基于全生命周期的鐵路行業碳達峰影響因素研究

張良濤，李鳴君

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 環境工程設計研究院，湖北 武漢 430000）

0 引言

氣候變化已經成為世界各國發展均需應對的宏觀議題。2020年9月22日，我國提出將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。2021 年國務院印發了《2030 年前碳達峰行動方案》，明確了2030 年國家鐵路單位換算周轉量綜合能耗比2020 年下降10%[1]。為實現這一既定目標，對鐵路行業實現碳達峰的影響因素進行識別分析具有重要的理論和現實意義。

目前對于鐵路行業碳排放的研究，以建設階段和運營階段碳排放為主。周新軍等[2]對鐵路運輸企業溫室氣體排放的核算邊界、核算主體、核算方法等進行了研究，提出了鐵路運輸企業溫室氣體排放量核算的基本框架；汪瑩等[3]綜合運用協整檢驗、向量誤差修正模型及Granger 檢驗，對鐵路運營碳排放量影響因素進行了研究，提出其與總換算周轉量、能源消耗強度、運輸車輛結構、人均GDP 間的關系；陳進杰等[4]基于全生命周期理論將高速鐵路劃分為建材生產階段、施工建設階段、運營維護階段和報廢拆除階段，建立了高速鐵路全生命周期碳排放數學模型；王勇等[5]以各鐵路局為研究對象，測算分析 2006—2017 年運營碳排放量的變化趨勢，并應用計量經濟模型，考慮影響鐵路運營二氧化碳總排放量和二氧化碳排放量變動的主要因素；馮旭杰[6]將高速鐵路按全生命周期劃分為設計、建設、運營、維護和拆解5 個階段，分析各階段的典型活動，總結生命周期視角下高速鐵路能源消耗和碳排放。

現有研究多側重于鐵路項目建設和運營層面，對設計層面的考慮較少；在碳排放計算模型中，對“雙碳”政策下的影響因素分析較少。本文基于全生命周期理論，綜合考慮鐵路項目建設特點、鐵路行業碳排放現狀及相關政策要求，重點分析鐵路行業碳達峰影響因素。

1 鐵路行業碳排放現狀及特點

1.1 鐵路行業主要指標及能耗現狀

根據鐵路統計公報數據，鐵路行業換算周轉量指標中，貨運工作量占主要地位，2011至2020年平均占比達68.6%?？瓦\業務方面，2011至2019年旅客運輸業務量增長顯著，發送量和旅客周轉量累計增長分別達到99.7%和51.6%，2020 年受疫情影響，客運量和旅客周轉量較2019 年分別降低了39.4%和43.2%。貨運業務方面，2011 至2016 年期間呈現逐年下降的趨勢，貨運量和貨物周轉量累計下降分別達到19.5%和23.0%，2016至2020年因鐵路網完善、多式聯運、公路治超等因素，貨運量和貨物周轉量均有顯著增加，貨運量和周轉量累計增長分別為35.0%和28.8%。電氣化率方面，隨著高速鐵路、城際鐵路等項目的建設，鐵路電氣化率逐年提高，2020 年已達到72.8%。牽引車輛中，內燃機車 2020 年較2011 年減少了0.25萬臺，減少比例為23.8%；動車組數量顯著增加，2020 年較2011 年增加了3 266 組，增加了5 倍左右。隨著《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》《2030 年前碳達峰行動方案》等文件的發布，在未來較長一段時間內，鐵路行業客運業務將持續穩定增長，貨運業務受政策影響，工作量有望進一步快速增長；隨著鐵路電氣化率的不斷提高，將進一步形成以電力消耗為主、其他能源消耗為輔的能源消費結構形式[1,7]。近十年鐵路主要技術指標如表1所示。

表1 近十年鐵路主要技術指標

根據國家發展和改革委員會能源研究所確定的標準煤炭排放系數，即每噸標準煤產生0.67 t碳排放量。國家鐵路近十年換算周轉量、碳排放總量和能耗強度如圖1所示。

圖1 近十年國家鐵路行業換算周轉量、碳排放及能耗強度

由圖1可知，2011至2015年鐵路行業碳排放總量與換算周轉量呈正相關，隨著工作量的逐年減少而逐年降低；能耗強度出現波動，整體基本保持在平均值4.66 tce/百萬換算噸公里左右。2016 至2019 年受相關政策影響，鐵路行業換算周轉量保持較快速的增長，年均增長為5.6%；能耗強度受技術升級、電氣化率提高等因素的影響逐年降低，2019 年達到3.94 tce/百萬換算噸公里，受此影響2016 至2019 年碳排放總量增長較緩，年均增長為1.0%。2020年受疫情影響，旅客發送量大幅下降，換算周轉量綜合能耗為4.34 tce/百萬換算噸公里。

1.2 鐵路行業碳排放主要環節及特點

基于全生命周期理論和鐵路項目建設特點，將鐵路行業碳排放分為規劃設計、運營維護、相關配套3 個階段，其中相關配套階段包括建材生產、建設施工、拆除報廢等內容。

（1）規劃設計階段碳排放主要包括地形勘測、地質勘察、內部作業等過程中儀器設備、運輸工作產生的碳排放。研究表明，規劃設計階段能耗碳排放量遠小于其他任何一個階段碳排放量，在全生命周期碳排放計算中可以忽略不計[6]，但其對鐵路全生命周期碳排放有著重要影響。以某地城際鐵路為例，設計階段按日開行30對列車考慮，并據此配備動車組、牽引變壓器等耗能設備，在實際運營過程中受高鐵分流等因素影響，日均列車開行10對，初步估算因牽引變壓器容量配置過大造成的年二氧化碳排放量為76.5 t。

（2）運營維護階段碳排放包括牽引動力系統和生產輔助系統2 個部分，根據調研資料和鐵路節能報告的相關數據，通常牽引動力系統碳排放約占鐵路運營期總排放的60%～70%，其中高速鐵路牽引系統占85%以上，是鐵路運營期碳排放的主要部分；生產輔助系統碳排放包括鐵路站房、檢修段所及配套生活房屋等部分，以鐵路站房碳排放為主。鐵路運營維護階段碳排放是鐵路全生命周期排放的重點，以京滬高速鐵路為例，運營維護階段的碳排放占生命周期總排放的84.97%[4]。

（3）相關配套階段碳排放主要包括生產各類型建材、車輛運輸作業和施工機械作業等過程的碳排放，受行業、運輸方式及運輸車輛、施工設備等影響較大，主要耗能品種為生產作業過程中的設備電力消耗和運輸車輛、設備的燃油消耗。

綜上，鐵路全生命周期階段碳排放主要技術環節及特點如表2所示。

表2 鐵路全生命周期階段碳排放主要技術環節及特點

2 基于全生命周期的鐵路行業碳排放計算模型

鐵路項目設計階段雖然自身碳排放量極小，但對其他階段碳排放影響較大，是鐵路全生命周期碳減排的源頭，綠色低碳的設計方案決定了運營期和相關配套階段的碳排放水平。按照鐵道統計公報、節能報告編制及鐵路要求，均需要核算單位運輸工作量綜合能耗指標；根據鐵路項目設計及節能報告編制經驗，可在設計階段提供單位運輸工作量及換算周轉量、單位換算周轉量綜合能耗等指標，并且相同技術標準下的鐵路能耗指標基本相當。因此，本文以同類型項目單位運輸工作量碳排放指標為基礎，以項目綠色低碳設計水平進行系數修正，構建了體現綠色低碳設計水平對鐵路項目全生命周期碳排放影響的計算模型，并制定綠色低碳評分表，以實現在設計階段初步計算項目碳排放總量以判斷項目整體碳排放水平，模型如下。

式中：C為鐵路行業全生命周期碳排放，t·CO2；μ為全生命周期碳排放的修正系數；θ為規劃設計方案影響全生命周期碳排放的修正系數；k為規劃設計方案綠色低碳評分，k值越大表明方案越低碳節能；kj為規劃設計方案基礎得分，參照鐵路行業平均綠色低碳設計水平取值；Li表示第i種鐵路項目的長度，分為客運專線、城際鐵路、普速鐵路等，km；CLi表示第i種鐵路單位長度在相關配套階段的碳排放指標，t·CO2/km；Qti表示生命周期m年內第t年第i種鐵路項目的換算周轉量，分為客運專線、城際鐵路、普速鐵路等，換算噸公里；Cti表示第t年第i種鐵路單位換算周轉量碳排放指標，t·CO2/換算噸公里。

根據相關調研資料及鐵路項目節能報告編制經驗，與項目碳排放水平相關的設計內容可分為節能方案設計、節能設備選型、清潔能源及新技術利用、能源計量與管控4個部分，各部分分值如表3所示。

表3 鐵路項目綠色低碳評分表

本文選取2條設計時速350 km的高速鐵路節能報告進行算例分析，項目綠色評分及修正系數計算如表4所示。

根據節能報告編制經驗，設計速度350 km/h的高速鐵路項目單位運輸工作量綜合能耗一般在7.5～9.5噸標煤/百萬換算噸公里，本次按8.5 進行計算，鐵路行業平均綠色低碳設計水平kj取80分，則項目A和項目B 運營期碳排放修正后指標分別為8.24 和9.90，與批復指標相差均在3%以內。

3 鐵路行業實現碳達峰影響因素分析

根據本次提出的全生命周期碳排放計算模型和綠色低碳評分表，梳理行業發展趨勢及相關產業政策要求，對規劃設計、運營維護、相關配套3 個階段鐵路碳達峰影響因素分析如下。

3.1 規劃設計階段

規劃設計階段對鐵路全生命周期碳排放有著重要影響。根據鐵路行業規劃設計特點和“雙碳”目標相關政策，影響因素主要包括以下4個方面。

（1）節能方案設計?！?030年前碳達峰行動方案》提出了交通運輸綠色低碳行動三大目標任務：推動運輸工具裝備低碳轉型、構建綠色高效交通運輸體系、加快綠色交通基礎設施建設。設計應從始至終貫徹節能設計理念，線路、站場、行車、經調、供變電、電力、通號、機械、機輛等專業應充分考慮節能因素，合理確定設計方案和項目規模，隨時關注節能技術發展，有條件應優先選用節能低碳的方案和設備。

（2）節能設備選型。用能設備的選擇對鐵路能耗有著重要影響，根據目前鐵路相關規定，變壓器、空調、風機、照明器具等主要用能設備，均要求選用達到國家 1 級能效標準的產品，并將能效指標作為重要的技術指標列入設備招標文件和采購合同?！?030 年前碳達峰行動方案》要求“以電機、風機、泵、壓縮機、變壓器、換熱器、工業鍋爐等設備為重點，全面提升能效標準”。因此，用能設備能效標準的提高，有利于鐵路行業提高能效水平。

（3）清潔能源利用。清潔能源利用對減少鐵路碳排放有著積極影響。目前鐵路采用的清潔能源主要為太陽能、空氣能、地熱等，主要設備包括太陽能熱水器、空氣源熱泵、光伏發電和地源熱泵等，其中太陽能熱水器、空氣源熱泵最為常用，光伏發電受生產成本、儲能使用效率、站房美觀等因素影響尚未普遍使用，地源熱泵受項目所在地影響較大?！?030 年前碳達峰行動方案》要求 “到2025 年，城鎮建筑可再生能源替代率達到8%，新建公共機構建筑、新建廠房屋頂光伏覆蓋率力爭達到50%”，因而鐵路在站房設計中應進一步加大清潔能源使用比例，減少站房碳排放。

（4）能源計量與管控。能源計量是能源管控的基礎，鐵路系統能源計量目前存在一、二、三級計量表用途混淆，部分計量表年久失修，計量層級分布不清晰的問題[8]。近年來，在我國多個鐵路客運站推廣應用能源管控系統，在實現三級能源計量要求的同時，通過信息化平臺掌握整個車站的能源消耗情況和主要耗能設備的節能管理情況[9]。該系統除了能夠對客運站內各類能源消耗情況進行實時監測和能耗統計分析之外，還能夠對主要耗能設備進行遠程控制和自動控制，提高了車站能源管理的數字化和科學化水平[10]，對鐵路行業實現“雙碳”有著積極意義。

3.2 運營維護階段

（1）碳排放總量影響。運營維護階段對鐵路全生命周期碳排放總量起決定性影響，鐵路運營期排放主要為電力消耗的間接排放和燃油消耗的直接排放。隨著我國電氣化水平的不斷提高，電力消耗的間接排放已經是鐵路行業碳排放的主要組成部分。根據2015至2019 年《中國區域電網基準線排放因子》[11]數據可知，2015 至2019 年電量邊際排放因子呈逐年下降趨勢。根據《2030年前碳達峰行動方案》對能源綠色低碳轉型的相關要求，電力系統中煤電項目將得到進一步控制，新能源占比逐漸提高，對以電能消耗為主的鐵路行業實現碳達峰有重要作用。

（2）能耗強度影響?！?030年前碳達峰行動方案》在“構建綠色高效交通運輸體系”中明確指出：大力發展以鐵路、水路為骨干的多式聯運，推進工礦企業、港口、物流園區等鐵路專用線建設，加快內河高等級航道網建設，加快大宗貨物和中長距離貨物運輸“公轉鐵”“公轉水”。根據調研資料和節能報告數據，普速電力貨運鐵路單位貨運周轉量綜合能耗一般為3～4 tce/百萬噸公里，通過“公轉鐵”對鐵路完成能耗強度目標起到了重要作用。

3.3 其他階段

建材生產、建設施工、報廢拆除等階段對鐵路全生命周期碳排放的影響主要為建材生產、運輸車輛、施工作業等環節。根據《2030 年前碳達峰行動方案》對鋼鐵、建材、運輸工作裝備等碳達峰的相關要求，對鐵路行業實現碳達峰有正面影響。

4 結束語

綜合分析鐵路行業目前碳排放現狀和 《2030 年前碳達峰行動方案》的相關要求，各項影響因素均對鐵路行業節能減碳有積極影響，鐵路作為最節能環保的運輸方式，對交通行業實現碳達峰目標有著重要作用。未來，鐵路應進一步貫徹節能設計理念，加強運營維護，積極響應《2030年前碳達峰行動方案》的相關要求，進一步減少碳排放。