全球食品冷链碳足迹分析

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

（1-巴黎萨克雷大学，法国巴黎 91190；2-国际制冷学会科技信息部，法国巴黎 75017；3-法国冷藏协会，法国巴黎91790）

王云鹏**，张晓宁，赵国君（译）

（中国制冷学会，北京 100142）

0 引言

当今全球有77 亿人口，到2050年约有97 亿人口[1]，保障这些人口所需的食品数量与质量，无疑是当今世界的重大挑战之一，这对全球经济、社会和生态系统平衡具有潜在影响。

温度是影响易腐食品安全以及质量的主要因素[2]。为了防止病原体的生长，并保持食品的营养成分与感官特性，人类消费的部分产品从生产到消费的所有阶段都必须冷藏。通过使用制冷系统，这些食品的温度在整个供应链中得到了必要控制。为将食品保持在所需温度而实施的一系列应用制冷技术的操作称为冷链[3]。

在之前的一份简报[4]中，国际制冷学会指出，2013年，超过1,661 Mt 食品应使用冷链，结果只有778 Mt（47%）使用了冷链，造成的食品损耗约占人类消费的农产品产量的13%。更广泛使用冷链可以大大减少食品损耗，从而改善全球食品安全和保障。该简报还指出，冷链能减少冷藏覆盖范围不足（或“缺乏制冷技术”）造成的食品损耗，节省量达到475 Mt，节省量理论上每年可供9.5 亿人食用[4]。

根据联合国粮食及农业组织2017年的数据（迄今为止可获得的最新数据），使用相同的计算方法，对上述简报中提供的结果进行更新，结果显示可节省526 Mt 食品，如表1所示。

表1 2017年全球冷藏食品情况

因此，扩展当前的冷链规模可以让人们更好利用所生产的食品，并限制为弥补这些损耗而增加农业生产的需求，从而减少农业活动对环境的负面影响。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）2019年的一份报告指出，农业、林业和其他类型的土地利用占温室气体排放量的23%[5]。因此，消除或降低因缺乏冷藏造成的食品损耗也将有助于避免额外的与农业生产有关的CO2排放量（文中称为“CO2排放量”）。

但是，冷链所使用的制冷剂泄漏到大气中也会产生CO2排放，更重要的是造成能源消耗[6]。此外，冷冻冷藏食品运输车辆的燃料消耗是新增的CO2排放源。

因此，与冷链相关的CO2总排放量包含以下几项：1）冷链设备自身排放量；2）由于现有冷链对必须冷藏保存食物的覆盖不足而造成的食品损失而形成的“CO2排放量”。

本文首先对碳足迹建立模型，如所有国家当前冷链所产生的当量CO2排放量；并基于CO2排放量，研究“改进”冷链、提升由于缺乏制冷而导致食品损失的效益，并且其效率更高。“改进”冷链主要在于扩展冷链覆盖范围，如使用更多的制冷设备，但是也具有更好的能源和环保性能。下面将针对此项假设进行详细说明。

“改进”冷链通过安装和使用更多作为冷链一部分的制冷设备来提供更好的制冷覆盖率，从而减少食品损耗。这两个冷链的模型旨在比较与之相关的CO2排放总量。

这里需要回答一个重要问题：“改进”冷链所产生的额外CO2排放量是否多于由于缺乏冷藏造成的食品损耗的减少所降低的CO2排放量？

1 冷链

冷链是在上游生产者和最终消费者之间对冷藏食品进行不间断控温运输和储存的系统，旨在保持这些食品的品质安全[7-8]。图1所示为典型冷链过程。

图1 典型冷链过程

冷链包括5 个阶段：1）预冷阶段，对应于食品的第一次冷却，例如发生在农产品刚采收后冷却；2）冷藏运输阶段，对应于冷却冷冻食品在最佳温度条件下的运输，冷藏运输在冷链过程中可能发生多次；3）冷藏存储阶段，这对应的是冷却冷冻食品的储存阶段；与运输阶段一样，冷藏可以在冷链过程中发生多次；4）零售阶段，这一阶段对应于冷却冷冻食品在超市和其他销售网点配送；5）最终消费者阶段，这是食品在最终消费者的冰箱/冰柜中冷藏的阶段。

2 CO2排放量模型

2.1 制冷设备数据

对冷链CO2排放量进行建模，需要对整个冷链中使用的制冷设备进行评估，包括以下参数：1）冷藏运输车辆数量；2）冷库容量；3）超市冷藏展示柜的长度；4）家用冰箱和冰柜的数量。

本文根据冷藏食品的数量来估算冷藏设备的存量。根据联合国粮食及农业组织2017年的数据估算，全球冷藏食品量约为813 Mt[9]。由于每个国家都有这些数据，因此可以估算每个国家的制冷设备使用量。模型中考虑的食品有肉、奶、鱼、水果、蔬菜和块茎。关于模型相关的假设和计算方法来源于文献[10]。

2.2 建模原则

冷链中制冷设备产生的CO2排放来自以下几个方面：1）耗电量，即制冷设备用来冷却食品而消耗的电能生产是排放到大气中CO2的来源；消耗电能（kW·h）所产生的CO2当量取决于用于生产电能的一次能源（可再生能源、核能、煤炭、燃料油等）；2）制冷剂泄漏，制冷剂具有全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP），释放到大气中导致CO2的排放；3）冷藏运输车辆的柴油消耗量，驱动车辆和制冷装置的发动机并使运输食品保持低温所排放的CO2。

计算制冷设备在冷链各阶段的CO2排放量。这些排放量有两种类型：1）直接排放，制冷剂泄漏产生的排放量；2）间接排放，电力消耗和柴油消耗产生的排放量。

因此，冷链中制冷设备CO2排放量的计算方法：1）估算每个国家当前需要冷藏的食品数量；2）估算冷链各阶段的制冷设备使用量；3）计算与制冷设备相关的CO2排放量。

2.3 计算CO2排放量的原则

对世界各国冷链中制冷设备的CO2排放量进行了建模。这些排放量的计算基于求解器（即计算软件）中执行的一组方程式[10]。

通过方程式对冷链的CO2排放量进行建模，需要对每个国家和冷链的每个阶段设置大量参数。使用参数模型的优点是参数很容易适应不同国家的可用数据，并可以根据这些数据随时间的演变进行修改。

为了使参数值适用于一个国家，将全球国家分组，使此组参数值最能描述其特征。每个国家都有一个代码，对于这个代码的国家使用参数的平均值来计算冷链的CO2排放量。这些参数值是通过咨询国际制冷学会和炎热国家冷链工作组的许多专家和查阅科学文献来估算的。当然该算法主要依赖于冷链每个阶段和每个国家的这些参数的精确值。当这些精确值不可获取时才估算默认值。例如，表2 中“CO2代码”用于定义4 组国家发电产生的CO2排放量，每千瓦时发电量的当量CO2排放量为E。

表2 CO2代码的定义

例如，某国家的CO2代码“1”意味着它的发电是高度脱碳，代表此国家基本上基于可再生能源或核能。与冷链每个阶段或每个国家发展水平相对应的其他代码也已定义。

3 冷链的情景化研究

本文将当前全球冷链与“改进”冷链两者的CO2排放量进行比较，“改进”冷链是通过扩大冷链覆盖范围并提高其能源和环境性能而实现的。

当前冷链是与制冷设备使用量相对应的，制冷设备量可以使2017年的食品冷藏量能够保持在813 Mt 左右。

由于更广泛的冷藏覆盖范围和更多的制冷设备，使得冷链涉及范围更广泛，这样可以大量减少因缺乏冷藏造成的食品损失。然而，拥有更广泛和更高效冷链的发达国家[3]，由于不完善的温度控制等其他原因，也产生了明显的食品损失。因此，在实践中建立一个完全消除食品损失的冷链似乎不现实。

这种改进的冷链方案应考虑一些更现实的情景，即所有国家的冷链都达到与发达国家现有的设备和性能相同水平。由于缺乏冷藏而导致的全球食物损失将减少，但不会为零。还应注意的是，在冷藏运输阶段，冷藏运输车辆柴油消耗量的20%用于冷藏所运输的食品[12-13]，其余80%的消耗不归因于冷链，因此食品的运输，无论是否冷藏，都涉及燃料消耗。

4 当今冷链

4.1 与缺乏冷藏导致食品损失相关的CO2排放

据估计，由于当前冷链覆盖范围不够，2017年的全球食品损失约为526 Mt。根据本研究开发的模型计算，这些损失相当于1,004 Mt·CO2-eq 排放，这些排放与补偿这些损失所需的额外粮食生产相对应。

4.2 与当今冷链设备相关的CO2排放

2017年约有813 Mt 的食品需要被冷藏，本模型以此为基础，得出世界制冷设备使用量和总电力消耗的值。

表3 当今全球冷链的典型参数

基于上述数值，目前的冷链设备估计要向大气中排放261 Mt·CO2-eq。根据联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）给出的地理分布（左纵轴）和相应的累计百分比（右纵轴）。图2所示为世界各地冷链设备的CO2排放量水平。仅东亚、北美、东欧和西欧就占了总排放量的65%。横坐标1～22 分别代表东亚、北美洲、东欧、西欧、西亚、南欧、南亚、南美洲、东南亚、北欧、北非、中美洲、澳大利亚和新西兰、西非、南非、东非、加勒比地区、中亚、中美洲、美拉尼西亚、波利尼西亚和密克罗尼西亚。

图2 全球各地区冷链设备的CO2排放量

此外，不同的冷链阶段 CO2排放量占比不同，最终消费者阶段CO2排放量占比最大，占冷链全球CO2排放量的43%，如图3所示。

图3 全球冷链各阶段的CO2总排放量

还需要注意的是，在当前冷链中，大部分CO2的排放量来自制冷设备的电力消耗，这种消耗占排放总量的60%，冷藏运输用制冷剂和柴油CO2排放量则分别占22%和18%（图4）。

图4 全球冷链CO2排放源的占比

当前冷链产生的CO2排放总量等于由于缺乏冷藏而产生食品损失形成的CO2排放总量（1,004 Mt·CO2-eq）与冷链设备形成的 CO2排放总量（261 Mt·CO2-eq）之和。因此，当今全球冷链的碳排放总量为1,265 Mt·CO2-eq。

5 “改进”冷链

本文“改进”冷链可以减少世界上所有国家由于缺乏冷藏而导致的食品损失，以及提升发达国家现有制冷设备性能。这一假设体现在模型中，即对所有国家采用：1）通过相应增加每个居民的制冷设备数量，使冷链的覆盖率达到发达国家相同的水平；2）具有与发达国家相同性能水平的制冷设备使用量，提高制冷设备的能效，并使用相同的低GWP 制冷剂。

冷链特性的改进会产生如下结果：1）增加冷藏食品的数量；2）减少由于缺乏冷藏设备而造成的全球食品损失；3）减少由于食品损失造成的CO2排放量。

5.1 缺乏冷藏造成的食物损耗有关的CO2的排放

假设所有国家的冷链都与发达国家水平相同，可以得到关于食品生产和损耗的结果，如表4所示。由表4 可知，由于扩大了制冷覆盖范围，与食品损失相关的CO2排放量大幅减少。改进冷链使得这些排放量从 1,004 Mt·CO2-eq 减少到 76 Mt·CO2-eq，减少了92%。

表4 “改进”冷链所对应的食物损耗和CO2排放量

CO2排放量的大幅减少是由于改进冷链提高了肉类的冷藏覆盖率，将所有国家提高到发达国家的水平，认为在模型中覆盖率数值是100%。说明对于所有国家而言，有了改进的冷链，不会因为缺乏冷藏而造成肉类损耗。

由于肉类生产的碳足迹非常高，这在一定程度上解释了改进冷链中缺乏冷藏导致的食物损耗的CO2排放量急剧下降的原因。

5.2 与改进后的冷链设备相关的CO2排放

表5所示为全球冷链达到发达国家水平的全球制冷设备使用量的特点，以及与这些制冷设备有关的CO2排放量。

表5 当今和改进后的全球冷链特征值的比较

“改进”冷链的CO2排放总量等于因缺乏冷藏而造成的粮食损耗所对应的CO2排放量（76 Mt·CO2-eq）与冷链设备造成的CO2排放量（589 Mt·CO2-eq）之和。因此，改进冷链的CO2排放总量为665 Mt·CO2-eq。而当今冷链的CO2排放总量预估为1,265 Mt·CO2-eq，这相当于减少了47%的CO2排放总量。

6 成果概述

表6所示为本研究获得的主要结果。计算结果表明，“改进”冷链将制冷设备的CO2排放量从261 Mt·CO2-eq 增加到 589 Mt·CO2-eq，增加了126%，主要原因在于制冷设备使用量增加。“改进”冷链可以避免粮食损耗290 Mt，占到当前冷链中粮食损耗的55%。除了减少粮食损耗外，改进后的冷链还将使当前冷链的碳足迹减少 600 Mt·CO2-eq，占比47%。

表6 研究结果

综上所述，发达国家仍有优化当前冷链的潜力，特别是通过改进制冷设备的温度管理、能效以及减少所用制冷剂（降低 GWP 以及防止泄漏）。这个优化如果在全球范围内实施，将有可能进一步减少冷链的CO2排放量。

7 国际制冷学会建议

本文研究使当今全球冷链与改进冷链进行比较成为可能，通过扩展冷链覆盖范围并使其达到发达国家现有水平，即每个居民可用制冷设备数量相同，制冷设备和使用的制冷剂的能效相同。

研究结果说明这种“改进”冷链可以达到良好效果的可行性：1）食品损失显著减少，保证了食品质量安全；2）通过减少CO2排放来缓解全球变暖。

基于本文的研究，国际制冷学会提出如下建议：1）提高政府当局和决策人对扩展和改进当前食品冷链的认知，并积极采取行动；2）必须实施更广泛和高效的冷链部署政策，以减少食品生产和分销造成的温室气体排放和营养损失；3）国家应优先考虑冷链在对抗气化变化中做出的贡献，并应提前预备应对全球变化所需的国际资金；4）结合疫苗等生物、保健制品的保存技术来改进冷链，这将对冷链的提升产生更强的引导作用；5）要使发展中国家的制冷设备性能达到发达国家的水平，可能需要同时发展公路、铁路和电力等基础设施。没有电网覆盖的偏远地区可考虑采用太阳能制冷等解决方案。