鐵路運(yùn)營期碳排放特征及減排路徑思考

任南琪，許志成，魯垠濤，姚 宏

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院，深圳 518055； 2.北京交通大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京市重點實驗室，北京市國際科技合作基地，北京 100044)

引言

截至2021年年底，我國鐵路里程超過15萬km，其中高速鐵路里程超過4萬km，位居全球第一[1]。根據(jù)“十四五”鐵路發(fā)展規(guī)劃，到2025年，我國鐵路運(yùn)營里程將達(dá)到16.5萬km，鐵路運(yùn)輸在交通運(yùn)輸中也扮演的角色愈發(fā)重要。鐵路全生命周期包括建設(shè)期、運(yùn)營期以及報廢期[2]，在全球氣候變化的形勢下，世界各國都在為減少溫室氣體的產(chǎn)生與排放做出努力。

目前，全球許多學(xué)者圍繞鐵路生命周期各階段碳排放開展了相關(guān)研究。崔占偉[3]分析了鐵路在運(yùn)營期的碳排放特征，將鐵路運(yùn)營期碳排放來源分為牽引供電、車站運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)維修系統(tǒng)。結(jié)果顯示，鐵路運(yùn)行期間碳排放貢獻(xiàn)占比最大的牽引供電，占比86.2%；其次是車站運(yùn)營，占比11.2%。利用Kaya恒等式以及LMDI分解算法分析了影響鐵路運(yùn)營碳排放的因素，指出單位GDP產(chǎn)生的高速鐵路客運(yùn)周轉(zhuǎn)量與經(jīng)濟(jì)水平是促進(jìn)高速鐵路碳排放的主要因素。汪瑩[4]對影響我國鐵路運(yùn)營碳排放的因素展開研究，建立了換算總周轉(zhuǎn)量、能源消耗強(qiáng)度、運(yùn)輸車輛結(jié)構(gòu)和人均GDP與碳排放的長期協(xié)整方程與短期誤差修正方程來驗證變量在統(tǒng)計上的因果關(guān)系。研究表明，鐵路運(yùn)輸碳排放與換算總周轉(zhuǎn)量、能源消耗強(qiáng)度存在正向影響關(guān)系，與運(yùn)輸車輛結(jié)構(gòu)和人均GDP存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。LIN等[5]以京津高鐵為案例，研究了鐵路建設(shè)期的碳排放及環(huán)境影響。結(jié)果表明，在建設(shè)期橋梁建設(shè)對環(huán)境足跡的貢獻(xiàn)最大，約為60%，其次是鐵路和電力動車組(EMU)系統(tǒng)建設(shè)制造。上游造成污染物排放的前三大行業(yè)是金屬冶煉和軋鋼業(yè)、運(yùn)輸設(shè)備制造業(yè)和非金屬礦產(chǎn)生產(chǎn)。目前，雖已有鐵路運(yùn)營期碳排放進(jìn)行相關(guān)研究，但多從宏觀角度研究運(yùn)營期碳排放占比，對于碳排放詳細(xì)來源、分布特征、碳減排路徑相關(guān)研究較少。王勇等[6]在研究影響鐵路運(yùn)營期二氧化碳排放因素的同時，利用固定效應(yīng)與隨機(jī)效應(yīng)模型得出，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、平均運(yùn)輸距離以及換算周轉(zhuǎn)量是促進(jìn)二氧化碳排放的因素；車輛結(jié)構(gòu)以及高速鐵路則是抑制二氧化碳排放的因素。WU等[7]將鐵路項目生命周期環(huán)境影響分為5個等級：大負(fù)面影響、小負(fù)面影響、無影響、小正面影響和大正面影響，并在改進(jìn)的層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上，引入一種定量方法來評價鐵路項目的綜合環(huán)境影響。以某鐵路項目為例進(jìn)行分析，結(jié)果表明，主要的環(huán)境影響發(fā)生在運(yùn)營和拆除階段。YUE等[8]從宏觀的視角，運(yùn)用生命周期評價方法，采用中國特定生命周期清單數(shù)據(jù)庫——中國核心生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(CLCD)，在高速鐵路全生命周期中車輛運(yùn)行在大多數(shù)影響類別中占主導(dǎo)地位，而車輛制造、維護(hù)、處置和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對礦物消耗(43%和38%)和水中有機(jī)化合物(54%用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè))的貢獻(xiàn)最大。馮旭杰[9]運(yùn)用生命周期評價的方法研究了高速鐵路設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)、拆解5個階段的能源消耗與碳排放情況，結(jié)果表明，建設(shè)與運(yùn)營階段是能源消耗與碳排放最多的階段，同時基于高鐵運(yùn)行速度優(yōu)化考慮建立了優(yōu)化模型，是實現(xiàn)高鐵運(yùn)行節(jié)能的關(guān)鍵手段。

從文獻(xiàn)綜述中可以發(fā)現(xiàn)，鐵路運(yùn)營期產(chǎn)生的碳排放占鐵路行業(yè)全生命周期的80%以上，是鐵路碳排放的主要階段[10]。在鐵路運(yùn)營期內(nèi)，各類站段會消耗大量能源與資源是碳排放的主要來源[11]，而目前缺少針對運(yùn)營期鐵路碳排放的特征以及來源的詳細(xì)研究。

以中國北方某鐵路局集團(tuán)為案例，分析鐵路運(yùn)營期碳排放來源特點及分布，結(jié)合目前運(yùn)營碳排放情況提出可以幫助實現(xiàn)運(yùn)營期節(jié)能減排的方法與措施，并通過情景分析預(yù)測未來鐵路運(yùn)營期減排效果，為制定鐵路減排發(fā)展戰(zhàn)略、建設(shè)“零碳”鐵路提供重要參考。

1 鐵路運(yùn)營期碳排放計算依據(jù)

1.1 鐵路運(yùn)營期碳排放劃分邊界

鐵路運(yùn)營期站段碳排放是指，在鐵路全生命周期的運(yùn)營期階段站段向外界環(huán)境排放的溫室氣體數(shù)量，為進(jìn)行計算需劃定計算邊界。在邊界中，應(yīng)當(dāng)包括可以維持鐵路各站段實體并實現(xiàn)各項生產(chǎn)運(yùn)維功能的一系列能源及資源產(chǎn)品[10]。同時，為了方便研究，按照功能不同，將鐵路局集團(tuán)下屬各類站段劃分為不同的12類站段。本研究鐵路運(yùn)營期站段碳排放邊界如圖1所示。在時間維度層面，本研究選擇站段生產(chǎn)運(yùn)營1年作為時間邊界。

圖1 鐵路站段運(yùn)營期碳排放計算邊界

1.2 鐵路運(yùn)營期碳排放清單

鐵路運(yùn)營期站段碳排放清單是指，站段在運(yùn)維過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放總和[10]。本研究中，鐵路運(yùn)營期站段碳排放清單如表1所列。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在2018年發(fā)布了ISO14064—1《組織層面上對溫室氣體排放和清除的量化和報告的規(guī)范及指南》，其中明確指出了碳排放核算的三大范圍[11]。范圍一指是直接碳排放，包括天然氣、汽油以及液化石油氣、柴油、煤炭等化石資源的直接燃燒排放；范圍二是指間接碳排放，包括電力、熱力等二次能源使用造成的上游溫室氣體排放；范圍三是指所使用的物料間接排放，包括市政給水、化學(xué)藥物等資源與物質(zhì)。依據(jù)表1清單所列，通過走訪調(diào)研、查閱記錄單，現(xiàn)場收集相關(guān)指標(biāo)的活動水平數(shù)據(jù)。

表1 鐵路運(yùn)營期站段碳排放來源清單

1.3 鐵路運(yùn)營期碳排放計算模型

鐵路運(yùn)營期站段碳排放清單內(nèi)各項指標(biāo)產(chǎn)生的碳排放計算方式如下

E排放=E化石燃料+E電力+E熱源+E資源

(1)

E電力=E牽引+E非牽引

(2)

式中E排放——核算邊界內(nèi)所有用能單位二氧化碳排放總量，噸二氧化碳(tCO2)；

E化石燃料——鐵路運(yùn)營期由于化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳排放量，噸二氧化碳(tCO2)；

E電力——鐵路運(yùn)營期消耗電力產(chǎn)生的二氧化碳排放量，其中由于電力消耗途徑不同分為牽引用電和非牽引用電，噸二氧化碳(tCO2)；

E熱源——鐵路運(yùn)營期消耗蒸汽熱源產(chǎn)生的二氧化碳排放，噸二氧化碳(tCO2)；

E資源——鐵路運(yùn)營期消耗各類資源產(chǎn)生的二氧化碳排放，噸二氧化碳(tCO2)。

其中，不同來源碳排放計算方法如下。

(3)

式中Ai——核算邊界內(nèi)第i種物質(zhì)的活動(消耗)數(shù)據(jù)，單位根據(jù)不同物質(zhì)確定；

EFi——第i種物質(zhì)的二氧化碳排放因子。

其中，各類化石燃料、電力、熱源等資源的碳排放因子如表2所列。

表2 各類能源資源物質(zhì)碳排放因子

2 國內(nèi)外鐵路碳排放特征及減排目標(biāo)分析

2.1 全球鐵路碳排放現(xiàn)狀及電氣化速率

鐵路電氣化是鐵路現(xiàn)在以及未來的發(fā)展方向，其中我國鐵路運(yùn)營電氣化里程數(shù)及運(yùn)營電氣化率均位居全球第一，電氣化率達(dá)到了70%且在不斷增加，其中高速鐵路里程占全球比例已超過60%[12-13]。如圖2所示，在發(fā)達(dá)國家中，日本、德國和法國的鐵路電氣化率在60%左右，英國鐵路電氣化率不足40%，而美國作為全球鐵路運(yùn)營里程最長的國家，其電氣化率不足1%[14]。在電氣化水平相對較高的國家，其電力來源清潔水平不高，實現(xiàn)電氣化的目的是為了減少直接使用化石燃料帶來的環(huán)境污染，實現(xiàn)鐵路的綠色發(fā)展，然而現(xiàn)在大多數(shù)國家的電力生產(chǎn)依靠煤炭等化石燃料，這也為實現(xiàn)鐵路的綠色化帶來了阻礙。

圖2 全球主要國家鐵路電氣化水平

因此，如何在鐵路運(yùn)營過程中降低電力消耗造成的間接溫室氣體排放，配套清潔能源利用是未來牽引供電系統(tǒng)大幅度減排的重要所在。

2.2 中國鐵路碳排放特征分析

圖3為鐵路全生命周期碳排放來源及分布。圖3可知，運(yùn)營期作為鐵路運(yùn)輸全生命周期碳排放貢獻(xiàn)最大的階段，其碳排放占比約85%，是鐵路全生命周期推進(jìn)碳減排的主要陣地。其中牽引供電能耗占60%以上，非牽引占40%；在非牽引能耗中，維持鐵路站段運(yùn)維消耗的電力貢獻(xiàn)占比達(dá)65%。結(jié)合之前研究可以看出，電力是關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵能源，也是碳排放的主要來源，如何減少電力的使用，提高清潔能源的替代，減少牽引能耗碳排放以及非牽引能耗中的鐵路站段運(yùn)維產(chǎn)生的碳排放，將是鐵路運(yùn)輸實現(xiàn)碳減排面臨的關(guān)鍵問題。

圖3 鐵路全生命周期碳排放來源及分布

2.3 全國鐵路運(yùn)營期碳排放現(xiàn)狀

根據(jù)國家鐵路局每年統(tǒng)計公布，得出2010—2020年我國鐵路碳排放與單位運(yùn)輸量碳排放的變化情況，如圖4所示。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，我國鐵路客運(yùn)與貨運(yùn)量不斷增加，整體碳排放量也逐年升高。但是，在2013年開始，隨著燃油、燃煤機(jī)車的逐步淘汰，我國鐵路運(yùn)輸碳排放總量開始下降；而隨著高速鐵路大量新線投產(chǎn)運(yùn)營，2015年后鐵路運(yùn)輸碳排放總量又開始上升，直到2020年受到新冠疫情的影響，碳排放總量下降。

圖4 我國鐵路碳排放總量及單位碳排放變化

圖5為全國各鐵路局年度碳排放總量及碳排放強(qiáng)度統(tǒng)計。圖5可知，中國鐵路上海局集團(tuán)的二氧化碳排放量最大，其次是沈陽與北京局集團(tuán)，青藏鐵路公司排放量最小；在碳排放強(qiáng)度方面，哈爾濱局最高，為28.7tCO2/(106t·km)，太原局最低為12.0 tCO2/(106t·km)；在18個鐵路局中，有8個鐵路局高于全國平均碳排放水平，主要集中于東北和西北地區(qū)。根據(jù)國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國目前水力發(fā)電能力集中于南方地區(qū)，風(fēng)力、太陽能等發(fā)電能力集中于華北及西北地區(qū)，根據(jù)目前各鐵路局的碳排放水平，未來上海局、北京局、廣州局、太原局、呼和浩特局與烏魯木齊局等鐵路局可憑借區(qū)域能源優(yōu)勢實現(xiàn)“借勢減排”，逐步實現(xiàn)清潔能源的轉(zhuǎn)型替代，從而進(jìn)一步降低局段的溫室氣體排放。

圖5 全國各鐵路局年度碳排放總量及碳排放強(qiáng)度

2.4 某鐵路局運(yùn)營期站段碳排放特征

通過計算，某鐵路局鐵路運(yùn)營期碳排放總量為520萬tCO2，其中牽引能耗碳排放占比75.5%，鐵路站段年碳排放總量達(dá)約127.5萬tCO2。將鐵路運(yùn)營期碳排放來源按照IPCC范圍進(jìn)行分類，結(jié)果顯示，目前鐵路運(yùn)營期碳排放主要來于范圍二與范圍一，能源消耗是碳排放的主要來源。其中以范圍二代表的電力等間接能源消耗所貢獻(xiàn)的排放最多；此外，能源的直接燃燒排放(范圍一)貢獻(xiàn)了近40萬tCO2。說明各種類型能源消耗是鐵路運(yùn)營期站段碳排放最主要來源，如何降低鐵路運(yùn)營期的能源消耗水平是推動鐵路運(yùn)營期實現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵。

2.4.1 不同能源種類運(yùn)營期碳排放分布

鐵路運(yùn)營期碳排放主要是能源消耗造成的直接與間接排放，因此，有必要對不同能源貢獻(xiàn)進(jìn)行分析。在能源結(jié)構(gòu)層面，電力是鐵路運(yùn)輸站段碳排放主要來源；其次是柴油燃燒與熱源使用，分別占比61.73%、26.49%、6.96%。我國目前的發(fā)電結(jié)構(gòu)以火電為主，火力發(fā)電造成的溫室氣體排放顯著高于其他發(fā)電類型。按照部門細(xì)分可以看出，除機(jī)務(wù)段、運(yùn)維保障以及車輛段外，其余站段部門主要碳排放來源于電力消耗，機(jī)務(wù)段熱源消耗與新鮮水消費占比也比較突出，共同占比達(dá)到了44.3%，這是因為，機(jī)務(wù)段中的各個部門功能較多，因此用到的能源種類較多。對于車輛段，熱源產(chǎn)生的碳排放占比最大，這是由于車輛段負(fù)責(zé)進(jìn)行機(jī)車維修與保養(yǎng)，因此，場站面積大，冬季供熱能耗更高。

2.4.2 不同站段運(yùn)營期碳排放分布

圖6為各類鐵路站段運(yùn)營期碳排放來源及分布統(tǒng)計。由圖6可知，從站段層面，各站段的碳排放以電力消耗為主，根據(jù)不同站段的功能不同在其他能源貢獻(xiàn)層面存在差別。例如機(jī)務(wù)段，由于車輛機(jī)械設(shè)備對燃油消耗較多，同時使用頻繁，因此，柴油、汽油等燃油能源碳排放貢獻(xiàn)占比較大；車輛段、客運(yùn)車站、機(jī)務(wù)段等人員較為集中的站段及部門，日常制冷供暖對熱源需求較高，因而此部分碳排放占比較大；此外，客運(yùn)段、客運(yùn)車站等配備有食堂、澡堂的部門在氣田天然氣及液化石油氣方面的消耗也不可忽視。

圖6 各類鐵路站段運(yùn)營期碳排放來源及分布

綜上所述，能源消耗是鐵路運(yùn)營期站段碳排放的主要來源，其中以電力消耗產(chǎn)生的間接碳排放為主；在各類站段中，機(jī)務(wù)段、客運(yùn)車站運(yùn)營期碳排放顯著高于其他站段，這是由于不同類型站段因在發(fā)揮的功能角色不同，在能源使用及碳排放方面存在差別，不同類型站段需要根據(jù)自身的能源消費及排放特點來制定相應(yīng)的減排路徑。

3 鐵路運(yùn)營期碳排放特征與減排路徑

高鐵車站作為一種大型公共建筑，在全國范圍內(nèi)發(fā)展迅速。一般來說，新建車站大多設(shè)有大、高、開放的候車廳，售票大廳等空間，大面積的玻璃幕墻或天窗。本節(jié)以高鐵車站為代表的鐵路客運(yùn)車站為重點，分析車站能源消耗特點以及碳排放情況，同時研究幫助鐵路客站實現(xiàn)改進(jìn)的措施與方法。

3.1 高鐵車站碳排放來源及分布

為分析鐵路客站碳排放來源及特征，以中國北方某車站為案例進(jìn)行研究。該車站隸屬于中國某北方鐵路局的特等車站。如圖7所示，將高速鐵路車站內(nèi)不同用能設(shè)備根據(jù)功能不同分為六大類型。通過計算分析，除水資源消耗產(chǎn)生的碳排放外，該高鐵車站其余碳排放均來源于電力消耗，占比超過99%，是高鐵車站碳排放的主要來源。

圖7 高鐵車站用能系統(tǒng)分類

通過以上分析可知，電力造成的溫室氣體間接排放是高鐵車站運(yùn)營期碳排放的最主要來源，這是由于目前全國電力來源仍以火力發(fā)電為主。高鐵車站內(nèi)不同功能單元的碳排放排名前三位的依次是：通風(fēng)空調(diào)>照明系統(tǒng)>商業(yè)廣告，這與高鐵車站的建筑特點有關(guān)，由于高鐵車站較大的室內(nèi)空間導(dǎo)致空調(diào)及照明能耗占比高于其他類型建筑。高鐵車站碳排放來源分布如圖8所示。

圖8 高鐵車站碳排放來源分布

在設(shè)備層面，各單項設(shè)備碳排放貢獻(xiàn)由大到小的順序為：冷熱源供應(yīng)系統(tǒng)>通風(fēng)空調(diào)>公共區(qū)域照明。通過對該高鐵車站碳排放貢獻(xiàn)前三的單元設(shè)備層面的碳排放貢獻(xiàn)分布分析，可以看出，在通風(fēng)空調(diào)單元中，冷熱源供應(yīng)設(shè)備碳排放占比最大，其次是空調(diào)通風(fēng)設(shè)備；在照明系統(tǒng)單元中公共區(qū)域照明占比超過70%；在商業(yè)廣告單元中，商戶用電與廣告照明能源消耗綜合超過單元整體的80%。綜合以上分析可以發(fā)現(xiàn)，未來在冷熱源供應(yīng)設(shè)備、公共區(qū)域照明設(shè)備、商戶廣告用電設(shè)備采取節(jié)能措施的收益將會較大。

3.2 鐵路運(yùn)營期站段碳減排路徑研究

敏感性分析是指，選定單一參數(shù)在指定范圍內(nèi)變動、其他參數(shù)保持不變，以驗證該參數(shù)對研究結(jié)果的影響程度[15]。為了探究鐵路運(yùn)營期站段碳排放減排路徑與方法，采用敏感性分析的方法對影響鐵路碳排放影響較大的因素進(jìn)行分析，以明晰鐵路節(jié)能減排的重要控制因素。

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，能源消耗是造成鐵路運(yùn)輸碳排放的主要因素。發(fā)電結(jié)構(gòu)將對電力排放因子造成影響，將實際電力排放因子、化石能源消耗量、熱源及其他能源消耗量分別提高和降低10%、 20%，分別進(jìn)行碳排放核算。對核算結(jié)果進(jìn)行處理，得到在±10%、±20%的情況下各碳排放值的變化情況，如表3、圖9所示。

表3 三類影響因子敏感性分析結(jié)果 萬t CO2

圖9 三類影響因子敏感性分析圖

從表3與圖9可以看出，在鐵路運(yùn)營期碳排放中，電力排放因子最敏感，其次是化石燃料的使用。因此，電力能源結(jié)構(gòu)以及化石燃料的直接使用量是鐵路運(yùn)營期碳排放的重要控制因素。未來隨著太陽能、風(fēng)能等新能源技術(shù)的發(fā)展，如何減少化石能源的使用并充分利用清潔能源將是重要的發(fā)力點。表4列出了在鐵路運(yùn)營期可以利用的節(jié)能及能源替代措施。

表4 鐵路運(yùn)輸節(jié)能技術(shù)發(fā)展與領(lǐng)域

4 結(jié)語

(1)中國鐵路里程和電氣化水平將不斷提高，開發(fā)新能源替代傳統(tǒng)能源技術(shù)與實施應(yīng)用減少鐵路運(yùn)營期電力消耗帶來的溫室氣體排放是推進(jìn)鐵路減排發(fā)展的重要手段，是實現(xiàn)鐵路行業(yè)綠色化的主要途徑 。

(2)在機(jī)車運(yùn)營及維護(hù)方面，可以開發(fā)輕量化車體、回收剎車動能、降低運(yùn)輸阻力等多種低碳技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，是實現(xiàn)運(yùn)營期車輛牽引與維護(hù)過程中低碳化的重點。

(3)在鐵路客站的運(yùn)營方面，重點減排對象在于通風(fēng)空調(diào)、照明以及商業(yè)廣告系統(tǒng)等用能大戶，因此，客站應(yīng)當(dāng)在不同區(qū)域、季節(jié)條件下開展空調(diào)、照明、商業(yè)廣告等系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)維，從管理角度實現(xiàn)節(jié)能減碳。

(4)通過對實際電力排放因子、化石能源消耗量、熱源及其他能源消耗量的敏感性分析，在鐵路運(yùn)營期碳排放中，電力排放因子最敏感，其次是化石燃料的使用。電力能源結(jié)構(gòu)以及化石燃料的直接使用量是鐵路運(yùn)營期碳排放的重要控制因素。