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，法國巴黎 91190；2-國際制冷學會科技信息部，法國巴黎 75017；3-法國冷藏協會，法國巴黎91790）

王云鵬**，張曉寧，趙國君（譯）

（中國制冷學會，北京 100142）

0 引言

當今全球有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量與質量，無疑是當今世界的重大挑戰之一，這對全球經濟、社會和生態系統平衡具有潛在影響。

溫度是影響易腐食品安全以及質量的主要因素[2]。為了防止病原體的生長，并保持食品的營養成分與感官特性，人類消費的部分產品從生產到消費的所有階段都必須冷藏。通過使用制冷系統，這些食品的溫度在整個供應鏈中得到了必要控制。為將食品保持在所需溫度而實施的一系列應用制冷技術的操作稱為冷鏈[3]。

在之前的一份簡報[4]中，國際制冷學會指出，2013年，超過1,661 Mt 食品應使用冷鏈，結果只有778 Mt（47%）使用了冷鏈，造成的食品損耗約占人類消費的農產品產量的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。該簡報還指出，冷鏈能減少冷藏覆蓋范圍不足（或“缺乏制冷技術”）造成的食品損耗，節省量達到475 Mt，節省量理論上每年可供9.5 億人食用[4]。

根據聯合國糧食及農業組織2017年的數據（迄今為止可獲得的最新數據），使用相同的計算方法，對上述簡報中提供的結果進行更新，結果顯示可節省526 Mt 食品，如表1所示。

表1 2017年全球冷藏食品情況

因此，擴展當前的冷鏈規模可以讓人們更好利用所生產的食品，并限制為彌補這些損耗而增加農業生產的需求，從而減少農業活動對環境的負面影響。聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）2019年的一份報告指出，農業、林業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業生產有關的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產生CO2排放，更重要的是造成能源消耗[6]。此外，冷凍冷藏食品運輸車輛的燃料消耗是新增的CO2排放源。

因此，與冷鏈相關的CO2總排放量包含以下幾項：1）冷鏈設備自身排放量；2）由于現有冷鏈對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”。

本文首先對碳足跡建立模型，如所有國家當前冷鏈所產生的當量CO2排放量；并基于CO2排放量，研究“改進”冷鏈、提升由于缺乏制冷而導致食品損失的效益，并且其效率更高。“改進”冷鏈主要在于擴展冷鏈覆蓋范圍，如使用更多的制冷設備，但是也具有更好的能源和環保性能。下面將針對此項假設進行詳細說明。

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

這里需要回答一個重要問題：“改進”冷鏈所產生的額外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

冷鏈是在上游生產者和最終消費者之間對冷藏食品進行不間斷控溫運輸和儲存的系統，旨在保持這些食品的品質安全[7-8]。圖1所示為典型冷鏈過程。

圖1 典型冷鏈過程

冷鏈包括5 個階段：1）預冷階段，對應于食品的第一次冷卻，例如發生在農產品剛采收后冷卻；2）冷藏運輸階段，對應于冷卻冷凍食品在最佳溫度條件下的運輸，冷藏運輸在冷鏈過程中可能發生多次；3）冷藏存儲階段，這對應的是冷卻冷凍食品的儲存階段；與運輸階段一樣，冷藏可以在冷鏈過程中發生多次；4）零售階段，這一階段對應于冷卻冷凍食品在超市和其他銷售網點配送；5）最終消費者階段，這是食品在最終消費者的冰箱/冰柜中冷藏的階段。

2 CO2排放量模型

2.1 制冷設備數據

對冷鏈CO2排放量進行建模，需要對整個冷鏈中使用的制冷設備進行評估，包括以下參數：1）冷藏運輸車輛數量；2）冷庫容量；3）超市冷藏展示柜的長度；4）家用冰箱和冰柜的數量。

本文根據冷藏食品的數量來估算冷藏設備的存量。根據聯合國糧食及農業組織2017年的數據估算，全球冷藏食品量約為813 Mt[9]。由于每個國家都有這些數據，因此可以估算每個國家的制冷設備使用量。模型中考慮的食品有肉、奶、魚、水果、蔬菜和塊莖。關于模型相關的假設和計算方法來源于文獻[10]。

2.2 建模原則

冷鏈中制冷設備產生的CO2排放來自以下幾個方面：1）耗電量，即制冷設備用來冷卻食品而消耗的電能生產是排放到大氣中CO2的來源；消耗電能（kW·h）所產生的CO2當量取決于用于生產電能的一次能源（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），釋放到大氣中導致CO2的排放；3）冷藏運輸車輛的柴油消耗量，驅動車輛和制冷裝置的發動機并使運輸食品保持低溫所排放的CO2。

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

因此，冷鏈中制冷設備CO2排放量的計算方法：1）估算每個國家當前需要冷藏的食品數量；2）估算冷鏈各階段的制冷設備使用量；3）計算與制冷設備相關的CO2排放量。

2.3 計算CO2排放量的原則

對世界各國冷鏈中制冷設備的CO2排放量進行了建模。這些排放量的計算基于求解器（即計算軟件）中執行的一組方程式[10]。

通過方程式對冷鏈的CO2排放量進行建模，需要對每個國家和冷鏈的每個階段設置大量參數。使用參數模型的優點是參數很容易適應不同國家的可用數據，并可以根據這些數據隨時間的演變進行修改。

為了使參數值適用于一個國家，將全球國家分組，使此組參數值最能描述其特征。每個國家都有一個代碼，對于這個代碼的國家使用參數的平均值來計算冷鏈的CO2排放量。這些參數值是通過咨詢國際制冷學會和炎熱國家冷鏈工作組的許多專家和查閱科學文獻來估算的。當然該算法主要依賴于冷鏈每個階段和每個國家的這些參數的精確值。當這些精確值不可獲取時才估算默認值。例如，表2 中“CO2代碼”用于定義4 組國家發電產生的CO2排放量，每千瓦時發電量的當量CO2排放量為E。

表2 CO2代碼的定義

例如，某國家的CO2代碼“1”意味著它的發電是高度脫碳，代表此國家基本上基于可再生能源或核能。與冷鏈每個階段或每個國家發展水平相對應的其他代碼也已定義。

3 冷鏈的情景化研究

本文將當前全球冷鏈與“改進”冷鏈兩者的CO2排放量進行比較，“改進”冷鏈是通過擴大冷鏈覆蓋范圍并提高其能源和環境性能而實現的。

當前冷鏈是與制冷設備使用量相對應的，制冷設備量可以使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達國家[3]，由于不完善的溫度控制等其他原因，也產生了明顯的食品損失。因此，在實踐中建立一個完全消除食品損失的冷鏈似乎不現實。

這種改進的冷鏈方案應考慮一些更現實的情景，即所有國家的冷鏈都達到與發達國家現有的設備和性能相同水平。由于缺乏冷藏而導致的全球食物損失將減少，但不會為零。還應注意的是，在冷藏運輸階段，冷藏運輸車輛柴油消耗量的20%用于冷藏所運輸的食品[12-13]，其余80%的消耗不歸因于冷鏈，因此食品的運輸，無論是否冷藏，都涉及燃料消耗。

4 當今冷鏈

4.1 與缺乏冷藏導致食品損失相關的CO2排放

據估計，由于當前冷鏈覆蓋范圍不夠，2017年的全球食品損失約為526 Mt。根據本研究開發的模型計算，這些損失相當于1,004 Mt·CO2-eq 排放，這些排放與補償這些損失所需的額外糧食生產相對應。

4.2 與當今冷鏈設備相關的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，得出世界制冷設備使用量和總電力消耗的值。

表3 當今全球冷鏈的典型參數

基于上述數值，目前的冷鏈設備估計要向大氣中排放261 Mt·CO2-eq。根據聯合國糧食及農業組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）給出的地理分布（左縱軸）和相應的累計百分比（右縱軸）。圖2所示為世界各地冷鏈設備的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、中亞、中美洲、美拉尼西亞、波利尼西亞和密克羅尼西亞。

圖2 全球各地區冷鏈設備的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，在當前冷鏈中，大部分CO2的排放量來自制冷設備的電力消耗，這種消耗占排放總量的60%，冷藏運輸用制冷劑和柴油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

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

5 “改進”冷鏈

本文“改進”冷鏈可以減少世界上所有國家由于缺乏冷藏而導致的食品損失，以及提升發達國家現有制冷設備性能。這一假設體現在模型中，即對所有國家采用：1）通過相應增加每個居民的制冷設備數量，使冷鏈的覆蓋率達到發達國家相同的水平；2）具有與發達國家相同性能水平的制冷設備使用量，提高制冷設備的能效，并使用相同的低GWP 制冷劑。

冷鏈特性的改進會產生如下結果：1）增加冷藏食品的數量；2）減少由于缺乏冷藏設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的CO2的排放

假設所有國家的冷鏈都與發達國家水平相同，可以得到關于食品生產和損耗的結果，如表4所示。由表4 可知，由于擴大了制冷覆蓋范圍，與食品損失相關的CO2排放量大幅減少。改進冷鏈使得這些排放量從 1,004 Mt·CO2-eq 減少到 76 Mt·CO2-eq，減少了92%。

表4 “改進”冷鏈所對應的食物損耗和CO2排放量

CO2排放量的大幅減少是由于改進冷鏈提高了肉類的冷藏覆蓋率，將所有國家提高到發達國家的水平，認為在模型中覆蓋率數值是100%。說明對于所有國家而言，有了改進的冷鏈，不會因為缺乏冷藏而造成肉類損耗。

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

5.2 與改進后的冷鏈設備相關的CO2排放

表5所示為全球冷鏈達到發達國家水平的全球制冷設備使用量的特點，以及與這些制冷設備有關的CO2排放量。

表5 當今和改進后的全球冷鏈特征值的比較

“改進”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應的CO2排放量（76 Mt·CO2-eq）與冷鏈設備造成的CO2排放量（589 Mt·CO2-eq）之和。因此，改進冷鏈的CO2排放總量為665 Mt·CO2-eq。而當今冷鏈的CO2排放總量預估為1,265 Mt·CO2-eq，這相當于減少了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果。計算結果表明，“改進”冷鏈將制冷設備的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備使用量增加。“改進”冷鏈可以避免糧食損耗290 Mt，占到當前冷鏈中糧食損耗的55%。除了減少糧食損耗外，改進后的冷鏈還將使當前冷鏈的碳足跡減少 600 Mt·CO2-eq，占比47%。

表6 研究結果

綜上所述，發達國家仍有優化當前冷鏈的潛力，特別是通過改進制冷設備的溫度管理、能效以及減少所用制冷劑（降低 GWP 以及防止泄漏）。這個優化如果在全球范圍內實施，將有可能進一步減少冷鏈的CO2排放量。

7 國際制冷學會建議

本文研究使當今全球冷鏈與改進冷鏈進行比較成為可能，通過擴展冷鏈覆蓋范圍并使其達到發達國家現有水平，即每個居民可用制冷設備數量相同，制冷設備和使用的制冷劑的能效相同。

研究結果說明這種“改進”冷鏈可以達到良好效果的可行性：1）食品損失顯著減少，保證了食品質量安全；2）通過減少CO2排放來緩解全球變暖。

基于本文的研究，國際制冷學會提出如下建議：1）提高政府當局和決策人對擴展和改進當前食品冷鏈的認知，并積極采取行動；2）必須實施更廣泛和高效的冷鏈部署政策，以減少食品生產和分銷造成的溫室氣體排放和營養損失；3）國家應優先考慮冷鏈在對抗氣化變化中做出的貢獻，并應提前預備應對全球變化所需的國際資金；4）結合疫苗等生物、保健制品的保存技術來改進冷鏈，這將對冷鏈的提升產生更強的引導作用；5）要使發展中國家的制冷設備性能達到發達國家的水平，可能需要同時發展公路、鐵路和電力等基礎設施。沒有電網覆蓋的偏遠地區可考慮采用太陽能制冷等解決方案。