基于生命周期評價的高速鐵路減排效果

宋曉東，付延冰，劉恒斌，張清雅

(1. 中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙，410075；2. 中國鐵路總公司 運輸局，北京，100844)

2007 年，政府間氣候變化專門委員會(IPCC)在其第四次報告中明確指出人類活動排放的大量溫室氣體是引發(fā)氣候變暖的主要原因[1]。作為基礎社會經(jīng)濟活動之一的交通運輸消耗了全球約1/3 的能源[2]，產(chǎn)生了大量的溫室氣體。在高能耗、高排放的交通運輸領域，近年來迅速發(fā)展的高速鐵路以其節(jié)能減排、運能巨大等一系列技術優(yōu)勢逐漸受到重視。那么高速鐵路減排的比較優(yōu)勢具體表現(xiàn)在哪些方面，其建設和使用過程中的溫室氣體排放如何計量成為一個值得研究的問題。近幾年，國內(nèi)外部分學者對上述問題進行了研究，取得了一些進展。王天寧等[3]從動車組技術速度、機型差異和其他影響因素3 個方面分析了影響高速鐵路動車組能耗的主要因素。周新軍[4]從能耗、能效和碳排放3 個角度將高速鐵路行車和普通鐵路行車進行了比較，認為雖然高速鐵路列車的能耗高于普通鐵路列車，但前者的能效卻也遠高于后者，而且環(huán)保效應總體上也好于普通鐵路列車。王惠臣[5]分別從用地和能耗2 個方面將高速鐵路與其他運輸方式進行了對比分析，認為高速鐵路的技術經(jīng)濟優(yōu)勢更為顯著。Chang等[6]評估了從洛杉磯到阿納海姆高速鐵路基礎設施建設過程中溫室氣體的排放情況。上述文獻對高速鐵路碳排放的影響因素進行了分析，但沒有從整個生命周期角度對高速鐵路溫室氣體排放量進行核算。本文作者根據(jù)生命周期評價理論定量分析高速鐵路和公路溫室氣體的排放情況，并對二者的排放量進行對比，從而更加全面客觀的展示高速鐵路的減排優(yōu)勢。由于對全球升溫的貢獻最大，CO2被廣泛認為是產(chǎn)生溫室效應進而導致全球變暖的主要氣體。以下以CO2為例，運用生命周期評價理論對高速鐵路的溫室氣體排放情況進行計量。

1 生命周期評價的定義和步驟

關于生命周期評價，國際標準化組織的定義是：匯總和評估一個產(chǎn)品(或服務)體系在其整個生命周期內(nèi)所有投入及產(chǎn)出對環(huán)境造成潛在影響的方法[7]。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署的定義是：評價一個產(chǎn)品系統(tǒng)生命周期的整個階段，即從原材料的提取和加工，到產(chǎn)品生產(chǎn)、包裝、市場營銷、使用再使用和產(chǎn)品維護，直至再循環(huán)和最終廢物處置的環(huán)境影響的工具[8]。上述定義具體內(nèi)容不同，但總體核心一致：生命周期評價是一種用于評價產(chǎn)品、工藝過程或活動對環(huán)境影響的方法，其評價時長涉及產(chǎn)品生命周期全過程。

通常的生命周期評價包括確定評價對象和范圍、清單分析和影響評價3 個步驟[9]：

1) 確定評價對象和范圍。確定評價對象和范圍是對一個產(chǎn)品系統(tǒng)生命周期的輸入、輸出及其潛在環(huán)境影響的匯編和評價，用于表征系統(tǒng)和過程對環(huán)境的影響及其程度。

2) 清單分析。清單分析是對一個產(chǎn)品系統(tǒng)生命周期物質(zhì)和能量流的抽象和一般化過程，是對其整個生命周期的資源、能源輸入和環(huán)境排放(包括廢氣、廢水、固體廢物等)進行的數(shù)據(jù)量化分析，其實質(zhì)是數(shù)據(jù)的收集、整理與分析。

3) 影響評價。影響評價是為了說明各產(chǎn)品、工藝過程或活動的各組成部分對環(huán)境潛在影響的大小，而按照一定方法對這些因素進行評估的過程。

2 高速鐵路生命周期碳排放評價模型

2.1 確定評價的對象和范圍

高速鐵路生命周期碳排放是指當把高速鐵路的生命周期看成一個系統(tǒng)時，該系統(tǒng)由于消耗能源和資源而向外界環(huán)境排放的CO2總當量。高速鐵路生命周期碳排放評價系統(tǒng)邊界內(nèi)部是由形成高速鐵路實體和功能的一系列中間產(chǎn)品和單元過程流組成的集合，包括高速鐵路基礎設施建設所需材料的生產(chǎn)、運輸和高速鐵路的施工、使用與維護、拆除等，如圖1 所示。

圖1 高速鐵路碳排系統(tǒng)邊界[10]Fig.1 Carbon emission system boundary of high-speed railway[10]

2.2 清單分析

高速鐵路生命周期碳排放評價清單分析的內(nèi)容如圖2 所示。

在進行高速鐵路生命周期碳排放清單分析時，應考慮由于具有節(jié)能、節(jié)地和貨運增量替代效應等優(yōu)勢，使得在與公路運輸進行比較時高速鐵路對環(huán)境具有正效益，能夠抵減高速鐵路基礎設施建造所引發(fā)的大量碳排放。高速鐵路和公路在生命周期各階段碳排放量可計算如下：

2.2.1 建造階段碳排放

圖2 高速鐵路碳排放清單分析[10]Fig.2 Carbon emission inventory analysis of high-speed railway[10]

1) 建設材料生產(chǎn)過程中的碳排放量。交通運輸基礎設施建造過程中消耗了大量的建設材料。高速鐵路基礎設施建造階段對建設材料的消耗量更為巨大，且以水泥和鋼材為主。而水泥和鋼材的生產(chǎn)消耗了大量能源，產(chǎn)生了大量CO2，同時在其生產(chǎn)過程中礦物原料的分解也產(chǎn)生了大量的CO2[10-11]。由此可計算生產(chǎn)高速鐵路和公路基礎設施建設所需材料時排放的CO2質(zhì)量pfsc(kg)和gfsc(kg)以及將其平均到基礎設施設計使用年限后使得高速鐵路每年比公路多排放的CO2質(zhì)量zpsc(kg)：

其中：ntyl為高速鐵路基礎設施建設過程中使用的主要材料數(shù)量，種；tyli為高速鐵路基礎設施建設過程中使用的第i 種主要材料的用量，t；tdyli為生產(chǎn)單位數(shù)量第i 種高速鐵路基礎設施所用主要材料的碳排放量，kg/t；tyn為高速鐵路設計使用年限，a；ngyl為公路基礎設施建設過程中使用的主要材料數(shù)量，種；gyli為公路基礎設施建設過程中使用的第i 種主要材料的用量，t；gdyli為生產(chǎn)單位數(shù)量第i 種公路基礎設施所用主要材料的碳排放量，kg/t；gyn為公路設計使用年限，a。

2) 建設材料運輸過程中的碳排放量。在交通運輸基礎設施建造過程中建設材料和施工機械設備需運輸至施工地點，在運輸這些材料和機械設備過程中因消耗能源而排放的CO2質(zhì)量pfys(kg)和gfys(kg)以及將其平均到基礎設施設計使用年限后使得高速鐵路每年比公路多排放的CO2數(shù)量zpys(kg)可分別計算如下：

其中：tyji為高速鐵路基礎設施建設過程中使用的第i種主要材料的平均運輸距離，km；tdyji為高速鐵路基礎設施建設過程中運送單位距離單位質(zhì)量第i 種主要材料的碳排放量，kg/t；gyji為公路基礎設施建設過程中使用的第i 種主要材料的平均運輸距離，km；gdyji為公路基礎設施建設過程中運送單位距離單位質(zhì)量第i 種主要材料的碳排放量，kg/t。

3) 基礎設施建設過程中的碳排放量。在交通運輸基礎設施建造過程中使用了許多大型施工設備。由于我國高速鐵路采用了大量的橋隧結構，在其建造過程中使用了更多需消耗能源的施工設備，產(chǎn)生了大量的CO2。在高速鐵路和公路基礎設施建設過程中由于施工機械消耗能源而排放的CO2質(zhì)量pfsg(kg)和gfsg(kg)以及將其平均到基礎設施設計使用年限后使得高速鐵路每年比公路多排放的CO2質(zhì)量zpsg(kg)可分別計算如下：

其中：ntsg為高速鐵路基礎設施建設過程中使用的需消耗能源的施工設備數(shù)量，種；tsgi為高速鐵路基礎設施建設過程中使用的第i 種施工設備消耗能源而產(chǎn)生的碳排放量，t；ngsg為公路基礎設施建設過程中使用的需消耗能源的施工設備數(shù)量，種；gsgi為公路基礎設施建設過程中使用的第i 種施工設備消耗能源而產(chǎn)生的碳排放量，t。

2.2.2 使用階段碳排放

1) 能源消耗引發(fā)的碳排放量。交通運輸業(yè)在運營過程中消耗了大量能源。因為采用電力機車牽引，高速鐵路列車能夠使用可更新的能源，例如風電、水電等。同時，高速鐵路列車采用了多種節(jié)能設計，例如，采用再生制動，將列車制動能量反饋回系統(tǒng)，大大降低列車實際能耗。又例如，采用輕量化技術，使用流線型、中空結構的超薄鋁合金車體，使得高速列車動車組質(zhì)量比一般客車輕30%以上，節(jié)能效果十分明顯，CRH3 型“和諧號”動車組人均耗電僅15 kW/h[11]。從能源運用的角度看，高速鐵路和公路每年在運營過程中排放的CO2質(zhì)量pfjn(kg)和gfjn(kg)以及高速鐵路每年比公路少排放的CO2質(zhì)量jpjn(kg)可分別計算如下：

其中：kz為高速鐵路年平均客運周轉量，人·km；tdy為高速鐵路列車定員，人/列；tszl為高速鐵路列車平均上座率，%；tgl為高速鐵路列車功率，kW；tss為高速鐵路列車時速，km/h；dpt為全國電力平均碳排放量，kg/(kW·h)；gkcbl為經(jīng)由公路出行的乘客中選擇乘坐營運性客車的人數(shù)占全部人數(shù)的比率；gkcyl為營運性客車平均運送乘客人數(shù)，人/車；gkcyh為營運性客車平均油耗，L/km；gjcyl為小轎車平均運送乘客人數(shù)，人/車；gjcyh為小轎車平均油耗，L/km；gpt為汽車每升油耗平均碳排放量，kg/L。

2) 土地占用引發(fā)的碳排放量。生態(tài)學認為運輸行業(yè)應盡量少占用土地，運輸相同數(shù)量旅客時，高速鐵路基礎設施占地面積較公路少[13]。同時，為了追求線路高平順性，減少對沿線城鎮(zhèn)的切割，我國高速鐵路采用大量的橋隧結構替代路基結構(即“以橋代路”)，節(jié)省了大量土地。節(jié)約的土地可用于植樹種草，增加綠地面積，而植物通過光合作用吸收CO2并釋放氧氣，以生物量的形式固定了CO2。因此可計算由于基礎設施占用土地減少綠地面積而引發(fā)的高速鐵路和公路相對碳排放量pfjd(kg)和gfjd(kg)以及高速鐵路以減少土地占用形式每年比公路減少的大氣中CO2質(zhì)量jpjd(kg)：

其中：tlk為鐵路路基平均寬度，km；kb為相同里程公路基礎設施占地面積與高速鐵路鐵路基礎設施占地面積的比值，%；qsb為高速鐵路橋遂比，%；qjd為每公里橋遂結構比路基結構節(jié)省的土地面積，km2；l 為高速鐵路線路長度，km；sxt為單位面積樹木每年吸收的CO2質(zhì)量，kg/km2；sb為高速鐵路基礎設施節(jié)省的土地用于種植樹木的比例，%；cxt為單位面積草地每年吸收的CO2質(zhì)量，kg/km2。

3) 貨運增量替代效應引發(fā)的碳減排量。我國高速鐵路近期規(guī)劃主要用于運送旅客，這有助于實現(xiàn)繁忙干線的客貨分流，極大的釋放既有線能力，緩解鐵路貨運能力不足的局面。由于鐵路的貨運能力和節(jié)能效果均優(yōu)于公路，所以通過鐵路運送貨物能夠比通過公路減少碳排放。從這一角度來講高速鐵路的投入運營也減少了CO2的排放，這就是高速鐵路的貨運增量替代效應。由此可計算由于具有貨運增量替代效應，高速鐵路的運營所減少的CO2排放量jphz(kg)：

其中：hz為高速鐵路投入運營所釋放的貨運能力，t；ghzz為公路貨車平均載質(zhì)量，t/車；ghyh為公路貨車平均油耗，L/km；tzz為鐵路貨車平均載質(zhì)量，t/列；thgl為鐵路貨車平均功率，kW；thss為鐵路貨車平均時速，km/h。

2.2.3 回收階段碳排放

在高速鐵路的回收處置階段，使用施工設備消耗能源會產(chǎn)生一定數(shù)量的CO2，但部分材料的回收利用則減少了因材料生產(chǎn)而引發(fā)的CO2排放，在清單分析中應減少這部分碳排放。由此可計算在回收處置階段高速鐵路和公路所產(chǎn)生的CO2數(shù)量pfcc(kg)和gfcc(kg)以及將其平均到基礎設施設計使用年限后使得高速鐵路每年比公路多排放的CO2數(shù)量zpcc(kg)：

其中：ntcgj為高速鐵路基礎設施回收處置階段使用的需要消耗能源的施工機械的種類，種；tcgji為高速鐵路基礎設施回收處置階段使用的第i 種施工機械因消耗能源而產(chǎn)生的CO2排放量，kg；ntchs為高速鐵路基礎設施回收處置階段可回收材料的種類，種；tchsi為高速鐵路基礎設施回收處置階段由于材料回收利用而減少的CO2排放量，kg；ngcgj為公路基礎設施回收處置階段使用的需要消耗能源的施工機械的種類，種；gcgji為公路基礎設施回收處置階段使用的第i 種施工機械因消耗能源而產(chǎn)生的CO2排放量，kg；ngchs為公路基礎設施回收處置階段可回收材料的種類，種；gchsi為公路基礎設施回收處置階段由于材料回收利用而減少的CO2排放量，kg。

2.3 排放影響評價

綜上所述，高速鐵路建造階段的總碳排放量pfwz(kg)、使用階段的年平均碳排放量pfsp(kg)和生命周期內(nèi)年均碳排放量pfzp(kg)分別為：

而公路建造階段的總碳排放量gfwz(kg)、使用階段的年平均碳排放量gfsp(kg)和生命周期內(nèi)年均碳排放量gfzp(kg)分別為：

由于各種運輸方式的技術特點不同，在建造和回收階段使用的施工材料和機械設備的種類和數(shù)量相差很大，在運營階段消耗的能源也有所不同，并且不同運輸方式基礎設施設計使用年限差別較大，而評價時長對評價結論影響又很大，因此，為消除相關影響，使評價結果具有一致性和可比性，本文選取年均碳排放量作為比較高速鐵路和公路2 種運輸方式碳減排效果的核算基礎。

將建造階段碳排放量平均到基礎設施設計使用年限后使得高速鐵路每年比公路增加的碳排放量zpwp(kg)、使用階段高速鐵路每年比公路減少的碳排放量jpsp(kg)和生命周期內(nèi)高速鐵路每年比公路減少的碳排放量jpzp(kg)分別為：

根據(jù)技術經(jīng)濟學理論中對使用年限不同產(chǎn)品進行技術經(jīng)濟比較的方法，可計算與公路比較時，高速鐵路的CO2相對回收期hsq(a)為：

根據(jù)上述公式可細致分析高速鐵路生命周期內(nèi)各清單項目的碳排放情況，找出碳排放重點階段，進而有針對性采取措施減少高速鐵路CO2的排放。

3 算例分析

為了使計算過程更具直觀性，本文以一條長度1 300 km 的線路為例進行高速鐵路CO2排放的計算。假設該線路的橋隧比為80%，年平均客運周轉量為171.68 億人·km，釋放既有線貨運能力916 萬t，列車平均定員732 人，平均上座率80%。經(jīng)由公路出行的乘客中選擇乘坐營運性客車的人數(shù)占全部人數(shù)的70%，其余乘客選擇小轎車出行。營運性客車平均運送乘客人數(shù)為31 人/車，小轎車為3 人/車。營運性客車百公里平均油耗30 L，小轎車百公里平均油耗10 L。時速350 km 的“和諧號”動車組功率平均8 800 kW。單機電力牽引5 000 t、平均運行速度80 km/h 的和諧機車功率7 200 kW。一般情況下，載質(zhì)量15 t 的汽車百公里耗油18～25 L，平均每升柴油排放2.71 kg CO2。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會的數(shù)據(jù)，全國平均電力碳排放強度0.76 kg/(kW·h)[14]。

據(jù)測算，運送相同數(shù)量旅客時，高速鐵路所需基礎設施占地面積是公路的1/4[9]，包括排水溝在內(nèi)的鐵路寬度一般是40 m，橋隧結構比路基結構每公里節(jié)省0.029 3 km2土地[14]。假設高速鐵路基礎設施建設所節(jié)省的土地一半用于植樹，一半用于種草。有關文獻表明，1 km2森林每年可吸收2 745 t CO2，1 km2草地每年可吸收1 098 t CO2[14]。

高速鐵路的主要建設材料選為水泥和鋼材，一方面是因為這2 種建設材料的用量所占比例非常大；另一方面是因為有關這2 種材料的環(huán)境影響研究相對充分，數(shù)據(jù)較為可靠。按我國現(xiàn)有平均技術水平，每生產(chǎn)1 t 鋼材和水泥分別排放2.786 t[13]和0.8 t[14]CO2。整條高速鐵路水泥用量約為1 200 萬t，鋼材用量約為1 320 萬t，1 km 高速公路水泥用量為5 000 t，設計使用年限為25 a[15-16]。據(jù)統(tǒng)計，生產(chǎn)基礎設施施工用建設材料時的碳排放量占建造階段總碳排放量的80%[6]。目前我國無砟軌道設計使用年限長達100 a[14]，而隨著科技的不斷創(chuàng)新，在高速鐵路進入回收階段時的施工技術和廢料回收技術將有實質(zhì)性的飛躍，所以本文暫不考慮100 a 后高速鐵路回收階段的碳排放情況。

將相關數(shù)據(jù)代入上述公式可得表1 和表2。

表1 計算數(shù)據(jù)匯總1Table 1 Data summary 1

表2 計算數(shù)據(jù)匯總2Table 2 Data summary 2

根據(jù)上述計算數(shù)據(jù)可知，雖然在基礎設施建造階段高速鐵路的碳排放量較大，但由于其使用年限較長，將其平均到設計使用年限后，高速鐵路年碳均排放量并不大。同時由于動車組運量大、能耗相對小，基礎設施占地面積相對少，且具有貨運增量替代效應，高速鐵路在使用階段減少了大量的碳排放。

4 減排措施

1) 盡可能使用生產(chǎn)過程中碳排放少的建設材料。由于生產(chǎn)技術存在差異，不同建設材料生產(chǎn)過程中礦物原料分解產(chǎn)生的CO2質(zhì)量不同，消耗能源的數(shù)量也有所不同。因此在購買建設材料過程中，應在保證施工質(zhì)量和降低成本的同時，盡可能選擇碳排放量少的材料。

2) 減少建造過程中材料損耗。提高施工過程的監(jiān)管，建立施工操作標準，加強施工人員操作培訓等均可降低施工階段的材料損耗。

3) 提高施工機械的使用效率。高速鐵路基礎設施建造過程中使用了大量的機械設備，這些設備的能耗均較大。因此在施工過程中應加強對機械設備的管理，提高其使用效率，進而降低能耗。

減少高速鐵路使用階段碳排放的途徑主要有：

1) 設立合理速度目標值。動車組高速運行時所做的功主要用于克服空氣阻力，且運行速度越高，空氣阻力增加越快，因此隨著運行速度的提高，列車用于克服阻力的能耗不斷增加。但如果列車運行速度較高，則旅行時間較短，不但可以加快旅客的送達，提高旅客滿意度，而且用于空調(diào)和照明等舒適用途的能耗也會降低。因此應綜合考慮多方面因素，選擇合理的速度目標值。

2) 設立合理停站次數(shù)。動車組加、減速過程中的能耗較大，如果列車停站次數(shù)較多，則會出現(xiàn)動車組頻繁加、減速而無法較長時間保持勻速運行使得能耗上升的狀況；但如果停站數(shù)量過少，則不便于旅客出行，降低高速鐵路列車的上座率。因此應加強運輸組織管理，合理規(guī)劃牽引區(qū)段，設立合理的停站數(shù)量。

3) 提高駕駛員操作水平。制定優(yōu)化操縱示意圖，對駕駛員進行操縱節(jié)能知識培訓及現(xiàn)場指導，提高駕駛員的整體操縱水平，減少電能的浪費。

4) 加強列車空調(diào)和照明等設備的節(jié)能管理。在日間運行途中，機械師要根據(jù)相關情況控制列車照明燈使用。動車組空調(diào)正常使用時須采取自動控溫，溫度值應設置在規(guī)定的范圍內(nèi)。列車員應根據(jù)客流情況，及時調(diào)整或關閉旅客車廂或包房內(nèi)的影視系統(tǒng)。

5) 優(yōu)化車輛車型設計。動車組高速運行時的阻力主要是空氣阻力，因此優(yōu)化車型設計、采用新型復合材料能夠有效減少空氣阻力。采用輕型結構減輕車體重量，可以有效減少列車的機械阻力。利用再生制動系統(tǒng)則可節(jié)約能源消耗。

5 結論

1) 生命周期碳排放的計算是一項非常復雜的工作，涉及大量的項目和數(shù)據(jù)。選取高速鐵路建設和運營期間最典型的碳排放情況進行初步核算，算例表明雖然在建設期間的碳排放較大，但由于交通基礎設施建設過程中的碳排放一般為一次性的，可以分攤到其生命周期，并且由于在運營期間減少大量的碳排放，所以高速鐵路在減排方面具有較大的優(yōu)勢。

2) 由于高速鐵路在建造過程中使用的材料和設備種類繁多，建成后近100 a 的使用維護以及回收處置的復雜性，都給高速鐵路生命周期碳排放的定量化研究工作帶來一定難度。因此，應進一步完善我國相關數(shù)據(jù)收集、整理、計算方法，以實現(xiàn)高速鐵路生命周期碳排放的透明化核算。

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