基于全生命周期的铁路行业碳达峰影响因素研究

张良涛，李鸣君

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 环境工程设计研究院，湖北 武汉 430000）

0 引言

气候变化已经成为世界各国发展均需应对的宏观议题。2020年9月22日，我国提出将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。2021 年国务院印发了《2030 年前碳达峰行动方案》，明确了2030 年国家铁路单位换算周转量综合能耗比2020 年下降10%[1]。为实现这一既定目标，对铁路行业实现碳达峰的影响因素进行识别分析具有重要的理论和现实意义。

目前对于铁路行业碳排放的研究，以建设阶段和运营阶段碳排放为主。周新军等[2]对铁路运输企业温室气体排放的核算边界、核算主体、核算方法等进行了研究，提出了铁路运输企业温室气体排放量核算的基本框架；汪莹等[3]综合运用协整检验、向量误差修正模型及Granger 检验，对铁路运营碳排放量影响因素进行了研究，提出其与总换算周转量、能源消耗强度、运输车辆结构、人均GDP 间的关系；陈进杰等[4]基于全生命周期理论将高速铁路划分为建材生产阶段、施工建设阶段、运营维护阶段和报废拆除阶段，建立了高速铁路全生命周期碳排放数学模型；王勇等[5]以各铁路局为研究对象，测算分析 2006—2017 年运营碳排放量的变化趋势，并应用计量经济模型，考虑影响铁路运营二氧化碳总排放量和二氧化碳排放量变动的主要因素；冯旭杰[6]将高速铁路按全生命周期划分为设计、建设、运营、维护和拆解5 个阶段，分析各阶段的典型活动，总结生命周期视角下高速铁路能源消耗和碳排放。

现有研究多侧重于铁路项目建设和运营层面，对设计层面的考虑较少；在碳排放计算模型中，对“双碳”政策下的影响因素分析较少。本文基于全生命周期理论，综合考虑铁路项目建设特点、铁路行业碳排放现状及相关政策要求，重点分析铁路行业碳达峰影响因素。

1 铁路行业碳排放现状及特点

1.1 铁路行业主要指标及能耗现状

根据铁路统计公报数据，铁路行业换算周转量指标中，货运工作量占主要地位，2011至2020年平均占比达68.6%。客运业务方面，2011至2019年旅客运输业务量增长显著，发送量和旅客周转量累计增长分别达到99.7%和51.6%，2020 年受疫情影响，客运量和旅客周转量较2019 年分别降低了39.4%和43.2%。货运业务方面，2011 至2016 年期间呈现逐年下降的趋势，货运量和货物周转量累计下降分别达到19.5%和23.0%，2016至2020年因铁路网完善、多式联运、公路治超等因素，货运量和货物周转量均有显著增加，货运量和周转量累计增长分别为35.0%和28.8%。电气化率方面，随着高速铁路、城际铁路等项目的建设，铁路电气化率逐年提高，2020 年已达到72.8%。牵引车辆中，内燃机车 2020 年较2011 年减少了0.25万台，减少比例为23.8%；动车组数量显著增加，2020 年较2011 年增加了3 266 组，增加了5 倍左右。随着《新时代交通强国铁路先行规划纲要》《2030 年前碳达峰行动方案》等文件的发布，在未来较长一段时间内，铁路行业客运业务将持续稳定增长，货运业务受政策影响，工作量有望进一步快速增长；随着铁路电气化率的不断提高，将进一步形成以电力消耗为主、其他能源消耗为辅的能源消费结构形式[1,7]。近十年铁路主要技术指标如表1所示。

表1 近十年铁路主要技术指标

根据国家发展和改革委员会能源研究所确定的标准煤炭排放系数，即每吨标准煤产生0.67 t碳排放量。国家铁路近十年换算周转量、碳排放总量和能耗强度如图1所示。

图1 近十年国家铁路行业换算周转量、碳排放及能耗强度

由图1可知，2011至2015年铁路行业碳排放总量与换算周转量呈正相关，随着工作量的逐年减少而逐年降低；能耗强度出现波动，整体基本保持在平均值4.66 tce/百万换算吨公里左右。2016 至2019 年受相关政策影响，铁路行业换算周转量保持较快速的增长，年均增长为5.6%；能耗强度受技术升级、电气化率提高等因素的影响逐年降低，2019 年达到3.94 tce/百万换算吨公里，受此影响2016 至2019 年碳排放总量增长较缓，年均增长为1.0%。2020年受疫情影响，旅客发送量大幅下降，换算周转量综合能耗为4.34 tce/百万换算吨公里。

1.2 铁路行业碳排放主要环节及特点

基于全生命周期理论和铁路项目建设特点，将铁路行业碳排放分为规划设计、运营维护、相关配套3 个阶段，其中相关配套阶段包括建材生产、建设施工、拆除报废等内容。

（1）规划设计阶段碳排放主要包括地形勘测、地质勘察、内部作业等过程中仪器设备、运输工作产生的碳排放。研究表明，规划设计阶段能耗碳排放量远小于其他任何一个阶段碳排放量，在全生命周期碳排放计算中可以忽略不计[6]，但其对铁路全生命周期碳排放有着重要影响。以某地城际铁路为例，设计阶段按日开行30对列车考虑，并据此配备动车组、牵引变压器等耗能设备，在实际运营过程中受高铁分流等因素影响，日均列车开行10对，初步估算因牵引变压器容量配置过大造成的年二氧化碳排放量为76.5 t。

（2）运营维护阶段碳排放包括牵引动力系统和生产辅助系统2 个部分，根据调研资料和铁路节能报告的相关数据，通常牵引动力系统碳排放约占铁路运营期总排放的60%～70%，其中高速铁路牵引系统占85%以上，是铁路运营期碳排放的主要部分；生产辅助系统碳排放包括铁路站房、检修段所及配套生活房屋等部分，以铁路站房碳排放为主。铁路运营维护阶段碳排放是铁路全生命周期排放的重点，以京沪高速铁路为例，运营维护阶段的碳排放占生命周期总排放的84.97%[4]。

（3）相关配套阶段碳排放主要包括生产各类型建材、车辆运输作业和施工机械作业等过程的碳排放，受行业、运输方式及运输车辆、施工设备等影响较大，主要耗能品种为生产作业过程中的设备电力消耗和运输车辆、设备的燃油消耗。

综上，铁路全生命周期阶段碳排放主要技术环节及特点如表2所示。

表2 铁路全生命周期阶段碳排放主要技术环节及特点

2 基于全生命周期的铁路行业碳排放计算模型

铁路项目设计阶段虽然自身碳排放量极小，但对其他阶段碳排放影响较大，是铁路全生命周期碳减排的源头，绿色低碳的设计方案决定了运营期和相关配套阶段的碳排放水平。按照铁道统计公报、节能报告编制及铁路要求，均需要核算单位运输工作量综合能耗指标；根据铁路项目设计及节能报告编制经验，可在设计阶段提供单位运输工作量及换算周转量、单位换算周转量综合能耗等指标，并且相同技术标准下的铁路能耗指标基本相当。因此，本文以同类型项目单位运输工作量碳排放指标为基础，以项目绿色低碳设计水平进行系数修正，构建了体现绿色低碳设计水平对铁路项目全生命周期碳排放影响的计算模型，并制定绿色低碳评分表，以实现在设计阶段初步计算项目碳排放总量以判断项目整体碳排放水平，模型如下。

式中：C为铁路行业全生命周期碳排放，t·CO2；μ为全生命周期碳排放的修正系数；θ为规划设计方案影响全生命周期碳排放的修正系数；k为规划设计方案绿色低碳评分，k值越大表明方案越低碳节能；kj为规划设计方案基础得分，参照铁路行业平均绿色低碳设计水平取值；Li表示第i种铁路项目的长度，分为客运专线、城际铁路、普速铁路等，km；CLi表示第i种铁路单位长度在相关配套阶段的碳排放指标，t·CO2/km；Qti表示生命周期m年内第t年第i种铁路项目的换算周转量，分为客运专线、城际铁路、普速铁路等，换算吨公里；Cti表示第t年第i种铁路单位换算周转量碳排放指标，t·CO2/换算吨公里。

根据相关调研资料及铁路项目节能报告编制经验，与项目碳排放水平相关的设计内容可分为节能方案设计、节能设备选型、清洁能源及新技术利用、能源计量与管控4个部分，各部分分值如表3所示。

表3 铁路项目绿色低碳评分表

本文选取2条设计时速350 km的高速铁路节能报告进行算例分析，项目绿色评分及修正系数计算如表4所示。

根据节能报告编制经验，设计速度350 km/h的高速铁路项目单位运输工作量综合能耗一般在7.5～9.5吨标煤/百万换算吨公里，本次按8.5 进行计算，铁路行业平均绿色低碳设计水平kj取80分，则项目A和项目B 运营期碳排放修正后指标分别为8.24 和9.90，与批复指标相差均在3%以内。

3 铁路行业实现碳达峰影响因素分析

根据本次提出的全生命周期碳排放计算模型和绿色低碳评分表，梳理行业发展趋势及相关产业政策要求，对规划设计、运营维护、相关配套3 个阶段铁路碳达峰影响因素分析如下。

3.1 规划设计阶段

规划设计阶段对铁路全生命周期碳排放有着重要影响。根据铁路行业规划设计特点和“双碳”目标相关政策，影响因素主要包括以下4个方面。

（1）节能方案设计。《2030年前碳达峰行动方案》提出了交通运输绿色低碳行动三大目标任务：推动运输工具装备低碳转型、构建绿色高效交通运输体系、加快绿色交通基础设施建设。设计应从始至终贯彻节能设计理念，线路、站场、行车、经调、供变电、电力、通号、机械、机辆等专业应充分考虑节能因素，合理确定设计方案和项目规模，随时关注节能技术发展，有条件应优先选用节能低碳的方案和设备。

（2）节能设备选型。用能设备的选择对铁路能耗有着重要影响，根据目前铁路相关规定，变压器、空调、风机、照明器具等主要用能设备，均要求选用达到国家 1 级能效标准的产品，并将能效指标作为重要的技术指标列入设备招标文件和采购合同。《2030 年前碳达峰行动方案》要求“以电机、风机、泵、压缩机、变压器、换热器、工业锅炉等设备为重点，全面提升能效标准”。因此，用能设备能效标准的提高，有利于铁路行业提高能效水平。

（3）清洁能源利用。清洁能源利用对减少铁路碳排放有着积极影响。目前铁路采用的清洁能源主要为太阳能、空气能、地热等，主要设备包括太阳能热水器、空气源热泵、光伏发电和地源热泵等，其中太阳能热水器、空气源热泵最为常用，光伏发电受生产成本、储能使用效率、站房美观等因素影响尚未普遍使用，地源热泵受项目所在地影响较大。《2030 年前碳达峰行动方案》要求 “到2025 年，城镇建筑可再生能源替代率达到8%，新建公共机构建筑、新建厂房屋顶光伏覆盖率力争达到50%”，因而铁路在站房设计中应进一步加大清洁能源使用比例，减少站房碳排放。

（4）能源计量与管控。能源计量是能源管控的基础，铁路系统能源计量目前存在一、二、三级计量表用途混淆，部分计量表年久失修，计量层级分布不清晰的问题[8]。近年来，在我国多个铁路客运站推广应用能源管控系统，在实现三级能源计量要求的同时，通过信息化平台掌握整个车站的能源消耗情况和主要耗能设备的节能管理情况[9]。该系统除了能够对客运站内各类能源消耗情况进行实时监测和能耗统计分析之外，还能够对主要耗能设备进行远程控制和自动控制，提高了车站能源管理的数字化和科学化水平[10]，对铁路行业实现“双碳”有着积极意义。

3.2 运营维护阶段

（1）碳排放总量影响。运营维护阶段对铁路全生命周期碳排放总量起决定性影响，铁路运营期排放主要为电力消耗的间接排放和燃油消耗的直接排放。随着我国电气化水平的不断提高，电力消耗的间接排放已经是铁路行业碳排放的主要组成部分。根据2015至2019 年《中国区域电网基准线排放因子》[11]数据可知，2015 至2019 年电量边际排放因子呈逐年下降趋势。根据《2030年前碳达峰行动方案》对能源绿色低碳转型的相关要求，电力系统中煤电项目将得到进一步控制，新能源占比逐渐提高，对以电能消耗为主的铁路行业实现碳达峰有重要作用。

（2）能耗强度影响。《2030年前碳达峰行动方案》在“构建绿色高效交通运输体系”中明确指出：大力发展以铁路、水路为骨干的多式联运，推进工矿企业、港口、物流园区等铁路专用线建设，加快内河高等级航道网建设，加快大宗货物和中长距离货物运输“公转铁”“公转水”。根据调研资料和节能报告数据，普速电力货运铁路单位货运周转量综合能耗一般为3～4 tce/百万吨公里，通过“公转铁”对铁路完成能耗强度目标起到了重要作用。

3.3 其他阶段

建材生产、建设施工、报废拆除等阶段对铁路全生命周期碳排放的影响主要为建材生产、运输车辆、施工作业等环节。根据《2030 年前碳达峰行动方案》对钢铁、建材、运输工作装备等碳达峰的相关要求，对铁路行业实现碳达峰有正面影响。

4 结束语

综合分析铁路行业目前碳排放现状和 《2030 年前碳达峰行动方案》的相关要求，各项影响因素均对铁路行业节能减碳有积极影响，铁路作为最节能环保的运输方式，对交通行业实现碳达峰目标有着重要作用。未来，铁路应进一步贯彻节能设计理念，加强运营维护，积极响应《2030年前碳达峰行动方案》的相关要求，进一步减少碳排放。