近日，暨南大学环境学院曾永平教授团队在环境领域权威期刊Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Biobased plastic: A plausible solution toward carbon neutrality in plastic industry?”的原创性研究论文，使用碳循环模型构建不同塑料回收和生物基塑料替代场景对碳达峰与碳中和的影响，探讨了生物基塑料在降低塑料工业碳排放方面所具备的潜力，并阐述了塑料作为人造碳库在生物基塑料替代场景下对全球碳中和的潜在影响。

 

 

本研究重点评估了生物基塑料作为潜在碳储库在碳中和方面所具备的潜力。课题组基于碳循环模型，评估了1950~2060年间不同场景下全球塑料工业的碳排放规模。

 

截至2020年，塑料碳库的总碳储量约为68.2亿吨。预计到2060年全球塑料碳库的碳储量会进一步增长到194~232亿吨。塑料碳库包含约18-40%的生物碳，相当于大约31~48亿吨二氧化碳，同时，该碳库也锁定了另外136~164亿吨的化石碳。然而，即使在90%的生物基塑料替代比例和50%的回收率的场景下，塑料工业也很难实现完全可持续的碳中和。

 

因此，本研究建议塑料工业的碳中和还需要采取其他碳减排措施，特别是能源结构调整以及后处理技术升级，尽量避免将塑料转化成温室气体排放，进而维持并实现完全彻底的碳中和。

 

一、模型建立

 

本研究基于全球塑料生产和使用情况建立了碳排放模型，突出塑料在全生命周期内所产生的碳排放，包括初级塑料生产、回收生产、焚烧、和填埋期间的碳排放。由于塑料具有很强的稳定性，因此该模型忽略塑料的自然降解所产生的碳排放。模型设计中使用的参数包括原材料替代率、生产规模、能源结构和废物处理方式，但不考虑磨损和加工过程中的损失。本模型包含了八种主流塑料种类以及七个使用部门。

 

二、五种替代与回收场景

 

场景1：无生物基塑料替代+低塑料回收率（回收上限22.4%；基准方案）；

场景2：15%生物基塑料替代增长率+低塑料回收率（替代比例上限90%）；

场景3：无生物基塑料替代+高塑料回收率（回收上限49.7%）；

场景4：15%生物基塑料替代增长率+高塑料回收率；

场景5：25%生物基塑料替代增长率+高塑料回收率。

 

三、回收率对碳中和的影响

 

模型模拟结果表明，低回收率和高回收率场景下，累积回收塑料的总量分别为69亿吨和93亿吨。到2060年，为满足全球塑料需求，初级塑料的累计产量为460亿吨（低回收率）和390亿吨（高回收率）（图1）。提高塑料回收率对于降低初级塑料的产量具有至关重要的影响。根据模型模拟，回收塑料的产量每增加1吨，可减少3吨初级塑料的生产需求。因此提高塑料回收率可以有效降低塑料工业整体的碳排放量。

 

在不使用生物基塑料进行替代的情况下，预计到2060年全球塑料碳库的容量将分别接近232和194亿吨碳。由于高回收率场景下塑料的累积产量较低，因此所产生的塑料废弃物也较少，从而使得高回收率场景下的累积二氧化碳排放量（1950—2060）从2800亿吨下降到约2500亿吨。由于回收塑料生产单位产量下的温室气体排放量仅为初级塑料生产的15%—46.4%。这部分差额进一步减少了约490–590亿吨额外的二氧化碳排放。与填埋和焚烧相比，塑料回收既有利于塑料污染控制，也有利于碳中和。

 

图1 全球塑料产量预测

 

四、生物基塑料碳排放的估算

 

场景2和场景4展示了生物基塑料在低回收率和高回收率情况下取代传统塑料所产生的一系列影响。15%的年增长率使得生物基塑料的累积产量从2020年的456万吨增加到2060年的12.8亿吨（场景2）和9.42亿吨（场景4）。模型模拟结果表明，生物基塑料替代情景下的温室气体净排放量下降至1800亿CO2（场景2：低回收率）和1700亿吨CO2（场景4：高回收率）。如果进一步提高生物基塑料的替代速度（场景5），则通过光合作用-生物基塑料途径从大气中固定的CO2量从310亿CO2增加到480亿吨CO2，累积温室气体净排放量进一步从1700亿吨CO2下降到120 0亿吨CO2。

 

图2 不同场景下塑料碳库规模及温室气体累积排放

 

五、生物基塑料替代场景下的碳中和路径评估

 

温室气体净排放年际变化进一步显示了生物基塑料替代和塑料回收对碳中和的影响（图4）。场景1和场景3中的温室气体年净排放量与生产规模高度正相关。场景3下较高的塑料回收率导致其产生的温室气体排放量较场景1更少。

 

场景2、4和5中的温室气体年际净排放量随着生物基塑料替代比例的不断增加，温室气体年净排放量虽然在最开始的一段时间内仍然呈现上升趋势，但在2031-2041年间达到峰值后逐年下降。2054年，场景2中的温室气体净排放量预计将接近5.35亿吨CO2/年，接近1985年的排放水平；其峰值出现在2041年，温室气体排放量为46亿吨CO2/年。在场景4中，2040年的温室气体净排放达到峰值，为30.1亿吨CO2/年。到2054年，该场景下的温室气体净排放量约为7.66亿吨CO2/年。这两种情况下的塑料工业均无法单单依靠提高塑料回收率和生物基塑料替代实现的碳中和。

 

图3 不同场景年际碳排放变化趋势

 

场景5提高了生物基塑料的替代速率，因此其模拟结果非常接近实现碳中和。这主要是由于相对较低的累积塑料生产量以及较少的塑料废弃物处理压力。到2031年，温室气体排放量达到峰值32.8亿吨CO2/年，2041年温室气体净排放量急剧下降，到2042年，温室气体最低排放量接近3.58亿吨CO2/年。

 

一旦原始塑料退出使用阶段并被焚烧，化石碳最终将转化为二氧化碳并释放到环境中。焚烧作为后处理阶段的主要温室气体排放源，由于没有进一步的减排途径来抵消焚烧产生的额外温室气体排放，从而导致整体的温室气体净排放量再次呈现上升趋势。从碳中和的角度来看，焚烧作为塑料废物处理的最终解决方案之一可能并不是最优解。