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，我國鐵路運營里程將達到16.5萬km，鐵路運輸在交通運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]分析了鐵路在運營期的碳排放特征，將鐵路運營期碳排放來源分為牽引供電、車站運營、養(yǎng)護維修系統(tǒng)。結(jié)果顯示，鐵路運行期間碳排放貢獻占比最大的牽引供電，占比86.2%；其次是車站運營，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營碳排放的因素，指出單位GDP產(chǎn)生的高速鐵路客運周轉(zhuǎn)量與經(jīng)濟水平是促進高速鐵路碳排放的主要因素。汪瑩[4]對影響我國鐵路運營碳排放的因素展開研究，建立了換算總周轉(zhuǎn)量、能源消耗強度、運輸車輛結(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，鐵路運輸碳排放與換算總周轉(zhuǎn)量、能源消耗強度存在正向影響關(guān)系，與運輸車輛結(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，雖已有鐵路運營期碳排放進行相關(guān)研究，但多從宏觀角度研究運營期碳排放占比，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]在研究影響鐵路運營期二氧化碳排放因素的同時，利用固定效應(yīng)與隨機效應(yīng)模型得出，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、平均運輸距離以及換算周轉(zhuǎn)量是促進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行分析，結(jié)果表明，主要的環(huán)境影響發(fā)生在運營和拆除階段。YUE等[8]從宏觀的視角，運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行在大多數(shù)影響類別中占主導(dǎo)地位，而車輛制造、維護、處置和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對礦物消耗(43%和38%)和水中有機化合物(54%用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè))的貢獻最大。馮旭杰[9]運用生命周期評價的方法研究了高速鐵路設(shè)計、建設(shè)、運營、維護、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)與運營階段是能源消耗與碳排放最多的階段，同時基于高鐵運行速度優(yōu)化考慮建立了優(yōu)化模型，是實現(xiàn)高鐵運行節(jié)能的關(guān)鍵手段。

從文獻綜述中可以發(fā)現(xiàn)，鐵路運營期產(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為案例，分析鐵路運營期碳排放來源特點及分布，結(jié)合目前運營碳排放情況提出可以幫助實現(xiàn)運營期節(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 鐵路運營期碳排放計算依據(jù)

1.1 鐵路運營期碳排放劃分邊界

鐵路運營期站段碳排放是指，在鐵路全生命周期的運營期階段站段向外界環(huán)境排放的溫室氣體數(shù)量，為進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，將鐵路局集團下屬各類站段劃分為不同的12類站段。本研究鐵路運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)運營1年作為時間邊界。

圖1 鐵路站段運營期碳排放計算邊界

1.2 鐵路運營期碳排放清單

鐵路運營期站段碳排放清單是指，站段在運維過程中產(chǎn)生的溫室氣體排放總和[10]。本研究中，鐵路運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 鐵路運營期站段碳排放來源清單

1.3 鐵路運營期碳排放計算模型

鐵路運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，其中我國鐵路運營電氣化里程數(shù)及運營電氣化率均位居全球第一，電氣化率達到了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，運營期作為鐵路運輸全生命周期碳排放貢獻最大的階段，其碳排放占比約85%，是鐵路全生命周期推進碳減排的主要陣地。其中牽引供電能耗占60%以上，非牽引占40%；在非牽引能耗中，維持鐵路站段運維消耗的電力貢獻占比達65%。結(jié)合之前研究可以看出，電力是關(guān)系到鐵路運輸?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維產(chǎn)生的碳排放，將是鐵路運輸實現(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，我國鐵路客運與貨運量不斷增加，整體碳排放量也逐年升高。但是，在2013年開始，隨著燃油、燃煤機車的逐步淘汰，我國鐵路運輸碳排放總量開始下降；而隨著高速鐵路大量新線投產(chǎn)運營，2015年后鐵路運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度統(tǒng)計。圖5可知，中國鐵路上海局集團的二氧化碳排放量最大，其次是沈陽與北京局集團，青藏鐵路公司排放量最??；在碳排放強度方面，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度

2.4 某鐵路局運營期站段碳排放特征

通過計算，某鐵路局鐵路運營期碳排放總量為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約127.5萬tCO2。將鐵路運營期碳排放來源按照IPCC范圍進行分類，結(jié)果顯示，目前鐵路運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的排放最多；此外，能源的直接燃燒排放(范圍一)貢獻了近40萬tCO2。說明各種類型能源消耗是鐵路運營期站段碳排放最主要來源，如何降低鐵路運營期的能源消耗水平是推動鐵路運營期實現(xiàn)碳減排的關(guān)鍵。

2.4.1 不同能源種類運營期碳排放分布

鐵路運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進行分析。在能源結(jié)構(gòu)層面，電力是鐵路運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，除機務(wù)段、運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，共同占比達到了44.3%，這是因為，機務(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)進行機車維修與保養(yǎng)，因此，場站面積大，冬季供熱能耗更高。

2.4.2 不同站段運營期碳排放分布

圖6為各類鐵路站段運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層面存在差別。例如機務(wù)段，由于車輛機械設(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占比較大；車輛段、客運車站、機務(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，客運段、客運車站等配備有食堂、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 各類鐵路站段運營期碳排放來源及分布

綜上所述，能源消耗是鐵路運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，機務(wù)段、客運車站運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前三的單元設(shè)備層面的碳排放貢獻分布分析，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%，分別進行碳排放核算。對核算結(jié)果進行處理，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列出了在鐵路運營期可以利用的節(jié)能及能源替代措施。

表4 鐵路運輸節(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)用減少鐵路運營期電力消耗帶來的溫室氣體排放是推進鐵路減排發(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)在機車運營及維護方面，可以開發(fā)輕量化車體、回收剎車動能、降低運輸阻力等多種低碳技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用，是實現(xiàn)運營期車輛牽引與維護過程中低碳化的重點。

(3)在鐵路客站的運營方面，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營期碳排放的重要控制因素。