鋼鐵行業(yè)運輸環(huán)節(jié)碳減排情景分析與評價研究

引用格式：蒲剛清,劉貞, 呂指臣,等.鋼鐵行業(yè)運輸環(huán)節(jié)碳減排情景分析與評價研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報:社會科學(xué)，2015(7):37-42.

Citation format：PU Gang-qing, LIU Zhen, LYU Zhi-chen,et al.Scenes Analysis and Evaluation on Carbon Emission Reduction of Iron & Steel Transportation[J].Journal of Chongqing University of Technology:Social Science,2015(7):37-42.

鋼鐵行業(yè)運輸環(huán)節(jié)碳減排情景分析與評價研究

蒲剛清a, 劉貞a,b, 呂指臣b,朱開偉b

(重慶理工大學(xué)a.機械工程學(xué)院； b管理學(xué)院，重慶400054)

摘要：我國鋼鐵行業(yè)碳排放量約為全國碳排放總量的15%，而運輸耗能約占物流環(huán)節(jié)總耗能的5/6。實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)中運輸環(huán)節(jié)的節(jié)能減排，成為實現(xiàn)我國碳排放總量目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。研究鋼鐵行業(yè)中運輸環(huán)節(jié)的碳排放總量與不同碳減排途徑及其組合在不同情境下的碳減排潛力，提出基于運輸環(huán)節(jié)碳排放影響因素的碳排放總量測量模型、基于不同減排途徑的低碳化分析模型及基于不同途徑水平的情景仿真模型。與傳統(tǒng)的累計模型不同，低碳化分析模型考慮碳減排途徑間的相互影響作用，采用累積形式對減排途徑組合進行分析與評價。最終以重慶某鋼鐵集團20萬噸船用鋼材作為案例進行情景仿真分析與評價，研究表明：在現(xiàn)有的運輸條件下，可通過改變車輛運輸方式直接實現(xiàn)0.7到3.9個百分點的碳減排；甩掛運輸與混合動力系統(tǒng)改造，可作為優(yōu)先發(fā)展技術(shù)，減排效果可達到30%；通過情景仿真分析得知，提高減排途徑水平，減排效果將進一步增強。

關(guān)鍵詞：碳排放測量；碳減排潛力；動態(tài)與靜態(tài)情景分析；鋼鐵運輸

收稿日期：2014-11-30

基金項目：國家自然科學(xué)

作者簡介：蒲剛清(1991—), 男, 四川眉山人, 碩士研究生, 研究方向: 低碳經(jīng)濟發(fā)展與低碳城市建設(shè)；劉貞(1973—)，男，河南駐馬店人，教授，博士，研究方向：低碳發(fā)展，可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(s).2015.07.006

中圖分類號：C931.2

Scenes Analysis and Evaluation on Carbon Emission

Reduction of Iron & Steel Transportation

PU Gang-qinga, LIU Zhena,b, LYU Zhi-chenb, ZHU Kai-weib

(a.College of Mechanical Engineering; b.College of Management,

Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:In China, the carbon emission of the Iron & Steel Industry is about 15% of the total quantity. Meanwhile, the energy consumption in the transport chain of logistics is about 5/6 of the total energy consumption. Therefore, it’s important to decline the energy consumption in the transport chain of logistics for the national carbon emissions targets. In order to measure the total quantity and the reduction potential of the carbon emission and to analysis the upper and lower limit for the carbon reduction. I built some models: the carbon emissions measurement model based on the influential factors in the transport, the low-carbon path analysis model based on the different low-carbon paths and the simulation model based on different technology levels. Being different from the traditional accumulation model, the analysis model used multiplication way to analyze and evaluate the carbon reduction of paths combination. Finally, the models was used on the 200 thousands tons ship steel of one Iron & Steel company in Chongqing to analyze and evaluate the current carbon emissions situation, the emission reduction pathways and their reduction potential. The research conclusions: Just improve the transportation types can realize another 0.7% to 3.9% carbon emission directly. Drop and pull transport and hybrid system transformation can be the priority technology to application for the 30% emission reduction potential. Improving the technology level for the carbon emission reduction pathways and the effect will be better from the simulation results.

Key words：carbon emission calculation; carbon emission reduction potential; simulation analysis in dynamic and static; Iron & Steel transportation

一、引言

2009年9月,時任國務(wù)院總理溫家寶在聯(lián)合國氣候變化大會開幕前夕，主持召開國務(wù)院常務(wù)會議，會議決定“到2020年中國單位GDP碳排放強度比2005年下降40%～45%”[1]。2011年，我國人均碳排放雖僅為6.6噸，但碳排放總量超過88.9億噸，占全球碳排放總量的28%[2]。2009年末，物流行業(yè)被列入十大振興產(chǎn)業(yè)。物流行業(yè)在面臨歷史發(fā)展機遇的同時，也承載著空前的低碳化發(fā)展壓力。埃森哲指出物流業(yè)的碳排放主要分布于運輸耗能及倉儲中心建筑耗能兩個部分，分別占據(jù)物流碳排放量的5/6及1/6[3]；其中，能耗最嚴(yán)重的公路運輸領(lǐng)域，載貨汽車百公里油耗高出國際先進水平約30%[4]。

鋼鐵行業(yè)是我國國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和實現(xiàn)工業(yè)化的支柱產(chǎn)業(yè)，同時也是能源消耗和大氣污染物排放的大戶，是我國實現(xiàn)節(jié)能減排的重點行業(yè)。中國因處于工業(yè)化、城鎮(zhèn)化中期，鋼鐵產(chǎn)銷量巨大，行業(yè)碳排放約占全國總排放量的15%，占全球碳排放總量4.2%[5-6]?；诖?，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)運輸環(huán)節(jié)(尤其是公路運輸環(huán)節(jié))碳減排成為實現(xiàn)碳排放總量目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。

目前，低碳領(lǐng)域研究主要分為兩部分：碳總量測量及低碳途徑分析評價。何艷秋以“消費碳足跡”為基礎(chǔ)思想，以投入產(chǎn)出法為計量手段，綜合行業(yè)能源消耗的直接碳排放和中間投入品的間接碳排放，對我國各行業(yè)在碳排量劃分、成因分析與碳排放降低等方面提供參考依據(jù)[7]。劉貞等通過設(shè)計碳減排情景分析評價模型，分別從需求與技術(shù)發(fā)展角度，分析石油化工行業(yè)的碳減排潛力[8]。李亞杰指出發(fā)展低碳物流的關(guān)鍵在于低碳運輸，企業(yè)通過發(fā)展多式聯(lián)運、發(fā)展第三方物流實現(xiàn)共同配送、開展甩掛運輸?shù)?，實現(xiàn)低碳物流中的運輸?shù)吞蓟痆9]。昕安在分析日本如何能在國民經(jīng)濟低迷的同時發(fā)展低碳物流時，指出其根本原因源于日本的能源短缺與環(huán)境壓力現(xiàn)狀，而成功原因源于日本政府的扶持與法律制約并用、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與技術(shù)支撐互動、競爭與監(jiān)督機制的結(jié)合[10]。

本文在上述文獻研究基礎(chǔ)上，提出：(1)基于運輸環(huán)節(jié)碳排放影響因素，構(gòu)建碳排放量測算模型，分析不同運輸方式的碳排放現(xiàn)狀，為碳減排分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持；(2)基于運輸環(huán)節(jié)不同的低碳化途徑，考慮各途徑間的相互影響，構(gòu)建單途徑碳減排分析模型及碳減排途徑綜合分析模型，分別對其進行靜態(tài)分析與動態(tài)分析；(3)基于情景設(shè)計與分析，評價不同技術(shù)水平下各種途徑的減排效果，從而為企業(yè)管理者、行業(yè)規(guī)劃者及政府決策者制定碳減排途徑實施方案提供參考依據(jù)。最后，以重慶某鋼鐵公司20萬噸船用鋼材運輸作為情景分析案例，對模型的可行性及有效性進行驗證。

二、基于主要影響因素的碳排放總量測量模型構(gòu)建

(一)物流系統(tǒng)中影響碳排放量的因素分析

在鋼鐵行業(yè)中，涉及的運輸環(huán)節(jié)包括：原輔料的采購運輸、廠內(nèi)產(chǎn)成品的運輸及產(chǎn)成品銷售運輸3個環(huán)節(jié)。而影響其碳排放量的主要影響因素包括：交通方式的選擇和貨物的運輸距離、運輸工具的能源效率及能源的碳排放強度。

1.交通方式的選擇及貨物的運輸距離。運輸方式的不同及運輸距離，明顯影響著運輸碳排放總量。例如，鋼鐵行業(yè)采購階段主要的運輸方式包括海運、水運、公路運輸及鐵路運輸。

2.運輸工具的能源效率。能源效率原指單位能源帶來的經(jīng)濟效益，而在運輸中，指車輛等運輸工具每公里的能源消耗程度。能源效率與運輸強度、操作行為及運輸環(huán)境3個方面相關(guān)。其中運輸強度指車輛等運輸工具在每公里的運輸噸位；操作行為包括車速、油門與剎車的使用頻率等；運輸環(huán)境涉及政策規(guī)定(稅收)、自然環(huán)境及社會環(huán)境(路況)等方面。

3.能源的碳排放強度。能源的碳排放強度指單位能源消耗量的碳排放總量。運輸方式的不同，能源消耗種類也將不同。在運輸過程、運輸方式相同的前提條件下，碳排放總量因其能源選擇的不同也會產(chǎn)生差異。據(jù)《2006IPCC全球溫室氣體排放清單指引》，柴油的碳排放系數(shù)(單位：104t/104t)為0.592 1。

(二)碳排放總量測量模型構(gòu)建

基于物流系統(tǒng)中的運輸環(huán)節(jié)碳排放影響因素分析，立足鋼鐵行業(yè)，構(gòu)建其碳排放總量分析模型。圖1為運輸環(huán)節(jié)碳排放模型構(gòu)建因素分析結(jié)構(gòu)圖。

圖1　碳排放模型構(gòu)建因素分析結(jié)構(gòu)

構(gòu)建基于不同運輸方式的碳排放總量測算模型：

(1)

其中，CE代表鋼鐵行業(yè)運輸環(huán)節(jié)的總的碳排放量，CEi,j代表運輸環(huán)節(jié)中第i種運輸方式消耗第j種能源的碳排放量。CEi,j的影響因素包括運輸距離、能源效率及碳排放強度3種，構(gòu)建一級細分類型碳排放量測算模型：

(2)

其中，Di代表第i種運輸方式的運輸距離；Ei，j代表消耗第j種能源的第i種運輸方式的能源效率；Ij代表第j種能源的能源強度。而Ei，j的影響因素包括運輸強度、操作行為與運輸環(huán)境3個主要方面，而每種運輸方式的能源效率均有其標(biāo)準(zhǔn)值，3種影響因素對其產(chǎn)生相應(yīng)的偏差影響。在此限定其標(biāo)準(zhǔn)能源效率為滿載、均速、運輸環(huán)境影響為0(即運輸環(huán)境使運輸工具正常工作)的能源效率狀況，構(gòu)建能源效率模型：

(3)

其中，Si，j代表消耗第j種能源的第i種運輸方式的標(biāo)準(zhǔn)能源效率；TIi代表第i種運輸方式的運輸強度；B代表操作行為規(guī)范；TE代表運輸環(huán)境；?1，?2，?3分別為3種影響因素的系數(shù)。

三、基于減排途徑的碳減排潛力分析評價模型構(gòu)建

(一)低碳運輸途徑介紹

綜合文獻[11-14]對運輸環(huán)節(jié)節(jié)能減排的研究，運輸環(huán)境節(jié)能減排主要有3種途徑：(1) 結(jié)構(gòu)性節(jié)能：改善運輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用低碳排放量運輸方式替代高碳排放量的運輸方式；改善能源結(jié)構(gòu)，倡導(dǎo)混合動力系統(tǒng)；淘汰落后工具，優(yōu)化運輸工具結(jié)構(gòu)。(2) 技術(shù)性節(jié)能：加大對節(jié)能減排技術(shù)的投資，推動行業(yè)節(jié)能技術(shù)的研發(fā)、引進與推廣，依據(jù)技術(shù)進步與技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)能源利用效率提高并降低能源消耗。(3) 管理性節(jié)能：通過制定戰(zhàn)略規(guī)劃、政策法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及體制機制等，完善和調(diào)整運輸行為與環(huán)境、提升運輸組織管理水平[11-14]。本文選取甩掛運輸、混合動力系統(tǒng)改造、車輛維修保養(yǎng)制度的執(zhí)行與駕駛員水平提高等進行低碳化分析與評估。圖2為主要節(jié)能途徑類別劃分及其細分類別節(jié)能效果圖。

1.結(jié)構(gòu)性節(jié)能:甩掛運輸。有效的甩掛運輸可以使空駛率大大降低，增加了車輛的載貨噸位及有效載貨時間，節(jié)能效果可達到30%，現(xiàn)已被列入交通運輸部出臺的道路運輸業(yè)“十二五”規(guī)劃[15]。

2.技術(shù)性節(jié)能：混合動力系統(tǒng)。采用混合動力系統(tǒng)使運輸工具在實際應(yīng)用中依據(jù)實際的狀況調(diào)整動力系統(tǒng)工作狀況，使動機保持最佳的工作狀態(tài)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，降低能源的消耗，節(jié)能效率依據(jù)技術(shù)水平的不同可達到10%~50%。

3.管理性節(jié)能：車輛維修保養(yǎng)制度的執(zhí)行及駕駛員水平的提高。車輛維修保養(yǎng)指對所屬車輛進行定期的抽檢、維護及保養(yǎng)，使車輛內(nèi)燃機的工作效率穩(wěn)定，確保車輛運行的良好狀態(tài)，降低車輛故障率。一般情況下節(jié)能效率可達到5%~30%。駕駛員操作水平及操作方式的不同可使車輛油耗相差7%~25%[11]。

圖2　公路運輸主要節(jié)能途徑類別劃分及其細分類別節(jié)能效果

(二)基于運輸?shù)吞蓟緩降奶紲p排模型構(gòu)建

低碳化途徑的節(jié)能效果應(yīng)考慮其是否相互影響。(1)構(gòu)建靜態(tài)分析模型，評價獨立途徑事件及組合途徑事件中互不影響途徑的碳減排潛力；(2)構(gòu)建動態(tài)分析模型，評價組合途徑事件中相互影響途徑的碳減排潛力。

靜態(tài)分析模型：

(4)

動態(tài)分析模型：

(5)

(6)

ER=Er+Er′

(7)

其中，ER代表實施各種碳減排途徑后的碳減排總量。

(三)基于不同途徑水平的情景仿真設(shè)計

本文依據(jù)不同的節(jié)能減排途徑設(shè)置單途徑情景及組合途徑情景，針對低碳化途徑水平設(shè)置兩類情景：(1)弱減排情景——以各減排途徑最低減排效率作為減排依據(jù)；(2)強減排情景——以各減排途徑最高減排效率作為減排依據(jù)。分別評價節(jié)能減排途徑在不同情境下的減排效果及對總體碳排放的減排效果。圖3為情景仿真分析路線圖。

圖3　情景仿真分析路線

四、基于碳測量及碳減排模型的情景仿真分析與研究

(一)案例分析

重慶某鋼鐵公司與江蘇新時代造船有限公司及靖江新世紀(jì)鋼結(jié)構(gòu)制造有限公司簽訂生產(chǎn)20萬噸船用鋼材合同；20萬噸船用鋼材將由重慶某鋼鐵公司新區(qū)生產(chǎn)，裝箱發(fā)送到新港長龍碼頭，并由新港長龍碼頭轉(zhuǎn)船發(fā)運送達重慶某鋼鐵公司靖江三峰鋼材加工配送中心，進行加工處理及配送運輸活動。其中，重慶某鋼鐵公司新區(qū)到新港長龍碼頭大概距離為9公里。主要鋼材運輸車輛有多種，選取J6M、J6P、J6等型號重卡為分析對象，研究不同運輸方式下碳減排途徑的碳減排潛力。為相關(guān)主體提供運輸方式選擇、碳減排途徑組合選擇、碳減排途徑優(yōu)先發(fā)展策略等提供參考依據(jù)。表1為不同運輸車的主要參數(shù)。

表1　不同鋼材運輸車的主要參數(shù)

(二)案例碳減排情景設(shè)計

以重慶某鋼鐵集團20萬噸船用鋼材陸路運輸為應(yīng)用案例，選取3種運輸方式及4種碳減排途徑為研究對象，分析不同碳減排途徑在不同運輸方式下的碳減排潛力、碳減排途徑組合在不同運輸方式下的碳減排潛力及不同途徑水平下碳減排潛力的變化情況。其中，甩掛運輸為途徑1，混合動力系統(tǒng)的應(yīng)用為途徑2，維修保養(yǎng)制度的制定與執(zhí)行為途徑3，駕駛員水平的提高為途徑4。表2為不同情景設(shè)計下碳減排途徑對案例排放的影響。

(三)案例碳減排情景分析與評價

1.基于不同途徑水平的情景分析。弱減排情景下不同運輸方式的碳減排比例均達到40%，而強減排情景下可達80%。通過提高途徑水平，可明顯提高碳減排效果。

2.基于不同運輸方式的情景分析。相同途徑水平下，運輸強度越高的運輸方式，碳減排效果越高。推廣使用高運輸強度的運輸方式，可將碳減排比例提升0.7到3.9個百分點。

3.基于不同碳減排途徑的情景分析。不同碳減排途徑的減排效果不同。單從減排效果而言，甩掛運輸減排效果最佳，其次是混合動力系統(tǒng)的應(yīng)用、維修保養(yǎng)制度的制定與執(zhí)行及駕駛員水平的提高，甩掛運輸應(yīng)被優(yōu)先發(fā)展。

表2　不同情景設(shè)計下碳減排途徑對案例碳排放的影響

五、結(jié)論與展望

本文通過對運輸環(huán)節(jié)的碳排放量因素進行分析，構(gòu)建運輸環(huán)節(jié)碳排放測量模型；依據(jù)主流碳減排途徑，將其分為管理型、技術(shù)型及結(jié)構(gòu)性減排途徑；構(gòu)建碳減排單途徑分析模型與綜合途徑分析模型，對碳減排途徑應(yīng)用產(chǎn)生的碳減排潛力進行分析，從而為企業(yè)、行業(yè)及政府制定運輸環(huán)節(jié)碳減排途徑推廣與實施政策提供參考依據(jù)。本文以重慶某鋼鐵公司運輸環(huán)節(jié)為案例，進行情景分析，分析不同運輸方式下的碳排放總量，相同減排途徑、不同途徑水平及不同減排途徑應(yīng)用下的碳減排影響，驗證了模型的有效性。分析認為：(1)車輛運輸強度的不同，將提升0.7到3.9個百分點的碳減排潛力；(2)單途徑的碳減排分析下，甩掛運輸與混合動力減排效果最佳，可達到30%以上，可作為優(yōu)先實施途徑；(3)相對弱減排情景，強減排情境下節(jié)能減排潛力大幅增強，即使相同途徑下，通過提高途徑水平，例如技術(shù)水平，也能實現(xiàn)碳的大幅減排。

本文研究中，以碳排放及碳減排為研究核心，利用構(gòu)建的碳測量、單途徑碳減排及多途徑碳減排綜合分析模型，探討鋼鐵行業(yè)運輸環(huán)節(jié)的碳減排途徑實施策略。建議在未來的研究中，致力以下幾方面：(1)將此系統(tǒng)模型在其他行業(yè)/環(huán)節(jié)進行推廣，探究其他行業(yè)/環(huán)節(jié)的碳減排潛力；(2)考慮經(jīng)濟因素及社會因素，即碳減排實施方案進行成本分析及社會福利分析，構(gòu)建立體三維綜合分析評價方法，為其制定最優(yōu)實施方案提供參考依據(jù)；(3)匯總多行業(yè)/環(huán)節(jié)的分析評價結(jié)論，為低碳物流及低碳城市發(fā)展提供優(yōu)先實施途徑、優(yōu)先發(fā)展環(huán)節(jié)、優(yōu)先發(fā)展行業(yè)提供參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯魏艷君)