基于鐵路零碳排放的量化研究

張永闖，嚴 凌 （上海理工大學，上海 200093）

基于鐵路零碳排放的量化研究

張永闖，嚴 凌 （上海理工大學，上海 200093）

世界碳排放量劇增導致環(huán)境變化，全球需要可持續(xù)發(fā)展、綠色發(fā)展以減輕對環(huán)境的傷害。物流業(yè)也應在零碳排放的環(huán)境下快速發(fā)展，但在目前技術(shù)條件下的物流業(yè)并不能完全實現(xiàn)零碳排放，只能通過其他清潔能源來降低物流活動過程中的碳排放，文章主要對物流節(jié)點與節(jié)點之間的碳排放進行量化，運用邏輯斯蒂預測模型對未來五年的碳排放進行預測；通過在節(jié)點與節(jié)點之間建設可再生清潔能源設施設備來替代部分高碳能源的使用，從而達到降低物流活動中碳排放量的目的，使物流活動實現(xiàn)低碳排放，并檢驗其有效性。

零碳排放；清潔能源；零碳物流節(jié)點

中華人民共和國國家標準《物流術(shù)語（GB/T 18354-2001）》低碳物流[1]是指在物流過程中抑制物流對環(huán)境造成的危害，并且實現(xiàn)對物流環(huán)境的凈化，使物流資源得到最充分利用。在低碳經(jīng)濟盛行的大環(huán)境下，物流的低碳改革是多方面有益的[2]；能源的替代也已成為趨勢。零碳物流代表物流業(yè)未來發(fā)展的形態(tài)，本質(zhì)是能源效率利用和清潔能源結(jié)構(gòu)問題，通過建立新型能源結(jié)構(gòu)，降低能耗和減少污染物排放，發(fā)展能源技術(shù)創(chuàng)新和制度創(chuàng)新從而減緩氣候變化和促進可持續(xù)發(fā)展，以實施節(jié)能減排為發(fā)展主要手段，以低碳技術(shù)為發(fā)展方法的綠色物流發(fā)展模式[3]。

1 零碳排放物流節(jié)點實現(xiàn)途徑

本文中將低碳能源視為排放系數(shù)為零的清潔能源（即零碳能源）來處理。事實上，在大多數(shù)情況下可再生能源也只能接近零碳能源。利用零碳排放的清潔能源來替代傳統(tǒng)的化石燃料（煤炭、天然氣、石油等），來提高物流節(jié)點清潔能源[4]的使用比率。根據(jù)物流節(jié)點的地理位置和氣象條件，對庫房等建筑物采用太陽能板，空閑面積增加風機采集風能，以供給節(jié)點內(nèi)部物流耗能需求，實現(xiàn)部分自給自足，以降低高碳能源的使用；運用新的科學技術(shù)改進節(jié)點內(nèi)基礎(chǔ)設施建設，盡量更換成使用清潔能源的設施設備。

2 模型構(gòu)建

2.1 能源量化公式

其中：Hi——耗能量；Qi——貨運量；K——轉(zhuǎn)化系數(shù)。

2.2 碳排放的量化模型[5]

各環(huán)節(jié)物流活動所需單位能量產(chǎn)生的碳排放量：Yk

排放總量：

2.3 運用邏輯斯蒂模型[6]進行預測分析

考慮自然資源和環(huán)境對生物種群的影響，以K記自然資源和環(huán)境條件所能允許的最大生物種群數(shù)。把生物種群增長的速率除以當時的生物種群數(shù)稱為生物種群的凈增長率。荷蘭數(shù)學家威赫爾斯特（Verhuls）t提出一個假設：生物種群的凈增長隨著N（t）的增加而減少，且當N（t）→K時，凈增長趨于零。因此生物種群增長的方程可寫成：

其中：r表示生物種群N（）

t的內(nèi)稟增長率。

2.4 耗能模型

根據(jù)物流系統(tǒng)耗能階段（節(jié)點、線路）構(gòu)建物流總耗能模型：

物流總耗能為：

其中：DLM——物流總耗能；DIN——節(jié)點總耗能；DNE——線路總耗能。

（1）DIN（節(jié)點總耗能）

其中：DIN——節(jié)點（倉儲）總耗能；DW——儲存區(qū)耗能；DH——照明、應急設備耗能；DH——庫房內(nèi)部的裝卸搬運設備（叉車）耗能；DI——信息耗能（可忽略）。

與DW（儲存區(qū)耗能）相關(guān)的因子函數(shù)如下式：

其中：DW——儲存區(qū)耗能；DP——預處理區(qū)耗能；DRS——保鮮區(qū)耗能；DRF——冷藏區(qū)耗能。

（2）DNE（線路總耗能）

其中：DNE——線路總耗能；DT——運輸耗能；DV——車輛耗能；DLF——裝車卸車設備（叉車）耗能。

與DV（車輛耗能）相關(guān)的因子函數(shù)如下式：

其中：DV——車輛耗能；DC——車本身耗能；DD——冷藏箱耗能。

2.5 零碳排放量化模型

其中：I——清潔能源的占比率；EQ——清潔能源供能量；EY——單位太陽能板塊產(chǎn)能；EF——單位風機產(chǎn)能；N——太陽能板塊；M——風機數(shù)量。

3 案例分析

本文以大秦鐵路為例，大秦鐵路主要以運煤為主要服務對象，倉儲，加工等方面耗能較少，主要集中在運輸中的耗能，根據(jù)歷年來大秦鐵路的貨運量，來換算出大秦鐵路的耗能并運用邏輯斯蒂模型根據(jù)2002～2015年數(shù)據(jù)預測未來五年的運輸量及耗能，量化其碳排放量；大秦鐵路園區(qū)及路線延邊進行規(guī)劃，采用安裝太陽能光板和風機用以替代運輸過程中的耗能。

3.1 大秦鐵路概述

大秦鐵路是中國第一條雙線電氣化開行重載單元列車的運煤專線，是中國西煤東運的主要通道之一，也是目前（截至2011年）世界上年運量最大的鐵路，主要承擔晉北、內(nèi)蒙西部和陜北的煤炭外運任務。大秦鐵路自山西省大同市至河北省秦皇島市，沿線共設37個車站，全長653千米，其中不可安置太陽能板和風機的路程為21.7公里，大秦鐵路地處于山西省與河北省，每年的日照屬于較豐富地區(qū)，風力資源也十分充足，適合太陽能和風能的建設，大秦鐵路是中國新建的第一條雙線電氣化重載運煤專線，主要動力來源為電能，電能主要依靠活力發(fā)電以及購買的水電，所以大秦鐵路可以依靠風能、太陽能的功能來替代火電供能。以下為大秦鐵路2002～2015年來的運輸量統(tǒng)計。

3.2 大秦鐵路的碳排放量化及預測

大秦鐵路2002～2015年的煤炭運量如表1所示。

根據(jù)每年電力機車牽引運輸量為9.29×105萬t·km，每年需耗電1.05億kW·h[10]。根據(jù)計算得出113.025kW·h/（萬t·km），根據(jù)公式得出大秦鐵路2002～2015年的耗電量如表2所示。

根據(jù)2002～2003年火電和水電占我國發(fā)電量的平均比重分別為81.9%和16.2%[7]，本文就以此數(shù)據(jù)為計算依據(jù)，計算出2002～2015年的高碳排放的火電耗能如表3所示。

各電網(wǎng)區(qū)域的耗能碳排放量如表4所示。

表1 大秦鐵路2002～2015年的煤炭運量 單位：億噸

表2 大秦鐵路2002～2015年的耗電量 單位：萬kW·h

表3 大秦鐵路2002～2015年的高碳排放的火電耗能 單位：萬kW·h

表4 各電網(wǎng)區(qū)域的耗能碳排放量

根據(jù)表2和表3可以得出大秦鐵路2002～2015年的碳排放量如表5所示：

表5 大秦鐵路2002～2015年的碳排放量 單位：萬噸

根據(jù)2002～2015年數(shù)據(jù)，運用邏輯斯蒂模型對大秦鐵路未來五年的貨運量、耗能及碳排放量進行預測，結(jié)果如表6所示。

從預測數(shù)據(jù)可以看出，大秦鐵路的貨運量在未來五年都保持著上升的趨勢，五年火電耗能平均值為288 765.3萬kW·h。

3.3 供能設備類型參數(shù)的選型

（1）太陽能板參數(shù)

多晶硅太陽能板參數(shù)如表7所示。

（2）風力發(fā)電的風機參數(shù)如表8所示。

由表7可得出該太陽能板一小時可產(chǎn)出0.057kW·h的電量，一天按8小時的日照時間計算，本論文假設每天日照量都能達到電能轉(zhuǎn)化量，一年按280天計算，則該太陽能板一塊一年的產(chǎn)出電能為127.68kW·h。根據(jù)預測2016～2020年的平均電能消耗量可以得出需要該太陽能板2 262萬塊。根據(jù)該太陽能板的外形尺寸，一塊太陽能板的占地面積大約為2m2，則總共需要占地面積4 524萬m2。大秦鐵路在物流運輸功能上每年就可以減少碳排放約359.801萬噸的碳排放量。

表6 大秦鐵路未來五年的貨運量、耗能及碳排放量預測

表7 多晶硅太陽板參數(shù)

表8 風機參數(shù)

由表8得知，風機年發(fā)電量為28 000 kW·h，有效利用電量為23 800 kW·h，則滿足耗能需求需要該類型風機121 330臺，所以，在大秦鐵路鐵路沿線全部安置風機安置點（多組風機分別安置于鐵路兩側(cè)）才能滿足該鐵路線運輸耗能。

大秦鐵路總共里程為653km，其中隧道里程占21.7km，可安置太陽能光板和風機的里程為631.3km，大秦鐵路可以在鐵路沿線合理的布置風機和太陽能光板的數(shù)量，來滿足大秦鐵路全年運輸?shù)哪茉聪?，全部替代化石能源和外買的水電能；假設全部以風機產(chǎn)能來代替化石能源，平均50米安置一對風機，考慮到實際地理環(huán)境情況，選擇整條鐵路線較優(yōu)的風機安置點，增設多組風機；在鐵路沿線尋求日照充足點集中安置太陽能光板，合理的安置風機和太陽能光板的數(shù)量，在滿足供能前提下做到成本最小。由于本文中假設了全年每個工作日的日照量都能滿足太陽光板的每天需求，風能達到最低需求風速，根據(jù)實際氣候影響，大秦鐵路公司可適當在每個安置點加設一些太陽能光板和風機，在日照或者風力充裕的時候?qū)㈦娔苓M行儲存，來保證在陰雨天鐵路耗電的正常使用。

大秦鐵路的主要物流服務對象是煤炭，所以對于相應的儲存、流通加工等其他物流活動耗能不高，由于大秦鐵路公司的節(jié)點內(nèi)其他數(shù)據(jù)不全，無法查找的原因，本文對節(jié)點內(nèi)的其他物流活動耗能不能完全統(tǒng)計預算，沒有做出相關(guān)耗能計算。要精確計算整個物流活動總耗能將是一項巨大的工程，因此本文只對關(guān)鍵內(nèi)容做以論述，還望有關(guān)讀者批評指正。

[1] 全國物流標準化技術(shù)委員會.國家標準《物流術(shù)語》GB/T 18354-2001[Z].2007.

[2]IPCC.第四次評估報告：氣候變化2007（綜合報告）[Z].2007.

[3] 李玉，熊育偉.基于碳排放最小化的低碳物流園區(qū)實施策略[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012,40(12):7289-7290.

[4] 周新軍.交通運輸業(yè)能耗現(xiàn)狀及未來走勢分析[J].中外能源，2010,15(7):9-15.

[5]宋洋.烏魯木齊市工業(yè)園區(qū)物流服務低碳化發(fā)展影響因素及碳排放計算方法研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學（碩士學位論文），2015.

[6] 張世強，蔣崢.基于灰色系統(tǒng)的邏輯斯蒂模型的建模方法[J].數(shù)學的實踐與認識，2010,40(9):144-148.

[7] 齊曄，李惠民.“十一五”時期中國經(jīng)濟的低碳轉(zhuǎn)型[J].中國人口·資源與環(huán)境，2011,21(10):60-67.

[8] 劉長安，李慶彪.關(guān)于邏輯斯諦（Logistic）模式的參數(shù)r[J].海洋湖沼通報，1988(4):71-77.

[9] 胡好遠.種群內(nèi)稟增長率精確值的簡便求法[J].安徽農(nóng)學通報，2010,16(3):173-174.

[10] Deng Ju-long.Control problems of grey systems[J].Syst&Contr Letter,1982,1(5):288-294.

[11]何吉成，黃茵，徐雨晴,等.廣梅汕鐵路電氣化改造前后的機車牽引耗能分析[J].鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2010,37(1):13-15.

Quantitative Study Based on Railway Zero Carbon Emissions

ZHANG Yongchuang,YAN Ling (University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

The rapid increase of carbon emissions in the world leads to environmental change,and the world needs sustainable development and green development to reduce the harm to the environment.With the rapid development of the logistics industry should be zero carbon emissions under the environment,but in the current technical conditions of the logistics industry can not completely achieve zero carbon emissions,only through other clean energy to reduce carbon emissions in the process of logistics activities,this paper quantifies the logistics nodes with carbon emissions,the use of logistic forecast the model to predict the future five years of carbon emissions;through the construction of clean and renewable energy facilities and equipment between nodes to replace the use of high carbon energy,thereby reducing the amount of carbon emissions in logistics,the logistics activities to achieve low carbon emissions,and to test its validity.

zero carbon emission;clean energy;zero carbon logistics node

F403.3

A

1002-3100(2017)08-0014-04

2017-05-11

張永闖（1993-），男，河南周口人，上海理工大學碩士研究生，研究方向：物流工程；嚴 凌（1963-），男，上海人，上海理工大學，副教授，研究方向：交通規(guī)劃、交通經(jīng)濟。