“雙碳”目標背景下我國鐵路運輸能源消耗及碳減排潛力研究

王致杰

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司 工程師,天津 300308）

0 引言

習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上作出碳達峰、碳中和的鄭重承諾，隨后在中央財經(jīng)委第九次會議上，再次對碳達峰、碳中和作出重要部署，強調(diào)要構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)[1-3]。10月25日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》（以下簡稱《意見》），并就加快推進低碳交通運輸體系建設(shè)作出部署?！兑庖姟访鞔_了優(yōu)化交通運輸結(jié)構(gòu)、推廣節(jié)能低碳型交通工具的具體舉措，在優(yōu)化交通運輸結(jié)構(gòu)方面，加快建設(shè)綜合立體交通網(wǎng)，大力發(fā)展多式聯(lián)運，提高鐵路在綜合運輸中的承運比重，推進鐵路電氣化改造，持續(xù)降低運輸能耗和二氧化碳排放強度[4]。鑒于此，在我國實現(xiàn)“雙碳”目標背景下，開展我國鐵路運輸能源消耗及碳減排潛力研究具有十分深遠的意義[5]。

國內(nèi)學(xué)者針對交通運輸行業(yè)能源消耗及未來碳排放預(yù)測與潛力開展分析研究。文獻[6]分析了我國鐵路運輸節(jié)能減排措施的影響因素，基于不同情景預(yù)測鐵路運輸碳排放的趨勢與潛力。文獻[7]預(yù)測了中國交通運輸需求量，量化設(shè)置了運輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化和交通技術(shù)進步影響參數(shù)，設(shè)計不同情景模式，測算交通運輸?shù)奶紲p排潛力。文獻[8]闡述了我國水路運輸碳排放現(xiàn)狀，提出了水路運輸減碳主要路徑和建議。文獻[9]對比了鐵路運輸與其他運輸方式能耗，明確了鐵路牽引動力結(jié)構(gòu)變化，提升了鐵路能源利用效率。

綜上所述，針對交通運輸行業(yè)的能源消耗及碳排放潛力研究以情景分析為主。鑒于此，本文首先梳理我國鐵路運輸能源消耗與強度現(xiàn)狀，明確我國鐵路運輸碳減排發(fā)展趨勢，構(gòu)建基于LEAPS的我國鐵路運輸能源消耗及碳減排潛力模型，并進行情景分析，以驗證所提模型的有效性、適用性，為實現(xiàn)我國鐵路運輸領(lǐng)域節(jié)能減排、助力“雙碳”目標實現(xiàn)提供理論支撐。

1 我國鐵路運輸能源消耗與強度現(xiàn)狀

鐵路作為我國重要的基礎(chǔ)設(shè)施、國民經(jīng)濟的大動脈、大眾化的交通工具，在現(xiàn)代運輸行業(yè)體系中起著舉足輕重的作用[10-12]。目前，鐵路運輸承擔(dān)了我國主要的中長途客運、貨運任務(wù)。隨著中國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，鐵路的運輸量、周轉(zhuǎn)量，以及能耗量也逐年上升。2020年，我國鐵路貨運周轉(zhuǎn)量完成30 514.5億t·km；旅客周轉(zhuǎn)量完成14 706.6億人·km；鐵路能源消耗折算標準煤比上年下降5.3%；二氧化硫排放量比上年降低38.1%；化學(xué)需氧量排放量比上年降低5.6%；碳排放強度比上年下降10%；鐵路電氣化率約74.9%；國家鐵路機車擁有量為2.1萬臺，內(nèi)燃機車占比36.2%，電力機車占比63.8%。

近年來，我國鐵路運輸行業(yè)快速發(fā)展，一方面，鐵運生產(chǎn)量不斷增長，另一方面，綜合能耗和主營單耗不斷下降，已成功顯現(xiàn)出我國鐵路運輸在節(jié)能減排、低碳發(fā)展方面的新突破。

2 我國鐵路運輸碳減排發(fā)展趨勢

2.1 低碳化、電氣化

降低列車牽引能耗是有效減少鐵路運輸能耗及強度的關(guān)鍵舉措之一[12]。目前，我國高鐵已基本實現(xiàn)電氣化，鐵路運輸用能環(huán)節(jié)已逐漸引入新能源，要不斷提高新能源在非牽引能耗比例，推動鐵運線路電氣化改造，真正實現(xiàn)“以電代油”和無碳排放[13]。

2.2 經(jīng)濟化、結(jié)構(gòu)化

通過研發(fā)節(jié)能型貨運機車、輕量型貨運機車，持續(xù)改善發(fā)動機、制動能量、控制裝置，減少內(nèi)燃牽引廢氣放量，有效提高燃油經(jīng)濟性，提升運行效率和能源利用效率，持續(xù)優(yōu)化鐵路運輸結(jié)構(gòu)、改善路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、調(diào)整運力結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)與其他運輸方式的多式聯(lián)運[14]。

3 我國鐵路運輸能源消耗及碳減排潛力

3.1 LEAPS模型概述

長期能源替代規(guī)劃系統(tǒng)(Long Range Energy Alternatives Planning System，LEAPS)是 由 瑞 典Stockholm Environment Institute(SEI)開發(fā)的“能源-環(huán)境-經(jīng)濟”情景分析的系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)模型主要包括以下五個模塊：能源消耗、能源轉(zhuǎn)換、能源資源、環(huán)境評估、成本費用。目前，LEAPS模型已廣泛應(yīng)用于交通運輸、能源電力領(lǐng)域的能源消耗及碳排放預(yù)測研究。

本文利用LEAPS模型中的能源消耗模塊，以我國某省的鐵路運輸為研究對象，按照旅客運輸、貨物運輸和應(yīng)急保障運輸?shù)冗M行維度劃分，構(gòu)建基于LEAPS的鐵路運輸能源消耗及碳減排潛力分析模型，并進行情景分析，以驗證所提模型的有效性、適用性。

3.2 模型維度劃分

綜合考慮所選區(qū)域的典型交通運輸特征，將該省交通運輸?shù)哪茉聪膭澐譃槿齻€維度，即旅客運輸、貨物運輸和應(yīng)急保障運輸，便于比較不同維度之間的能耗強度及碳排放量。

3.3 模型參數(shù)設(shè)置

1）運輸周轉(zhuǎn)量。運輸周轉(zhuǎn)量是指在某區(qū)域的固定時段內(nèi)，各種運輸工具運量與運輸距離的乘積之和，該指標是衡量鐵路運輸效率的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一[15]。運輸周轉(zhuǎn)量是影響鐵路能源消耗及強度的關(guān)鍵因素，但目前來說，運輸周轉(zhuǎn)量與能源消耗量是無法調(diào)和的矛盾。

2）能耗強度。能耗強度是指各種運輸工具完成單位運輸周轉(zhuǎn)量所消耗的能源量，該參數(shù)能夠較好地表明模型維度中的能源消耗水平[16]。鐵路運輸能源消耗及強度反映了能源利用率的高低，即能源消耗及強度越高，表明鐵路運輸能源利用效率越低。

3）排放因子。LEAPS模型內(nèi)置技術(shù)-環(huán)境數(shù)據(jù)庫（Technology Environment Database，TED），該數(shù)據(jù)庫通過各種運輸工具的能源利用技術(shù)和設(shè)備消耗量，計算出大氣污染、水污染，以及對人體有害的排放因子數(shù)據(jù)。為此，文中排放因子取自LEAPS模型TED中IPCC排放因子數(shù)據(jù)，以此來求解碳排放總量[17]。

3.4 運輸周轉(zhuǎn)量

運輸周轉(zhuǎn)量的歷史數(shù)據(jù)主要來源于《某省統(tǒng)計年鑒》以及政府等有關(guān)部門公布的交通運輸應(yīng)急保障數(shù)據(jù)，結(jié)合問卷調(diào)查、專家咨詢等形式，制定運輸周轉(zhuǎn)量基準期的數(shù)據(jù)，并通過線性回歸得出預(yù)測期的趨勢曲線和預(yù)測數(shù)據(jù)。

對2010—2020年的歷史數(shù)據(jù)進行分析，假設(shè)該省鐵路運輸?shù)穆每椭苻D(zhuǎn)量年均增長率為2.5%，貨物周轉(zhuǎn)量為4.5%，周轉(zhuǎn)率根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行擬合，得到：y1=41.48x-10 725、y2=17.103x-6 361。應(yīng)急保障運輸年均增長率暫按0.8%計。通過線性擬合可以得出某省2015年、2020年、2025年、2030年的運輸周轉(zhuǎn)量的擬合數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)，具體如表1所示。

表1 運輸周轉(zhuǎn)量擬合數(shù)據(jù)及預(yù)測數(shù)據(jù)

4 鐵路運輸能源消耗及碳減排潛力算例分析

4.1 鐵路運輸能源情景分析

“雙碳”背景下，我國鐵路運輸能源消耗和碳排放潛力受多種因素影響，本文設(shè)置初始情景和減排情景，以初始情景為基準；減排情景從節(jié)能減排政策、鐵路結(jié)構(gòu)優(yōu)化和節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新等角度，考慮所選區(qū)域鐵路運輸能源消耗和碳排放潛力。

1）初始情景。結(jié)合我國鐵路運輸發(fā)展新趨勢，假設(shè)在初始情景下，政府等有關(guān)部門未采取任何措施來減少鐵路運輸能源消耗量和碳排放量，則鐵路運輸結(jié)構(gòu)及能源消耗方式尚未根本轉(zhuǎn)變。因此，在初始情景下，線性擬合過程中需要對歷史數(shù)據(jù)進行合理外推，且在未來政府政策不變的情況下，只考慮過去政策對鐵路運輸能源消耗和碳排放的影響。

2）減排情景。政府等有關(guān)部門制定下發(fā)的各項鐵路運輸節(jié)能減排政策能夠有效實施；政府等有關(guān)部門大力發(fā)展鐵路運輸，興建基礎(chǔ)設(shè)施，優(yōu)化調(diào)整鐵路運輸模式，推進新能源在鐵路運輸中的應(yīng)用；再生制動、節(jié)能機車、牽引用能等技術(shù)創(chuàng)新，鐵路運輸能源利用效率、污染物排放量顯著提升和下降。

4.2 結(jié)果分析

“雙碳”背景下，選取2015—2030年的每五年為時間節(jié)點，從我國鐵路運輸能源消耗和碳排放潛力等方面對初始情景和減排情景進行分析研究。

4.2.1 能源消耗

基于LEAPS模型的運算結(jié)果，隨著我國社會經(jīng)濟發(fā)展，初始情景和減排情景下的能源消耗量均呈現(xiàn)出下降趨勢，具體詳見表2，各維度能源消耗總量如圖1所示。

表2 不同情景下的鐵路運輸能源消耗總量

圖1 不同情景下的各維度能源消耗總量

由表2可知，到2025年，初始情景下的能源消耗總量預(yù)計將下降到226×1012KJ，減排情景下的能源消耗總量預(yù)計下降到184.2×1012KJ，較初始情景下降18.78%。到2030年，初始情景下的能源消耗總量預(yù)計將下降到213.5×1012KJ，減排情景下的能源消耗總量預(yù)計將下降到152.2×1012KJ，較初始情景下降28.67%。未來，我國鐵路運輸?shù)哪茉聪目偭繉⒅鹉瓿尸F(xiàn)顯著下降趨勢。

4.2.2 維度能源消耗

基于LEAPS模型的運算結(jié)果，在模型維度方面，旅客運輸、貨物運輸和應(yīng)急保障運輸在初始情景和減排情景下的能源消耗量如圖2—圖4所示。

圖2 不同情景下的旅客運輸能源消耗量

圖4 不同情景下的應(yīng)急保障運輸能源消耗量

圖3 不同情景下的貨物運輸能源消耗量

同理可知，2030年，旅客運輸、貨物運輸和應(yīng)急保障運輸在減排情景下，相較于初始情景分別下降了35.29%、19.34%、72.16%。由于貨物運輸承擔(dān)著我國鐵路運輸周轉(zhuǎn)量的60%以上，且列車終端設(shè)備的能源強度相對較高，造成貨物運輸?shù)哪茉聪慕档退俣染徛?，因此建議該省在貨運領(lǐng)域加大節(jié)能減排力度，以達到相應(yīng)的節(jié)能效果。

4.2.3 能耗強度

基于能源消耗量計算結(jié)果，求得旅客運輸、貨物運輸和應(yīng)急保障運輸在初始情景和減排情景下的能耗強度，具體如表3所示。

表3 不同情景下的鐵路運輸能耗強度

4.2.4 碳排放量及減排潛力分析

由圖5所示，在初始情景下，2030年，該省鐵路運輸能源消耗產(chǎn)生的污染物及碳排放量較2020年增長了21.28%。為實現(xiàn)鐵路運輸領(lǐng)域低碳化發(fā)展，建議該省盡快出臺節(jié)能減排政策措施，大力推進新能源在鐵路運輸領(lǐng)域的應(yīng)用，加大鐵路運輸技術(shù)創(chuàng)新力度，落實能耗“雙控”要求。

圖5 不同情景下碳排放總量

在減排情景下，2030年，該省鐵路運輸能源消耗產(chǎn)生的污染物及碳排放量較2020年下降了16.92%，與初始情景（11.358 kgCO2當量/102t·km）相比更是降低了39.02%，碳排放總量由2020年的83.357 kgCO2當量/102t·km減少至2030年的69.256 kgCO2當量/102t·km。由此可見，通過多年在鐵路運輸領(lǐng)域的政策支持和減排技術(shù)創(chuàng)新，該省碳排放量逐年緩慢回落，2030年更是顯著下降。

基于碳排放總量計算結(jié)果，求得旅客運輸、貨物運輸和應(yīng)急保障運輸在初始情景和減排情景下的減排潛力，具體如表4所示。

表4 不同情景下的鐵路運輸碳減排潛力

由表4可知，減排情景比初始情景下的減排潛力更大。因此，為降低鐵路運輸能源消耗及強度、降低污染物及碳排放量，應(yīng)通過節(jié)能減排政策、鐵路運輸結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新等多種途徑，有效助力我國“雙碳”目標實現(xiàn)。

5 提升鐵路運輸節(jié)能減排策略研究

基于對不同情景下的鐵路運輸能耗強度及碳減排潛力分析可知，降低鐵路運輸?shù)哪茉聪募皬姸取p少污染物及碳排放是未來我國鐵路運輸領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展方向，應(yīng)逐步實現(xiàn)鐵路運輸?shù)碾姎饣?、低碳化、結(jié)構(gòu)化。鑒于此，本節(jié)提出提升鐵路運輸節(jié)能減排的相關(guān)策略。

5.1 應(yīng)用先進動力驅(qū)動技術(shù)

目前，國外多數(shù)發(fā)達國家已實現(xiàn)鐵路運輸電氣化，而國內(nèi)鐵路運輸（尤其是貨運）還存在內(nèi)燃機車。電驅(qū)動列車效率高，維護成本低，但目前電池驅(qū)動技術(shù)僅用于短途客貨運列車。通過應(yīng)用先進動力驅(qū)動技術(shù)，如電力驅(qū)動、電池（如氫燃料）驅(qū)動列車，實現(xiàn)鐵路運輸節(jié)能減排發(fā)展，以此實現(xiàn)鐵路運輸節(jié)能減排電氣化策略。

5.2 優(yōu)化鐵路運輸整體能耗結(jié)構(gòu)

目前，我國高鐵已全部實現(xiàn)電力牽引，電氣化在我國鐵路運輸電氣化率的程度越來越高。通過電氣化推動“以電代油”，大幅度降低鐵路油耗，改善和優(yōu)化鐵路運輸整體能耗結(jié)構(gòu)，以此實現(xiàn)鐵路運輸節(jié)能減排結(jié)構(gòu)化策略。

5.3 提高能源利用效率

一方面，通過安裝電池儲能模塊，在內(nèi)燃機車啟動和制動過程中，將柴油驅(qū)動剩余能力儲存在蓄電池中，提高能源利用效率；另一方面，通過研發(fā)混合動力內(nèi)燃機車、新型能源機車，提高燃油經(jīng)濟性和發(fā)動機運行效率，有效減少污染物及碳排放，以此實現(xiàn)鐵路運輸節(jié)能減排低碳化策略。

6 結(jié)語

開展我國鐵路運輸能源消耗及碳減排潛力研究是推動我國交通運輸行業(yè)“綠色轉(zhuǎn)型”、助力“雙碳”目標實現(xiàn)的關(guān)鍵舉措之一。本文的研究結(jié)論可歸納為以下：

第一，基于LEAPS模型得到不同情景下的鐵路運輸能耗強度及碳減排潛力分析，且政府節(jié)能減排政策越有效實施、鐵路運輸基礎(chǔ)設(shè)施越完善、先進動力驅(qū)動技術(shù)創(chuàng)新越超前，則鐵路運輸能源利用效率、污染物排放量顯著提升和下降。

第二，通過調(diào)整初始情景與減排情景下的相關(guān)變量參數(shù)，分別得到旅客運輸、貨物運輸和應(yīng)急保障運輸?shù)牟煌芎膹姸燃疤寂欧艥摿χ担⒎从吵瞿愁愡\輸與碳排放潛力之間的敏感度。

第三，基于算例分析研究，本文從電氣化、結(jié)構(gòu)化、低碳化等方面提出了未來我國鐵路運輸節(jié)能減排策略，為推進鐵路運輸領(lǐng)域節(jié)能減排、實現(xiàn)“雙碳”目標提供了理論支撐。