基于LCA理論的典型飲品咖啡碳排放足跡分析研究

張子華 萬緒同 楊雪 潘詩悅 張林杰 郭文嘉

(北京工業大學材料與制造學部，北京 100124)

2020年9月我國提出在2030年前實現“碳達峰”，在2060年前實現“碳中和”。在此大背景下，調查產品碳足跡可以為實現“雙碳”目標貢獻一份力量。咖啡作為人們日常的飲品之一，在生產、加工、飲用等一系列過程中有著不少的碳排放。隨著人口的不斷增多，經濟高速發展，在不久的將來，咖啡的需求量將會越來越多，對1杯咖啡全生命周期過程碳排放量的研究，為食品類的碳排放測算提供了重要依據，為降低餐飲業的碳排放策略制定及實施提供決策支持。

目前國內已經有許多全生命周期碳排放相關論文，其中大部分論文都是用碳排放因子法對產品開展研究。碳排放因子法的研究較為成熟，也有非常多的案例可供參考[8,16]。除了碳排放因子法以外，還有質量平衡法[8,16]、實際檢測法[8,16]可以用來研究產品全生命周期碳排放。

本文采用產品全生命周期碳排放研究方法。結合相關咖啡研究論文數據，對咖啡進行生命周期評估。參照相關文獻[1,2,4,5,7]，用碳排放因子法核算1杯咖啡從加工到使用再到回收中的碳排放，梳理1杯咖啡全生命周期碳排放研究的思路步驟。

1 1杯咖啡全生命周期碳排放計算方法

1.1 系統邊界的界定

在本文研究過程中，將1杯咖啡的全生命周期分為4個階段：運輸階段，加工階段，使用階段，回收階段；每個階段均有碳排放的產生。將4個階段進行細化研究，流程如圖1所示。

圖1 1杯咖啡的全生命周期流程圖

1.2 碳排放核算模型

目前已知的碳排放的量化方法有碳排放因子法[1,2]、質量平衡法[7]和實際測量法[7]。考慮到咖啡的生命周期過程復雜，且不易被測量，因此采用碳排放因子法。碳排放因子，即碳排放系數，是指每1種能源燃燒或使用過程中單位能源所產生的碳排放數量[1,7]。根據IPCC(聯合國政府間氣候變化專門委員會)的假定,可以認為某種能源的碳排放系數是固定不變的。組織溫室氣體排放主要包括CO2、CH4、N2O。因此本文將以CO2作為1杯咖啡的碳排放核算對象，采用CO2當量的方法[1]核算CH4、N2O總量即在輻射強度上與某種溫室氣體質量相當的二氧化碳的量(tCO2e)。為了衡量不同溫室氣體對溫室效應的影響，聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)以二氧化碳輻射功能為1單位，得到了不同溫室氣體的全球升溫潛勢值(GWP：Global Warming Potential)。碳排放因子法公式：

E=AD×EF

(1)

式中,E為碳排放量；AD為核算期內生產過程中化石燃料的消耗量、原材料的使用量及購入或輸出的電量；EF為碳排放因子，即碳排放系數，可由碳審計工具箱獲取數據。

本文研究1杯咖啡的碳排放足跡，每個階段都研究一定量的咖啡豆質量，按1杯咖啡20g咖啡豆，用每個階段總咖啡豆質量除以20，可以得出該階段研究的咖啡豆質量能夠制出咖啡的杯數，就可以計算出當前階段一杯咖啡的碳排放量。公式：

(2)

(3)

EPi=ki×E

(4)

Esum=∑EPi

(5)

式中，Ni為第i階段的研究的咖啡豆總質量能做出的咖啡的杯數(i=1，2，3，4，……,n)；Mi為第i階段下研究的咖啡豆的總質量；ki為第i階段的研究的咖啡豆總質量能做出的咖啡的杯數的倒數用于計算1杯咖啡的碳排放量；EPi為1杯咖啡在第i個階段的碳排放量；Esum為1杯咖啡全生命周期碳排放量。

1.2.1 運輸階段排放核算

運輸階段主要分為原材料運輸和加工產品運輸，其主要運輸方式分別為海路運輸和公路運輸，運輸階段碳足跡主要是運輸工具等設備化石燃料燃燒產生的碳排放，涉及的能源主要有柴油、汽油、航空煤油等。因此，依據運輸咖啡原材料貨船的發動機功率和發動機的燃油消耗率以及貨船行駛時間等參數，即可算出相應的燃油消耗量；公路運輸則是根據貨車的發動機功率和發動機的燃油消耗率以及貨車行駛時間，計算對應的燃油消耗量；海運貨船以柴油燃料為主，公路運輸的貨車則以汽油為主，二者在核算排放量時要注意區別不同燃料碳排放因子的不同。將燃油消耗量與其相對應的碳排放因子相乘，得到該階段的碳排放量估算值。公式：

xfuel-j=Pe×η×T

(6)

EGHG-i，fuel-j=xfuel-j×EFGHG-i，fuel-j

(7)

式中，xfuel-j為燃料j消耗量；Pe為特定發動機的額定功率；η為特定發動機燃油消耗率；T為特定發動機運行時間；EGHG-i，fuel-j為j燃料燃燒產生的溫室氣體碳排放量；EFGHG-i，fuel-j為燃燒特定燃料j的碳排放系數。

1.2.2 加工階段排放核算

加工環節碳足跡核算主要涉及咖啡制作加工過程的幾個步驟，步驟涉及烘焙、打磨、沖泡等過程。

其中，烘焙工藝過程需要用到高溫加熱。根據現階段的調查研究顯示目前烘焙過程仍然用傳統的密閉容器用火加熱的辦法烘焙咖啡豆[9]，烘焙過程碳足跡核算采用比熱容以及溫度變化求熱量的方法。本文中烘焙過程碳足跡核算所使用的公式：

(8)

Mcoal=Q×K

(9)

EGHG，coal=Mcoal×EFcoal

(10)

而打磨和沖泡可以由咖啡機實現，可以通過咖啡機的電功率以及制作1杯咖啡所需要的工作時間得到咖啡機的電能消耗，并將電能消耗折算為火力發電標準煤消耗，進而由標準煤的碳排放因子和折算得到的標準煤質量計算碳排放量。計算公式：

EA=P×T

(11)

Mcoal=EA×K

(12)

EGHG，coal=Mcoal×EFcoal

(13)

式中，EA為咖啡機消耗的電能；P為咖啡機額定功率(其余物理量與上述物理量相同，故此處不再標注)。

1.2.3 使用階段排放核算

使用階段的研究數據來源于咖啡提供給人的熱量[1]，經查詢IPCC官網資料[15]，得到咖啡的二氧化碳排放系數。給出的咖啡碳排放系數為，再根據已有公式來計算咖啡的碳排放，公式：

(14)

式中，ECO2-eq,food為由食物j熱值提供的二氧化碳當量；mfood-j為食物j總質量；SCVfood-j為特定食物j的具體熱值；EFCO2-eq,food-j為特定食物j的二氧化碳當量排放系數。

1.2.4 回收階段排放核算

1杯咖啡全生命周期回收環節主要是對產品包裝生產及回收利用過程進行碳排放核算，目前市面上咖啡的包裝有紙質包裝、金屬包裝以及塑料包裝[1]，其中紙質包裝和金屬包裝為可回收的產品包裝。因此，針對2種包裝使用方式的不同，將其分為一次性使用和循環回收利用，從而在核算相應的碳排放量時亦有所不同，在本文研究過程中將二者分開計算，可以看出產品包裝回收利用與一次性利用的碳排放。從而可根據排放差值和回收成本，找到最經濟環保的咖啡包裝原材料。相應的計算公式：

(15)

式中，EGHG-j,raw為咖啡包裝原材料以及生產加工產生的碳排放量；mraw-j為已消耗原材料j的量；EFGHG-i,raw-j為對應材料的碳排放系數(循環使用和一次性使用數據值不同)。

2 案例分析

2.1 數據獲取與處理

由上文1杯咖啡全生命周期碳排放核算方法可知，1杯咖啡全生命周期的碳排放核算需要獲取燃油、標準煤、發動機功率、燃油消耗率等數據。本文研究案例為國內咖啡生產運輸實例，因此不涉及海運方面碳排放核算。

確定發動機功率以及燃油消耗率、燃油密度、貨車載重量、1杯咖啡消耗咖啡豆質量以及咖啡豆提供的熱值。本文以用濰柴3.0貨車從咖啡種植地普洱市思茅區天鵝山咖啡種植場到咖啡加工地點普洱市雀巢咖啡中心運輸原材料為例[17]。模擬出以下數據，見表1。

確定烘焙溫度、咖啡豆比熱容、烘焙時間、咖啡機額定電功率、咖啡機制作1杯咖啡工作時間以及包裝消耗原材料的質量。本文以飛利浦咖啡機(型號：EP5144/82)為例，生產1杯咖啡大約為225mL，需要20g咖啡豆。模擬出數據見表2。

表1 運輸階段數據模擬值以及碳排放系數

表2 加工階段數據模擬值與所需碳排放系數

確定直接排放中燃油碳排放系數、咖啡豆熱值對應的碳排放系數。數據由碳審計工具箱[1]和國際IPCC官網[15]查詢得到，見表3。

確定消耗能量折算標準煤系數、折算得到的標準煤的碳排放系數、包裝原材料循環使用與一次使用的碳排放系數。本文以咖啡紙質包裝袋為例研究咖啡豆包裝材料循環使用與一次使用碳排放差異，以此得到減少碳排放的方法。具體數值通過查詢百度百科和碳審計工具箱[1]得來，數據見表4。

表3 使用階段數據模擬值以及碳排放系數

表4 回收階段數據模擬值與排放系數

2.2 運輸階段碳排放量計算

已知發動機功率為96kW，燃油消耗率為204g·kWh-1，行駛時間為1.28h,根據式(6)、式(7)計算得到燃油消耗量，再根據汽油密度和汽油碳排放系數與燃油消耗量相乘得到碳排放量。

xfuel-汽油=96×204×1.28=25067.52g

再根據貨車運貨量3t和20g豆由式(2)和式(3)得到第1個階段,即運輸階段1杯咖啡的物質占總質量的比例k1=6.7×10-8，再通過k1由式(4)與EGHG,fuel-汽油相乘得到1杯咖啡在運輸階段的碳排放量。

2.3 加工階段碳排放計算

2.3.1 烘焙環節碳排放計算

已知烘焙溫度為220℃，按室溫26℃(溫度與季節地理位置有關，會影響碳排放量)計算則Δt=194k與咖啡比熱容，約為1.4kJ·kg-1和質量20g,根據式(8)加號前的部分經運算得到由26℃上升至220℃的熱量為5.43kJ。根據實驗測得由26℃加熱至220℃需要8min，故不加熱情況下無其他因素干擾則8min內溫度冷卻至室溫，用已求得的熱量5.43kJ，除以8min得到平均每分鐘散失熱量為0.679kJ。達到220℃后再經過15min即可完成對咖啡豆的烘焙環節，則根據式(8)加號后的部分經運算得到保持溫度加熱所需熱量為10.18kJ，將兩部分得數相加得到烘焙環節的熱量。

再用已知的消耗能量折算標準煤系數29.3kJ·g-1與上文算得的熱量Q=15.61kJ,由式(9)得到折算標準煤質量，并用折算得到的標準煤質量與標準煤碳排放系數由式(10)得到烘焙環節的碳排放量,即1杯咖啡烘焙環節的碳排放量。

EpGHG，coal-烘焙=EGHG，coal-烘焙=0.53×0.68=0.36g

2.3.2 研磨、沖泡環節即咖啡機工作產生碳排放計算

已知咖啡機的額定電功率為1400W,工作時間為20s，由式(11)得到咖啡機制作一杯225mL咖啡需要消耗的電能。根據已知的消耗能量折算標準煤系數29.3kJ·g-1與消耗電能由式(12)得到折算標準煤質量。用折算得到的標準煤質量與標準煤碳排放系數由式(13)得到研磨、沖泡環節的碳排放量,即1杯咖啡研磨、沖泡環節的碳排放量。

EA=1400×20=28000J=28kJ

EpGHG，coal-咖啡機=EGHG，coal-咖啡機=0.96×0.68=0.65g

2.4 使用階段碳排放量計算

已知咖啡豆提供的熱值為313kcal·100g-1(3.13kcal·g-1)和咖啡豆碳排放系數0.98gCO2·kcal-1以及質量20g經過質量換算，再根據式(14)計算得到ECO2-eq,coffee：

ECO2-eq,food=3.13×0.98×20=61.35g

2.5 回收階段碳排放計算

2.5.1 循環使用包裝材料碳排放計算

用已知咖啡紙質包裝材料質量50g與紙質包裝——循環使用的碳排放系數，由式(16)求出循環使用咖啡紙質包裝材料的碳排放量。由于該包裝下咖啡豆凈含量為200g，而本文以制作1杯咖啡消耗20g咖啡豆為標準。因此，要用式(2)、式(3)、式(4)得出1杯咖啡在回收階段——循環使用包裝材料的碳排放量。

EGHG-paper，循環使用=50×0.78=39.00g

EpGHG-paper，循環使用=39×0.10=3.90g

2.5.2 回收階段——一次使用包裝材料碳排放計算

與循環使用包裝材料碳排放計算方法相同，需要將紙質包裝——一次使用的碳排放系數，再由式(15)、式(2)、式(3)、式(4)計算得到1杯咖啡在回收階段——一次使用包裝材料的碳排放量。

3 結論

3.1 碳排放計算總結

經過1杯咖啡全生命周期的碳排放計算，得出1杯咖啡全生命周期的各個階段碳排放量。將每個部分計算結果通過式(5)加和得到一杯咖啡(約225mL)全生命周期碳排放量，因為回收階段不同包裝材料選擇，所以分為2種最終計算結果。

Esum，循環使用=0.60+61.35+0.36+0.65+3.90=66.86g

Esum，一次使用=0.60+61.35+0.36+0.65+7.75=70.71g

針對上述結果，提出一些減少咖啡碳排放的方法，如，用加工結束后剩余的咖啡渣再次提純或將其用作燃料[3]來減少1杯咖啡的碳排放量。咖啡中可以加入牛奶、糖、咖啡伴侶等一些用于增加咖啡的味道、口感的食品，添加這食品也會增加碳排放量。本文沒有對這種情況進行研究分析，因此在今后的研究中可以研究更多不同類型的咖啡的全生命周期碳排放，進而充實咖啡方面的碳排放數據。

3.2 結語

本文基于生命周期評價原理，采用碳排放因子法研究1杯咖啡全生命周期碳排放量，詳細分析了1杯咖啡全生命周期的系統邊界，并給出了各階段碳足跡核算模型，對于食品類全生命周期碳足跡提供了重要參考依據。研究結果表明：1杯咖啡全生命周期碳排放量中的碳排放主要來源于使用階段，其次是回收階段，然后是加工階段，運輸階段的碳排放量最小。按本文算法估計1杯咖啡(無其余物質如牛奶、糖等物質干擾下)全生命周期碳排放量在考慮多種因素影響下大約在60～80g。根據本文的研究結果與文獻調查，為飲食類全生命周期碳排放核算提供參考依據，為餐飲業節能減排貢獻力量。如，使用可回收包裝材制；將咖啡加工階段留下的咖啡豆固體殘渣經再提純制咖啡；種植可持續的咖啡等一系列辦法減少1杯咖啡全生命周期的碳排放量，從而為推動“雙碳”目標的實現貢獻一份微薄的力量。