面：1）耗電量，即制冷設(shè)備用來(lái)冷卻食品而消耗的電能生產(chǎn)是排放到大氣中CO2的來(lái)源；消耗電能（kW·h）所產(chǎn)生的CO2當(dāng)量取決于用于生產(chǎn)電能的一次能源（可再生能源、核能、煤炭、燃料油等）；2）制冷劑泄漏，制冷劑具有全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP），釋放到大氣中導(dǎo)致CO2的排放；3）冷藏運(yùn)輸車輛的柴油消耗量，驅(qū)動(dòng)車輛和制冷裝置的發(fā)動(dòng)機(jī)并使運(yùn)輸食品保持低溫所排放的CO2。

計(jì)算制冷設(shè)備在冷鏈各階段的CO2排放量。這些排放量有兩種類型：1）直接排放，制冷劑泄漏產(chǎn)生的排放量；2）間接排放，電力消耗和柴油消耗產(chǎn)生的排放量。

因此，冷鏈中制冷設(shè)備CO2排放量的計(jì)算方法：1）估算每個(gè)國(guó)家當(dāng)前需要冷藏的食品數(shù)量；2）估算冷鏈各階段的制冷設(shè)備使用量；3）計(jì)算與制冷設(shè)備相關(guān)的CO2排放量。

2.3 計(jì)算CO2排放量的原則

對(duì)世界各國(guó)冷鏈中制冷設(shè)備的CO2排放量進(jìn)行了建模。這些排放量的計(jì)算基于求解器（即計(jì)算軟件）中執(zhí)行的一組方程式[10]。

通過(guò)方程式對(duì)冷鏈的CO2排放量進(jìn)行建模，需要對(duì)每個(gè)國(guó)家和冷鏈的每個(gè)階段設(shè)置大量參數(shù)。使用參數(shù)模型的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)很容易適應(yīng)不同國(guó)家的可用數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)隨時(shí)間的演變進(jìn)行修改。

為了使參數(shù)值適用于一個(gè)國(guó)家，將全球國(guó)家分組，使此組參數(shù)值最能描述其特征。每個(gè)國(guó)家都有一個(gè)代碼，對(duì)于這個(gè)代碼的國(guó)家使用參數(shù)的平均值來(lái)計(jì)算冷鏈的CO2排放量。這些參數(shù)值是通過(guò)咨詢國(guó)際制冷學(xué)會(huì)和炎熱國(guó)家冷鏈工作組的許多專家和查閱科學(xué)文獻(xiàn)來(lái)估算的。當(dāng)然該算法主要依賴于冷鏈每個(gè)階段和每個(gè)國(guó)家的這些參數(shù)的精確值。當(dāng)這些精確值不可獲取時(shí)才估算默認(rèn)值。例如，表2 中“CO2代碼”用于定義4 組國(guó)家發(fā)電產(chǎn)生的CO2排放量，每千瓦時(shí)發(fā)電量的當(dāng)量CO2排放量為E。

表2 CO2代碼的定義

例如，某國(guó)家的CO2代碼“1”意味著它的發(fā)電是高度脫碳，代表此國(guó)家基本上基于可再生能源或核能。與冷鏈每個(gè)階段或每個(gè)國(guó)家發(fā)展水平相對(duì)應(yīng)的其他代碼也已定義。

3 冷鏈的情景化研究

本文將當(dāng)前全球冷鏈與“改進(jìn)”冷鏈兩者的CO2排放量進(jìn)行比較，“改進(jìn)”冷鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)擴(kuò)大冷鏈覆蓋范圍并提高其能源和環(huán)境性能而實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)前冷鏈?zhǔn)桥c制冷設(shè)備使用量相對(duì)應(yīng)的，制冷設(shè)備量可以使2017年的食品冷藏量能夠保持在813 Mt 左右。

由于更廣泛的冷藏覆蓋范圍和更多的制冷設(shè)備，使得冷鏈涉及范圍更廣泛，這樣可以大量減少因缺乏冷藏造成的食品損失。然而，擁有更廣泛和更高效冷鏈的發(fā)達(dá)國(guó)家[3]，由于不完善的溫度控制等其他原因，也產(chǎn)生了明顯的食品損失。因此，在實(shí)踐中建立一個(gè)完全消除食品損失的冷鏈似乎不現(xiàn)實(shí)。

這種改進(jìn)的冷鏈方案應(yīng)考慮一些更現(xiàn)實(shí)的情景，即所有國(guó)家的冷鏈都達(dá)到與發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)有的設(shè)備和性能相同水平。由于缺乏冷藏而導(dǎo)致的全球食物損失將減少，但不會(huì)為零。還應(yīng)注意的是，在冷藏運(yùn)輸階段，冷藏運(yùn)輸車輛柴油消耗量的20%用于冷藏所運(yùn)輸?shù)氖称穂12-13]，其余80%的消耗不歸因于冷鏈，因此食品的運(yùn)輸，無(wú)論是否冷藏，都涉及燃料消耗。

4 當(dāng)今冷鏈

4.1 與缺乏冷藏導(dǎo)致食品損失相關(guān)的CO2排放

據(jù)估計(jì)，由于當(dāng)前冷鏈覆蓋范圍不夠，2017年的全球食品損失約為526 Mt。根據(jù)本研究開(kāi)發(fā)的模型計(jì)算，這些損失相當(dāng)于1,004 Mt·CO2-eq 排放，這些排放與補(bǔ)償這些損失所需的額外糧食生產(chǎn)相對(duì)應(yīng)。

4.2 與當(dāng)今冷鏈設(shè)備相關(guān)的CO2排放

2017年約有813 Mt 的食品需要被冷藏，本模型以此為基礎(chǔ)，得出世界制冷設(shè)備使用量和總電力消耗的值。

表3 當(dāng)今全球冷鏈的典型參數(shù)

基于上述數(shù)值，目前的冷鏈設(shè)備估計(jì)要向大氣中排放261 Mt·CO2-eq。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AO）給出的地理分布（左縱軸）和相應(yīng)的累計(jì)百分比（右縱軸）。圖2所示為世界各地冷鏈設(shè)備的CO2排放量水平。僅東亞、北美、東歐和西歐就占了總排放量的65%。橫坐標(biāo)1～22 分別代表東亞、北美洲、東歐、西歐、西亞、南歐、南亞、南美洲、東南亞、北歐、北非、中美洲、澳大利亞和新西蘭、西非、南非、東非、加勒比地區(qū)、中亞、中美洲、美拉尼西亞、波利尼西亞和密克羅尼西亞。

圖2 全球各地區(qū)冷鏈設(shè)備的CO2排放量

此外，不同的冷鏈階段 CO2排放量占比不同，最終消費(fèi)者階段CO2排放量占比最大，占冷鏈全球CO2排放量的43%，如圖3所示。

圖3 全球冷鏈各階段的CO2總排放量

還需要注意的是，在當(dāng)前冷鏈中，大部分CO2的排放量來(lái)自制冷設(shè)備的電力消耗，這種消耗占排放總量的60%，冷藏運(yùn)輸用制冷劑和柴油CO2排放量則分別占22%和18%（圖4）。

圖4 全球冷鏈CO2排放源的占比

當(dāng)前冷鏈產(chǎn)生的CO2排放總量等于由于缺乏冷藏而產(chǎn)生食品損失形成的CO2排放總量（1,004 Mt·CO2-eq）與冷鏈設(shè)備形成的 CO2排放總量（261 Mt·CO2-eq）之和。因此，當(dāng)今全球冷鏈的碳排放總量為1,265 Mt·CO2-eq。

5 “改進(jìn)”冷鏈

本文“改進(jìn)”冷鏈可以減少世界上所有國(guó)家由于缺乏冷藏而導(dǎo)致的食品損失，以及提升發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)有制冷設(shè)備性能。這一假設(shè)體現(xiàn)在模型中，即對(duì)所有國(guó)家采用：1）通過(guò)相應(yīng)增加每個(gè)居民的制冷設(shè)備數(shù)量，使冷鏈的覆蓋率達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家相同的水平；2）具有與發(fā)達(dá)國(guó)家相同性能水平的制冷設(shè)備使用量，提高制冷設(shè)備的能效，并使用相同的低GWP 制冷劑。

冷鏈特性的改進(jìn)會(huì)產(chǎn)生如下結(jié)果：1）增加冷藏食品的數(shù)量；2）減少由于缺乏冷藏設(shè)備而造成的全球食品損失；3）減少由于食品損失造成的CO2排放量。

5.1 缺乏冷藏造成的食物損耗有關(guān)的CO2的排放

假設(shè)所有國(guó)家的冷鏈都與發(fā)達(dá)國(guó)家水平相同，可以得到關(guān)于食品生產(chǎn)和損耗的結(jié)果，如表4所示。由表4 可知，由于擴(kuò)大了制冷覆蓋范圍，與食品損失相關(guān)的CO2排放量大幅減少。改進(jìn)冷鏈?zhǔn)沟眠@些排放量從 1,004 Mt·CO2-eq 減少到 76 Mt·CO2-eq，減少了92%。

表4 “改進(jìn)”冷鏈所對(duì)應(yīng)的食物損耗和CO2排放量

CO2排放量的大幅減少是由于改進(jìn)冷鏈提高了肉類的冷藏覆蓋率，將所有國(guó)家提高到發(fā)達(dá)國(guó)家的水平，認(rèn)為在模型中覆蓋率數(shù)值是100%。說(shuō)明對(duì)于所有國(guó)家而言，有了改進(jìn)的冷鏈，不會(huì)因?yàn)槿狈洳囟斐扇忸悡p耗。

由于肉類生產(chǎn)的碳足跡非常高，這在一定程度上解釋了改進(jìn)冷鏈中缺乏冷藏導(dǎo)致的食物損耗的CO2排放量急劇下降的原因。

5.2 與改進(jìn)后的冷鏈設(shè)備相關(guān)的CO2排放

表5所示為全球冷鏈達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家水平的全球制冷設(shè)備使用量的特點(diǎn)，以及與這些制冷設(shè)備有關(guān)的CO2排放量。

表5 當(dāng)今和改進(jìn)后的全球冷鏈特征值的比較

“改進(jìn)”冷鏈的CO2排放總量等于因缺乏冷藏而造成的糧食損耗所對(duì)應(yīng)的CO2排放量（76 Mt·CO2-eq）與冷鏈設(shè)備造成的CO2排放量（589 Mt·CO2-eq）之和。因此，改進(jìn)冷鏈的CO2排放總量為665 Mt·CO2-eq。而當(dāng)今冷鏈的CO2排放總量預(yù)估為1,265 Mt·CO2-eq，這相當(dāng)于減少了47%的CO2排放總量。

6 成果概述

表6所示為本研究獲得的主要結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，“改進(jìn)”冷鏈將制冷設(shè)備的CO2排放量從261 Mt·CO2-eq 增加到 589 Mt·CO2-eq，增加了126%，主要原因在于制冷設(shè)備使用量增加?！案倪M(jìn)”冷鏈可以避免糧食損耗290 Mt，占到當(dāng)前冷鏈中糧食損耗的55%。除了減少糧食損耗外，改進(jìn)后的冷鏈還將使當(dāng)前冷鏈的碳足跡減少 600 Mt·CO2-eq，占比47%。

表6 研究結(jié)果

綜上所述，發(fā)達(dá)國(guó)家仍有優(yōu)化當(dāng)前冷鏈的潛力，特別是通過(guò)改進(jìn)制冷設(shè)備的溫度管理、能效以及減少所用制冷劑（降低 GWP 以及防止泄漏）。這個(gè)優(yōu)化如果在全球范圍內(nèi)實(shí)施，將有可能進(jìn)一步減少冷鏈的CO2排放量。

7 國(guó)際制冷學(xué)會(huì)建議

本文研究使當(dāng)今全球冷鏈與改進(jìn)冷鏈進(jìn)行比較成為可能，通過(guò)擴(kuò)展冷鏈覆蓋范圍并使其達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)有水平，即每個(gè)居民可用制冷設(shè)備數(shù)量相同，制冷設(shè)備和使用的制冷劑的能效相同。

研究結(jié)果說(shuō)明這種“改進(jìn)”冷鏈可以達(dá)到良好效果的可行性：1）食品損失顯著減少，保證了食品質(zhì)量安全；2）通過(guò)減少CO2排放來(lái)緩解全球變暖。

基于本文的研究，國(guó)際制冷學(xué)會(huì)提出如下建議：1）提高政府當(dāng)局和決策人對(duì)擴(kuò)展和改進(jìn)當(dāng)前食品冷鏈的認(rèn)知，并積極采取行動(dòng)；2）必須實(shí)施更廣泛和高效的冷鏈部署政策，以減少食品生產(chǎn)和分銷造成的溫室氣體排放和營(yíng)養(yǎng)損失；3）國(guó)家應(yīng)優(yōu)先考慮冷鏈在對(duì)抗氣化變化中做出的貢獻(xiàn)，并應(yīng)提前預(yù)備應(yīng)對(duì)全球變化所需的國(guó)際資金；4）結(jié)合疫苗等生物、保健制品的保存技術(shù)來(lái)改進(jìn)冷鏈，這將對(duì)冷鏈的提升產(chǎn)生更強(qiáng)的引導(dǎo)作用；5）要使發(fā)展中國(guó)家的制冷設(shè)備性能達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家的水平，可能需要同時(shí)發(fā)展公路、鐵路和電力等基礎(chǔ)設(shè)施。沒(méi)有電網(wǎng)覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)可考慮采用太陽(yáng)能制冷等解決方案。