现代物流中心运营阶段CO2排放计算分析

2018-12-20张桂正叶建红

城市交通 2018年6期

张桂正，叶建红

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804)

0 引言

温室气体过度排放造成全球气候变暖已成为当今社会面临的重大问题。2015年12月通过的《巴黎协定》设定了全球应对气候变化的长期目标，将全球平均气温比工业化之前水平的升高幅度控制在2℃之内[1]。2016年1月，国家发展改革委发布了《国家发展改革委办公厅关于切实做好全国碳排放权交易市场启动重点工作的通知》(发改办气候[2016]57号)，计划于2017年启动全国碳排放权交易[2]。现代物流中心作为重要的交通基础设施，承担着货物吞吐、运输和仓储功能，其建设和运营过程都需要消耗大量的原料和能源，是碳排放的重要来源之一。计算分析现代物流中心基础设施碳排放，对制定相应的节能减排策略具有重要意义。

近年来，国内外学者对工程建设项目CO2排放计算进行了方法探究和案例分析。文献[3]从节能减排的角度出发选择不同的路面材料和施工工艺，构建了沥青路面建设过程的温室气体排放评价体系。文献[4]对一条高速铁路进行了生命周期碳排放的评估。文献[5]研究了沥青路面和水泥混凝土路面生命周期能耗与碳排放。文献[6]基于全生命周期理论和清单法，构建了施工阶段温室气体排放核算数学模型。文献[7]提出了铁路运输企业温室气体排放量核算的基本框架。文献[8]对沥青路面进行了全生命周期能耗评价。文献[9]计算了北京市某办公和教学用公共建筑的生命周期温室气体排放量。文献[10]开发了适用于中国不同数据水平城市的交通温室气体排放评价模型。文献[11]构建了建筑物物化阶段碳足迹快速计算模型。文献[12]对澳大利亚维多利亚公路局旗下管理的米克勒姆公路的建设阶段进行了碳足迹估算，并对公路建设过程中的碳排放单元进行了清单分解。文献[13]用生命周期评价法对高速公路全生命周期进行了碳足迹估算，但未能将营运车辆的碳排放纳入运营阶段。可以发现，目前对CO2排放的计算主要基于清单法，且研究对象多集中在房屋建筑和高速公路建设阶段，虽然不少学者提出了包含材料物化阶段、建设阶段、运营阶段和拆除阶段的全生命周期理论，但是对运营阶段的碳排放计算研究不足，对现代物流中心运营阶段的碳排放尚未进行系统计算和分析。

本文运用成熟的碳足迹计算理论和方法，以CO2为碳排放计算对象，首次展开对现代物流中心运营阶段碳排放的计算，重点分析项目建成后运营阶段的CO2排放。首先梳理现代物流中心运营阶段CO2排放过程，将排放源归纳为两大类：1)交通运输类，主要针对港口作业区与物流园区在内部货物装卸和对外货物运输过程中产生的CO2；2)建筑物类，主要针对相关建筑物日常运营过程中产生的CO2。然后基于能耗统计的CO2排放清单计算方法，以宜昌市三峡现代物流中心基础设施项目作为计算对象，分析各个部分温室气体排放的计算清单，构建现代物流中心运营阶段CO2排放计算框架。最后，结合案例数据定量分析各个环节的减排潜力。

1 研究方法

CO2排放计算基于能耗清单法，基本原理是碳元素守恒，即燃料在燃烧前包含的碳元素质量与燃烧后排放气体中包含的碳元素质量保持一致。在已知燃料含碳量的前提下，能源消耗量与CO2排放质量通过CO2排放因子进行关联。

式中：MCO2为CO2排放总量；Mfuel,i为第i种化石燃料的消费量；kfuel,i为第i种化石燃料的CO2排放因子。

1.1 能耗系数的确定

准确分析各类货物装卸运输环节、装卸运输设备以及能耗排放因子尤为关键。不同运输机械设备的能耗系数可结合生产厂家给定的技术参数或者相应的国家规范、行业规范进行确定。根据货物装卸运输工艺以及相应的设备配置，梳理港口和物流园区货物装卸运输设备能耗系数(见表1和表2)。

表1 港区作业设备能耗系数Tab.1 Energy consumption coefficient of port operation equipment

表2 物流园区作业设备能耗系数Tab.2 Energy consumption coefficient of operation equipment in logistics park

1.2 排放系数的选取

联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)于2006年公布常见能源的CO2排放系数，燃料油及电能的CO2排放系数。世界资源研究所(World Resources Institute,WRI)制定的《中国城市温室气体核算工具指南》[16]也给出不同类型能源的CO2排放因子。比较IPCC和WRI的排放系数：IPCC的柴油CO2排放系数比WRI高5%；WRI的电能CO2排放当量比IPCC高13.9%。WRI系数结合中国实际，并纳入地区性差异，因此本文采用WRI排放因子(见表3)。

表3 不同类型能源CO2排放因子(WRI)Tab.3 CO2emissions factors of different types of energy(WRI)

2 案例分析

选取宜昌市三峡现代物流中心基础设施项目——白洋港现代物流中心项目为计算对象。对排放过程进行梳理，将排放源归纳为两类(共四个模块)：1)交通运输类CO2排放，包含港口作业区内部作业模块、物流园区内部作业模块和港口物流园区对外运输模块；2)建筑物类CO2排放，包含建筑物日常运营模块。白洋港现代物流中心项目CO2排放总量

式中：Ctotal为CO2总排放量/(t·a-1)；Cport为白洋港作业区内部货物装卸运输CO2排放量/(t·a-1)；Clogistics为白洋物流园区内部货物装卸运输CO2排放量/(t·a-1)；Cthroughput为港口与园区对外货物运输CO2排放量/(t·a-1)；Cbuildings为建筑运营过程中CO2排放量/(t·a-1)。对各个模块碳排放计算流程进行梳理，如图1所示。

图1 现代物流中心运营阶段碳排放计算流程Fig.1 CO2emissions calculation process in the modern logistics center

2.1 港口内部货物装卸及运输CO 2排放

2.1.1 港口内部CO2排放分析

港区货物运输分为到港和离港两大流向。以到港货物为例，货物运输作业主要包括三大环节：1)货物到港后选择相应的码头泊位进行停靠装卸；2)利用汽车或水平传送带将货物运送到后方堆场；3)在堆场内再次装卸、存储(见图2)。

图2 港口货物作业流程Fig.2 Operation process of port cargo

将货物按照货物特点和运输存储的过程分为四大类：散货、杂货、集装箱和重大件。其中散货吞吐量500万t·a-1，杂货吞吐量100万t·a-1，集装箱吞吐量8万TEU·a-1(折合80万t·a-1)，重大件吞吐量20万t·a-1。针对港区泊位码头装卸、堆场装卸以及泊位码头与堆场间的水平运输三个环节，计算得到港区作业CO2排放量为2 913.84 t·a-1，单位货物CO2排放为4.27 t·万t-1。各机械运输设备年排放情况如图3所示。

图3 港区内不同设备货物装卸运输作业CO2年排放量Fig.3 Annual CO2emissions by different types of cargo handling equipment in port area

2.1.2 港口内部减排潜力分析

1）基于不同环节的CO2减排分析。

港口内部作业分为三个阶段：港口装卸阶段、货物水平运输阶段和堆场装卸阶段，CO2排放比例见图4。堆场货物和港口码头装卸的货物种类和数量相同，但堆场装卸年碳排放是港口码头的1.33倍。由于港口码头装卸相较堆场装卸，使用了大型的装卸设备，进行集约化的装卸，规模效应下可以显著降低单位货物装卸的CO2排放量。

2）基于不同设备的碳排放贡献分析。

在港口内部作业过程中，CO2排放主要由8种设备贡献，每种设备的单位万吨货物碳排放量如图5所示。

在堆场装卸阶段，轮胎起重机、单斗装载车和龙门起重机三种设备装卸不同类型货物，没有功能的可替代性。在港口泊位码头装卸阶段，移动式装船机、岸边桥式起重机和门座起重机三种设备分别装卸不同类型货物，同样不具备功能的可替代性。在港口内部水平运输阶段，带式传输机和汽车都可以用来运输散货，但是带式传输机使用电能，运输相同单位货物的CO2排放远小于汽车。根据港口规划，白洋港区每年能达到约500万t散货吞吐量，假设全部使用传送带替代汽车运输散货，可减少1 285.9 t·a-1的CO2排放，约占港口作业总排放的43%，减排效益相当可观。

2.2 物流园区内部货物装卸及运输CO 2排放

物流园区内部CO2排放包括仓库装卸、堆场装卸、车间装卸以及这三个主要功能区域之间的货物交换。测算重点考虑仓库、堆场以及车间内部货物频繁装卸产生的CO2排放，且主要是垂直方向的装卸作业。货物作业流程如图6所示。

基于园区内货物流通过程分析，分别针对仓库、堆场及车间货物装卸作业进行梳理，计算得到物流园区装卸作业CO2总排放量为2 772.49 t·a-1，各种设备贡献如图7所示。

2.3 对外货物运输CO 2排放

2.3.1 物流园区对外货物运输CCOO22排放

物流园区对外年货运量为587.1万t，包括铁路、公路、港口和航空4种运输方式。本项目对外货运量中公路运输占比相对较高。各种运输方式所占比例如表4所示。

根据宜昌市现状物流业交通量调查，结合物流中心的区位、功能定位、城市发展等多方面因素，分析得到园区货运交通流向和流量比例(见图8)。

1）公路运输。

根据相关研究，取普通货车能耗系数为0.033 6 kg·t-1·km-1[14]，计算得到物流园区对外公路运输CO2排放量为19.41万t·a-1(见增强出版网络文件附图1①)。公路运输运距长，对CO2排放的贡献最大。

2）水路运输。

物流园区对外水路运输货运量为206.8万t·a-1，通过长江向东西两个方向辐射。计算宜昌市内的部分，向东航行距离为28.2 km，向西航行距离为63.9 km。采用与项目临近的重庆市长江水运平均能耗系数3.1 kg·kt-1·km-1，根据船舶运输距离、货运量、能耗系数和排放系数，计算水运的CO2排放量为885.08 t·a-1(见增强出版网络文件附图2)。

3）铁路运输。

物流园区对外铁路运输货运量为107.1万t·a-1，运输方向以及比例与公路基本一致。铁路运输主要消耗电能，根据相关研究，取货运列车能耗系数为0.008 8 kW·h·t-1·km-1。计算得到铁路运输CO2排放为3 723.81 t·a-1(见增强出版网络文件附图3)。

4）航空运输。

航空货运量仅占总货运量的0.004%，排放贡献非常小，本次计算予以忽略。2

2.3.2 港区对外货物运输CCOO22排放

港区对外货运总吞吐量为700万t·a-1，全部通过长江向东西两个方向辐射。由于港口对外水运辐射的吞吐量分布尚待确定，计算碳排放时只统计宜昌市内的部分。同样采用与项目基地临近的重庆市长江水运平均能耗系数和WRI推荐的排放因子，计算得到港区水运CO2排放总量为2 995.90 t·a-1(见增强出版网络文件附图4)。

2.3.3 对外货运减排潜力分析

1）港口物流园区铁水联运减排效果。

港口和物流园区吞吐货物中部分通过铁路和水运直接转换，减少了货物进入堆场、仓库反复装卸的过程。采用铁水联运，进行运输方式结构性优化，可以减少能源消耗和CO2排放。根据货运预测，铁水联运的比例占总货物吞吐量的10%，可以减少CO2排放237.68 t·a-1。不同货种的减排效果如图9所示。

图4 港口内部不同过程CO2排放比例Fig.4 The proportion of CO2emissions in port area

图5 不同设备万吨货物CO2排放量Fig.5 CO2emissions per 10 000 tons by different types of equipment

图6 物流园区内货物作业流程Fig.6 Operation procedure in logistics park

图7 物流园区内部货物装卸CO2年排放量Fig.7 Annual CO2emissions of cargo handling in logistics park

2）基于不同辐射区域的公路运输CO2排放。

在物流园区公路运输中，由于运输距离和货运量的差异，19个辐射地区对CO2排放的贡献不同(见图10)。排放贡献最大的区域出现在最远和最近两端。其中枝江市距离物流园区距离最近，但是货运量非常大，占物流园区总货运吞吐量的36.5%，对CO2排放的贡献高达13%。

表4 白洋物流园区各种运输方式所占比例Tab.4 Transportation mode share in Baiyang Logistics Park %

图8 货运交通流量、流向分布Fig.8 Distribution and direction of freight traffic flow

图9 铁水联运减排效果Fig.9 Emissions reduction of rail-vessel transportation

3）船舶减排措施。

船舶作为交通运输中载运量比例较大的载运工具，对CO2排放水平贡献较大。结合相关研究[18]，主要的船舶减排措施包括三个方面：

①减小船舶阻力：优化船舶的尺度和线型，减少船体的粗糙度。

②采用风帆助航：利用风力资源，采用风帆助航是船舶节能减排的另一条途径，相关实验研究发现风帆助航最大可以节省50%的燃料消耗[19]，从而大大减少CO2排放。

③采用经济航速航行：降低航速，可使主机消耗功率大大减少，达到很好的节能减排效果。但降低航速可能导致其他费用的增加。

2.4 建筑物日常运营CO 2排放

建筑物运营阶段CO2排放由每日消耗能源产生(以电能为主)。梳理各类建筑物的建筑面积，根据《民用建筑单位面积用电量参考指标》计算研究范围内各建筑物的能耗和CO2排放。物流园区建筑物总建筑面积22.94万 m2，总耗电量 12 758 kW·h·d-1，CO2排放量2 887.14 t·a-1(其中综合物流区室外1 181.29 t·a-1，商贸物流A区室外928.28 t·a-1，商贸物流B区室外777.57 t·a-1)。采用种植屋面、雨水收集系统、太阳能充电板等节能措施能有效减少建筑使用能耗，实现建筑全年总能耗减少60%，减排效果如图11所示。

3 现代物流中心运营减排策略

1）清洁能源替换与设备更新。

研究发现，使用电力传送带运输散货比传统燃油汽车减少2.57 t·万t-1CO2排放。

从绿色低碳的角度考虑，港口物流园区装卸机械应尽量采用电力驱动或充电使用的设备。

2）运输方式结构性优化与调整。

研究发现，10%的铁水联运比例可以减少237.68 t·a-1的CO2排放。

①发展多式联运：多式联运克服了单个运输方式固有的缺陷，使各种运输方式扬长避短，实现了运输一体化，从而在整体上保证运输过程的最优化和高效化，以此降低能源浪费和碳排放。②发展甩挂运输：把汽车运输列车化，提高工作效率，避免空车行驶，等同于提高车辆每运次载重量，间接降低了能源浪费和碳排放。

3）集约化的装卸和配送。

研究发现，装卸相同的货物港口堆场比港口码头多产生33%的CO2排放量。

①发展集约化装卸：集约化装卸以效益为根本对装卸诸要素重组，港口码头装卸相较堆场使用了大型设备进行集约化装卸，规模效应下单位货物排放量显著减少。②发展共同配送：由多个企业联合组织配送，共同配送可以最大限度地提高人员、物资、资金、时间等资源的利用效率，去除多余的交错运输，取得最大化的经济效益，并起到缓解交通压力和节能减排的作用。

4）货运车辆运输减排。

研究发现，现代物流中心运营阶段碳排放主要来自对外货物运输环节，占比高达97%，其中以公路运输贡献最大。

①大宗货物的长距离运输建议采用铁路、水运等大运量集约化的运输方式，在发挥公路运输“门到门”优势的同时，适当减少公路运输在长途货运中承担的比例；②严格规范、逐步执行货运车辆排放标准，从车辆这一硬件上降低公路运输过程中的碳排放量；③对货车驾驶人进行生态驾驶(ecodriving)培训，西方国家经验表明，以一年为统计周期，良好的安全节油驾驶行为可节省燃油15%～30%，从而达到良好的减排效果。

5）先进的建筑物节能减排工艺。

采用种植屋面、雨水收集系统、太阳能充电板等节能措施减少建筑使用能耗，可以减少60%的建筑物日常运营CO2排放。

4 结语

在绿色低碳发展的要求下，计算分析现代物流中心运营阶段的CO2排放构成和排放水平具有重要意义。本文以CO2为碳排放计算对象，基于成熟的全生命周期理论，分析了现代物流中心运营阶段的CO2排放。通过梳理现代物流中心运营阶段排放过程，将CO2排放源归纳为两大类、四个模块。

本文基于能耗统计的CO2排放清单法，以宜昌市三峡现代物流中心基础设施为例，提炼了现代物流中心各运营环节碳排放产生机制和能耗清单，构建了现代物流中心运营阶段CO2排放计算框架。应用案例数据详细计算了不同环节、不同工艺、不同设备、不同运输方式的CO2排放构成比例。并进一步进行减排潜力分析，从技术和工艺上提出现代物流中心运营阶段的减排措施。