交通運(yùn)輸減排技術(shù)研究及展望

伍賽特

上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

交通運(yùn)輸方式的規(guī)模效應(yīng)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)和技術(shù)效應(yīng)是影響碳排放量的主要因素。規(guī)模效應(yīng)是指隨著交通工具保有量、出行頻率、平均行駛距離等數(shù)量增加而導(dǎo)致的碳排放量增長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)效應(yīng)是指交通工具消耗的能源結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)，交通工具消耗的能源結(jié)構(gòu)指汽油型、柴油型、電力型、混合動(dòng)力型等交通工具在某種交通方式中所占的比例，新型環(huán)保交通工具比例越高，其碳排放越低；基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)指不同分類(lèi)下交通基礎(chǔ)設(shè)施的比例，如道路交通中不同等級(jí)公路的比例、公共交通基礎(chǔ)設(shè)施、私人交通基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)比例等。技術(shù)效應(yīng)可細(xì)分為提升和衰退兩個(gè)過(guò)程：提升過(guò)程指通過(guò)燃料經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)等環(huán)境管制手段，提高新型交通工具的排放效率；衰退過(guò)程指己引入市場(chǎng)的交通工具，其碳排放效率會(huì)隨著使用年限的增長(zhǎng)而遞減。

本文針對(duì)碳排放量的效應(yīng)，對(duì)道路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸和航空運(yùn)輸四種交通出行方式的減排技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 道路運(yùn)輸減排技術(shù)

道路運(yùn)輸溫室氣體排放量取決于車(chē)輛技術(shù)、燃料質(zhì)量、運(yùn)行效率和交通出行結(jié)構(gòu)，可通過(guò)下列四個(gè)方面的措施減少溫室氣體排放量。

1）推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，改善車(chē)輛性能，研發(fā)新型能源汽車(chē)

（1）研發(fā)和引進(jìn)先進(jìn)的汽車(chē)制造技術(shù)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，降低排放水平

隨著環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)行業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越高，車(chē)輛制造商也加強(qiáng)了對(duì)排放技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣[1-2]。目前，通過(guò)改善發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、整車(chē)匹配等技術(shù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率，減少?gòu)U棄物排放。研究表明，渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、可變氣門(mén)等技術(shù)都可不同程度地提高燃油經(jīng)濟(jì)性[3]。如，渦輪增壓可通過(guò)空氣壓縮機(jī)壓縮空氣增加進(jìn)氣量，提高缸內(nèi)空氣密度，使燃料充分燃燒，進(jìn)而獲得較大功率。研究表明，相同功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用渦輪增壓的，其CO2排放量比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)少10%～20%。因此，汽車(chē)制造技術(shù)的改進(jìn)、新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，對(duì)降低機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放有巨大的影響。

（2）積極研發(fā)新型能源汽車(chē)

積極研發(fā)如BEV純電動(dòng)汽車(chē)、油氣油電混合動(dòng)力汽車(chē)、液化石油氣汽車(chē)、氫能源動(dòng)力汽車(chē)、液化天然氣燃?xì)馄?chē)、FCV燃料電池電動(dòng)汽車(chē)、高效儲(chǔ)能太陽(yáng)能汽車(chē)及其他新能源汽車(chē)[4-9]。當(dāng)前，全球道路交通能源正處于轉(zhuǎn)型期，車(chē)用燃料逐漸由石油轉(zhuǎn)向電能、氫能和生物等新能源燃料，各國(guó)都在維持新能源汽車(chē)戰(zhàn)略，維持消費(fèi)補(bǔ)貼，加大對(duì)汽車(chē)CO2排放控制的力度。美國(guó)等國(guó)家規(guī)定，每個(gè)汽車(chē)制造商每年至少出售一定零排放的車(chē)輛，否則要繳納碳稅。TESLA等企業(yè)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)盈利，我國(guó)以純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)為代表的新能源汽車(chē)已處于產(chǎn)業(yè)化階段，氫燃料電池汽車(chē)的核心技術(shù)也取得了突破，新能源汽車(chē)的發(fā)展得到了政府大力支持，財(cái)政部、科技部等四部委聯(lián)合為節(jié)能與新能源汽車(chē)示范推廣試點(diǎn)城市授牌，鼓勵(lì)企業(yè)生產(chǎn)、研發(fā)節(jié)能的新能源汽車(chē)[10]。

2）提高燃油經(jīng)濟(jì)性，開(kāi)發(fā)代用燃料，嚴(yán)控排放標(biāo)準(zhǔn)

提高燃油經(jīng)濟(jì)性是公認(rèn)的控制車(chē)輛碳排放有效手段之一。自2005年起，我國(guó)開(kāi)始執(zhí)行《國(guó)家乘用車(chē)燃料消耗量限值》（GB19578-2004）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性提出了要求。此外，開(kāi)發(fā)代用燃料也是各國(guó)減少交通領(lǐng)域CO2排放的一項(xiàng)戰(zhàn)略選擇，研究表明，化石燃料燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的CO2溫室氣體，若使用新型燃料，將大幅降低碳排放量。目前較常用的替代燃料有壓縮天然氣、液化石油氣、乙醇汽油、甲醇汽油等，不同的替代燃料，其使用性能和減排效果差距較大。

3）改善交通環(huán)境，提高車(chē)輛運(yùn)行效率

研究表明，機(jī)動(dòng)車(chē)處于怠速、加速、勻速、減速工況下和使用不同燃料時(shí)，排放的污染物也不相同。

怠速狀況下，車(chē)輛排放的主要污染物是CO和HC，且使用汽油作為燃料的車(chē)輛，排放的CO和HC量明顯高于使用液化石油氣和柴油的車(chē)輛；加速狀況下，排放的主要污染物是NOx；減速狀況下，排放的主要污染物是HC，且減速狀況引起的CO和HC排放量高于加速狀況，但減速引起的NOx排放量低于高速狀況；勻速狀況下，排放的主要污染物是NOx，且液化石油氣在該階段排放的NOx最高?？傊煌倪\(yùn)行工況對(duì)交通排放的影響不同，勻速行駛排放的污染物最低，頻繁加減速和怠速則會(huì)增大污染物排放量。目前，我國(guó)很多城市都存在交通擁堵問(wèn)題，車(chē)輛經(jīng)常處于怠速、加速或減速工況，造成較大的污染物排放量。

因此，改善交通環(huán)境、提高道路運(yùn)行效率不僅能減少交通擁堵、降低交通事故，還能降低污染物排放。根據(jù)美國(guó)運(yùn)輸部發(fā)布的ITS項(xiàng)目效益評(píng)估報(bào)告，智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)在降低能源消耗、減少環(huán)境污染、緩解交通擁堵等已有成效，為城市交通帶來(lái)了新契機(jī)。

此外，改善交通基礎(chǔ)設(shè)施也有利于改善出行環(huán)境，達(dá)到節(jié)能減排效果，如，提高公路技術(shù)等級(jí)、提高路網(wǎng)通達(dá)性、優(yōu)化交通流時(shí)空分布、完善加油（氣）站、加強(qiáng)交通信息平臺(tái)建設(shè)等有助于緩解交通擁堵，減少車(chē)輛怠速和頻繁加減速帶來(lái)的能耗增加。

4)實(shí)施需求管理，改善交通出行結(jié)構(gòu)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)動(dòng)車(chē)普及程度不斷提高，小型汽車(chē)出行比例在城市交通中占比也不斷提高，使城市道路常處于超負(fù)荷狀態(tài)，通勤時(shí)段交通擁堵已成為常態(tài)，交通帶來(lái)的大氣污染日益嚴(yán)峻，故有必要通過(guò)交通需求管理改善城市出行結(jié)構(gòu)，降低污染物排放。

目前主要有兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)交通結(jié)構(gòu)的調(diào)整：一是提高公共交通服務(wù)質(zhì)量，推進(jìn)城鄉(xiāng)交通一體化進(jìn)程，進(jìn)而提高大眾公共交通出行比率；二是通過(guò)增加私家車(chē)出行成本來(lái)改善路況，如，收取停車(chē)費(fèi)、燃油附加費(fèi)、擁堵費(fèi)等。通過(guò)上述措施提升車(chē)輛運(yùn)行速度和能源利用率，改善區(qū)域內(nèi)的環(huán)境。

2 鐵路運(yùn)輸減排技術(shù)

目前，我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)奈廴疚镏饕獊?lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)車(chē)牽引排放，減少內(nèi)燃牽引廢氣排放量的方法有多種且各有特點(diǎn)。研究認(rèn)為，對(duì)已有機(jī)車(chē)進(jìn)行性能升級(jí)在技術(shù)上非常復(fù)雜，受到機(jī)車(chē)安裝空間等限制。

減少內(nèi)燃機(jī)排放可通過(guò)利用制動(dòng)能量、輔助耗電器控制裝置、及采用輕型結(jié)構(gòu)等達(dá)到，技術(shù)措施分為機(jī)內(nèi)措施和機(jī)外措施。

1）機(jī)內(nèi)措施

柴油機(jī)內(nèi)部狀態(tài)的變化直接影響燃料的燃燒，進(jìn)而影響污染物排放。通過(guò)優(yōu)化燃燒過(guò)程、優(yōu)化噴射裝置并增壓、采用廢氣再循環(huán)、柴油一水一噴射裝置或米勒循環(huán)等措施可降低污染排放，改善柴油機(jī)燃燒過(guò)程既能改善燃油消耗，又能降低顆粒物或NOx的排放。研究表明，利用噴射技術(shù)、廢氣再循環(huán)和米勒循環(huán)的組合，可顯著改善內(nèi)燃機(jī)車(chē)的排放。

2）機(jī)外措施

柴油機(jī)機(jī)外措施包括后置濾清器或氧化催化器來(lái)清除或置換有害排放物，廢氣后處理措施可按作用原理、復(fù)雜性、尺寸和排氣有害物成分的降低來(lái)分。目前，排氣后處理系統(tǒng)已在內(nèi)燃機(jī)車(chē)得到廣泛應(yīng)用，顯著減少了排放物中含硫量，使含硫量從0.05%降到0.01%，同時(shí)也提高了燃油十六烷值，減少了芳烴含量，使燃油氧化增加含氧量。

運(yùn)行方面，通過(guò)運(yùn)行圖的編制、列車(chē)操控方式和線(xiàn)路利用率等，降低機(jī)車(chē)能耗和排放。鐵路企業(yè)中，能耗的降低導(dǎo)致排放的減少是一種最有效的減排方式，可在短期內(nèi)達(dá)到相應(yīng)的效果。此外，鐵路電氣化和高速鐵路優(yōu)化了交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，對(duì)節(jié)能減排產(chǎn)生了重大影響。

3 水路運(yùn)輸減排技術(shù)

水路運(yùn)輸減排主要集中在CO2和NOx的降低。

1）航運(yùn)CO2減排技術(shù)

自2000年以來(lái)，聯(lián)合國(guó)國(guó)際海事組織就如何進(jìn)一步限制海運(yùn)行業(yè)CO2廢氣排放的法律法規(guī)進(jìn)行了討論，針對(duì)新船只，要求在設(shè)計(jì)建造時(shí)嚴(yán)格限制CO2排放量。2009年MEPC（Marine Environment Protection Committee）第59次會(huì)議完善了船舶CO2排放的控制措施，提出了新建船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)EEDI（energy efficient design index）[12]和從燃油有效性出發(fā)的能效操作指示方案等。

減少新建船舶CO2排放量的技術(shù)包括采用新型材料降低船舶自重、利用船舶廢熱回收系統(tǒng)、降低船舶柴油機(jī)燃油消耗率、采用電力推進(jìn)、使用燃料電池、太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源等[13-15]。

對(duì)現(xiàn)有營(yíng)運(yùn)船舶，減少CO2排放量的措施包括降低船舶航行速度、安裝燃油均質(zhì)器，減少油渣分離，降低燃油顆粒大小等以提高燃燒效果和熱效率、改善主機(jī)工況，降低燃油消耗、限制船舶使用年限，對(duì)超過(guò)船齡限值的舊船進(jìn)行改造、推廣船舶廢氣處理裝置的使用，如安裝漂洗器濾除污染物等。

2）航運(yùn)NOx減排技術(shù)

NOx是空氣在高溫條件下吸入氣缸燃燒時(shí)，燃油噴霧與空氣混合在蒸發(fā)燃燒過(guò)程中生成的污染物。減少NOx排放的技術(shù)包括改善柴油機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化燃燒過(guò)程、采用機(jī)內(nèi)凈化方法等，從排放物生成機(jī)理出發(fā)嚴(yán)格控制生成污染物的反應(yīng)，具體措施有改善燃油與進(jìn)氣、延遲噴油正時(shí)、優(yōu)化噴油嘴、使用共軌式電噴技術(shù)等[16]。

但由于柴油機(jī)本身設(shè)計(jì)已相對(duì)成熟，通過(guò)機(jī)內(nèi)凈化方法進(jìn)一步減少污染物排放量較困難，為此，創(chuàng)新了柴油機(jī)尾氣后處理技術(shù)。技術(shù)包括多種還原方法，其中，最主要的是選擇性催化還原法、廢氣再循環(huán)（EGR）還原法及顆粒過(guò)濾器（DPF-Diesel Particulate Filter）還原法。目前，降低NOx和PM方法已比較成熟且已商業(yè)化，如，可先優(yōu)化燃燒使PM排放達(dá)標(biāo)，然后使用SCR來(lái)降低因燃燒而升高的NOx，或結(jié)合其他技術(shù)使PM和NOx排放同時(shí)達(dá)標(biāo)。SCR技術(shù)多在歐洲使用，歐洲重型汽車(chē)協(xié)會(huì)宣布將采用氨還原SCR技術(shù)，氨還原劑的價(jià)格約為柴油的一半。美國(guó)使用EGR+DPF方法，即通過(guò)EGR降低排放中NOx含量，再使用DPF收集因使用EGR而增加的顆粒物，或以EGR為基礎(chǔ)，結(jié)合其他技術(shù)使NOx和PM同時(shí)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

其他控制船用柴油機(jī)NOx排放的常見(jiàn)技術(shù)還包括采用濕空氣動(dòng)力系統(tǒng)、使用乳化油、缸內(nèi)直接噴水等。

4 航空運(yùn)輸減排技術(shù)

近年來(lái)，世界航空業(yè)以5%的年增長(zhǎng)率迅速發(fā)展，但同時(shí)也制造了2%～3%的CO2排放量，對(duì)全球氣候變化產(chǎn)生了影響。

為遏制航空業(yè)CO2排放量的持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）為航空業(yè)減排設(shè)立了目標(biāo)，積極推動(dòng)與國(guó)際民航組織的合作，推出了航空業(yè)碳減排方案。2009年，首批全球產(chǎn)業(yè)減排目標(biāo)產(chǎn)生，航空業(yè)承諾到2050年排放量將降至2005年的50%。

我國(guó)航空減排方面無(wú)強(qiáng)制性量化指標(biāo)，實(shí)踐中主要是按照《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》中“采用節(jié)油機(jī)型，提高載運(yùn)率、客座率和運(yùn)輸周轉(zhuǎn)能力，提高燃油效率，降低油耗”的規(guī)定進(jìn)行運(yùn)作，目前主流的減排手段有技術(shù)手段和運(yùn)營(yíng)手段。

1）技術(shù)手段

采用新型飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)，淘汰老舊機(jī)型，此舉可在一定程度上減少溫室氣體排放。如，波音公司研制的787新型客機(jī)，比同尺寸的飛機(jī)更輕更省油，溫室氣體排放量減少約20%。此外，研發(fā)新技術(shù)、提高燃油效率、開(kāi)發(fā)低碳可替代燃料也是航空業(yè)減排的重要手段。最重要的可替代燃料為航空生物燃料，該燃料將傳統(tǒng)化石燃料與生物質(zhì)原料以50:50混合直接使用在現(xiàn)有飛機(jī)上。2011年7月到2012年12月，德國(guó)漢莎航空公司使用航空生物燃料進(jìn)行了半年商業(yè)飛行，共減少CO2排放約1 500 t。2012年4月17日，全日空一架波音787飛機(jī)使用了由廚余廢油提煉成的生物燃油成功的飛越了太平洋，其產(chǎn)生的CO2比同尺寸的飛機(jī)減少了約30%，其中，20%減排量歸功于787創(chuàng)新技術(shù)及燃油效率，10%歸功于可持續(xù)生物燃料的使用[17]。

2）運(yùn)營(yíng)手段

飛機(jī)靠發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒燃料產(chǎn)生動(dòng)力，每小時(shí)耗油量達(dá)幾噸甚至幾十噸，排放出大量的溫室氣體，因此，縮短飛行時(shí)間可有效減少溫室氣體排放量。在運(yùn)營(yíng)上，航空公司可根據(jù)天氣、風(fēng)向和風(fēng)速選擇最短飛行時(shí)間的航線(xiàn)；選擇極地運(yùn)行縮短兩個(gè)區(qū)域間航程；不需技術(shù)經(jīng)停增加航班業(yè)務(wù)載荷，提高飛機(jī)利用率和經(jīng)濟(jì)效益；采用二次放行增加飛機(jī)業(yè)載和減少燃油消耗；減少飛機(jī)輔助動(dòng)力裝置（APU）在機(jī)場(chǎng)的使用；優(yōu)化航班布局，提高客座率，針對(duì)客座率較低的航線(xiàn)減少班次或增加中轉(zhuǎn)站等。根據(jù)空客最新研究，若能全面優(yōu)化空中交通管理系統(tǒng)和機(jī)載系統(tǒng)，歐洲和美國(guó)之間往來(lái)航班平均每次飛行時(shí)間將減少13 min，假設(shè)世界范圍內(nèi)每年有3 000萬(wàn)次航班，則每年可節(jié)約燃料900萬(wàn)t，減少CO2排放2 800萬(wàn)t。

5 結(jié)論與展望

交通系統(tǒng)是控制溫室氣體排放的關(guān)鍵，法律與標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)是保證減排措施得以實(shí)施的先決條件，也是戰(zhàn)略性和長(zhǎng)期性的工作。在法律和標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，綜合運(yùn)用經(jīng)濟(jì)技術(shù)手段和市場(chǎng)運(yùn)作機(jī)制，完善交通運(yùn)輸業(yè)污染物排放控制體系，實(shí)現(xiàn)政策協(xié)調(diào)，完成整個(gè)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的減排任務(wù)。