鋼鐵行業運輸環節碳減排情景分析與評價研究

2015-12-30 06:39:57蒲剛清,劉貞,呂指臣等

重慶理工大學學報(社會科學) 2015年7期

引用格式：蒲剛清,劉貞, 呂指臣,等.鋼鐵行業運輸環節碳減排情景分析與評價研究[J].重慶理工大學學報:社會科學，2015(7):37-42.

Citation format：PU Gang-qing, LIU Zhen, LYU Zhi-chen,et al.Scenes Analysis and Evaluation on Carbon Emission Reduction of Iron & Steel Transportation[J].Journal of Chongqing University of Technology:Social Science,2015(7):37-42.

蒲剛清a, 劉貞a,b, 呂指臣b,朱開偉b

(重慶理工大學a.機械工程學院； b管理學院，重慶400054)

摘要：我國鋼鐵行業碳排放量約為全國碳排放總量的15%，而運輸耗能約占物流環節總耗能的5/6。實現鋼鐵行業中運輸環節的節能減排，成為實現我國碳排放總量目標的重要環節。研究鋼鐵行業中運輸環節的碳排放總量與不同碳減排途徑及其組合在不同情境下的碳減排潛力，提出基于運輸環節碳排放影響因素的碳排放總量測量模型、基于不同減排途徑的低碳化分析模型及基于不同途徑水平的情景仿真模型。與傳統的累計模型不同，低碳化分析模型考慮碳減排途徑間的相互影響作用，采用累積形式對減排途徑組合進行分析與評價。最終以重慶某鋼鐵集團20萬噸船用鋼材作為案例進行情景仿真分析與評價，研究表明：在現有的運輸條件下，可通過改變車輛運輸方式直接實現0.7到3.9個百分點的碳減排；甩掛運輸與混合動力系統改造，可作為優先發展技術，減排效果可達到30%；通過情景仿真分析得知，提高減排途徑水平，減排效果將進一步增強。

關鍵詞：碳排放測量；碳減排潛力；動態與靜態情景分析；鋼鐵運輸

收稿日期：2014-11-30

基金項目：國家自然科學

作者簡介：蒲剛清(1991—), 男, 四川眉山人, 碩士研究生, 研究方向: 低碳經濟發展與低碳城市建設；劉貞(1973—)，男，河南駐馬店人，教授，博士，研究方向：低碳發展，可再生能源發展戰略。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(s).2015.07.006

中圖分類號：C931.2

Scenes Analysis and Evaluation on Carbon Emission

Reduction of Iron & Steel Transportation

PU Gang-qinga, LIU Zhena,b, LYU Zhi-chenb, ZHU Kai-weib

(a.College of Mechanical Engineering; b.College of Management,

Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:In China, the carbon emission of the Iron & Steel Industry is about 15% of the total quantity. Meanwhile, the energy consumption in the transport chain of logistics is about 5/6 of the total energy consumption. Therefore, it’s important to decline the energy consumption in the transport chain of logistics for the national carbon emissions targets. In order to measure the total quantity and the reduction potential of the carbon emission and to analysis the upper and lower limit for the carbon reduction. I built some models: the carbon emissions measurement model based on the influential factors in the transport, the low-carbon path analysis model based on the different low-carbon paths and the simulation model based on different technology levels. Being different from the traditional accumulation model, the analysis model used multiplication way to analyze and evaluate the carbon reduction of paths combination. Finally, the models was used on the 200 thousands tons ship steel of one Iron & Steel company in Chongqing to analyze and evaluate the current carbon emissions situation, the emission reduction pathways and their reduction potential. The research conclusions: Just improve the transportation types can realize another 0.7% to 3.9% carbon emission directly. Drop and pull transport and hybrid system transformation can be the priority technology to application for the 30% emission reduction potential. Improving the technology level for the carbon emission reduction pathways and the effect will be better from the simulation results.

Key words：carbon emission calculation; carbon emission reduction potential; simulation analysis in dynamic and static; Iron & Steel transportation

一、引言

2009年9月,時任國務院總理溫家寶在聯合國氣候變化大會開幕前夕，主持召開國務院常務會議，會議決定“到2020年中國單位GDP碳排放強度比2005年下降40%～45%”[1]。2011年，我國人均碳排放雖僅為6.6噸，但碳排放總量超過88.9億噸，占全球碳排放總量的28%[2]。2009年末，物流行業被列入十大振興產業。物流行業在面臨歷史發展機遇的同時，也承載著空前的低碳化發展壓力。埃森哲指出物流業的碳排放主要分布于運輸耗能及倉儲中心建筑耗能兩個部分，分別占據物流碳排放量的5/6及1/6[3]；其中，能耗最嚴重的公路運輸領域，載貨汽車百公里油耗高出國際先進水平約30%[4]。

鋼鐵行業是我國國民經濟的重要基礎產業和實現工業化的支柱產業，同時也是能源消耗和大氣污染物排放的大戶，是我國實現節能減排的重點行業。中國因處于工業化、城鎮化中期，鋼鐵產銷量巨大，行業碳排放約占全國總排放量的15%，占全球碳排放總量4.2%[5-6]。基于此，實現鋼鐵行業運輸環節(尤其是公路運輸環節)碳減排成為實現碳排放總量目標的重要環節。

目前，低碳領域研究主要分為兩部分：碳總量測量及低碳途徑分析評價。何艷秋以“消費碳足跡”為基礎思想，以投入產出法為計量手段，綜合行業能源消耗的直接碳排放和中間投入品的間接碳排放，對我國各行業在碳排量劃分、成因分析與碳排放降低等方面提供參考依據[7]。劉貞等通過設計碳減排情景分析評價模型，分別從需求與技術發展角度，分析石油化工行業的碳減排潛力[8]。李亞杰指出發展低碳物流的關鍵在于低碳運輸，企業通過發展多式聯運、發展第三方物流實現共同配送、開展甩掛運輸等，實現低碳物流中的運輸低碳化[9]。昕安在分析日本如何能在國民經濟低迷的同時發展低碳物流時，指出其根本原因源于日本的能源短缺與環境壓力現狀，而成功原因源于日本政府的扶持與法律制約并用、產業轉型與技術支撐互動、競爭與監督機制的結合[10]。

本文在上述文獻研究基礎上，提出：(1)基于運輸環節碳排放影響因素，構建碳排放量測算模型，分析不同運輸方式的碳排放現狀，為碳減排分析提供基礎數據支持；(2)基于運輸環節不同的低碳化途徑，考慮各途徑間的相互影響，構建單途徑碳減排分析模型及碳減排途徑綜合分析模型，分別對其進行靜態分析與動態分析；(3)基于情景設計與分析，評價不同技術水平下各種途徑的減排效果，從而為企業管理者、行業規劃者及政府決策者制定碳減排途徑實施方案提供參考依據。最后，以重慶某鋼鐵公司20萬噸船用鋼材運輸作為情景分析案例，對模型的可行性及有效性進行驗證。

二、基于主要影響因素的碳排放總量測量模型構建

(一)物流系統中影響碳排放量的因素分析

在鋼鐵行業中，涉及的運輸環節包括：原輔料的采購運輸、廠內產成品的運輸及產成品銷售運輸3個環節。而影響其碳排放量的主要影響因素包括：交通方式的選擇和貨物的運輸距離、運輸工具的能源效率及能源的碳排放強度。

1.交通方式的選擇及貨物的運輸距離。運輸方式的不同及運輸距離，明顯影響著運輸碳排放總量。例如，鋼鐵行業采購階段主要的運輸方式包括海運、水運、公路運輸及鐵路運輸。

2.運輸工具的能源效率。能源效率原指單位能源帶來的經濟效益，而在運輸中，指車輛等運輸工具每公里的能源消耗程度。能源效率與運輸強度、操作行為及運輸環境3個方面相關。其中運輸強度指車輛等運輸工具在每公里的運輸噸位；操作行為包括車速、油門與剎車的使用頻率等；運輸環境涉及政策規定(稅收)、自然環境及社會環境(路況)等方面。

3.能源的碳排放強度。能源的碳排放強度指單位能源消耗量的碳排放總量。運輸方式的不同，能源消耗種類也將不同。在運輸過程、運輸方式相同的前提條件下，碳排放總量因其能源選擇的不同也會產生差異。據《2006IPCC全球溫室氣體排放清單指引》，柴油的碳排放系數(單位：104t/104t)為0.592 1。

(二)碳排放總量測量模型構建

基于物流系統中的運輸環節碳排放影響因素分析，立足鋼鐵行業，構建其碳排放總量分析模型。圖1為運輸環節碳排放模型構建因素分析結構圖。

圖1　碳排放模型構建因素分析結構

構建基于不同運輸方式的碳排放總量測算模型：

(1)

其中，CE代表鋼鐵行業運輸環節的總的碳排放量，CEi,j代表運輸環節中第i種運輸方式消耗第j種能源的碳排放量。CEi,j的影響因素包括運輸距離、能源效率及碳排放強度3種，構建一級細分類型碳排放量測算模型：

(2)

其中，Di代表第i種運輸方式的運輸距離；Ei，j代表消耗第j種能源的第i種運輸方式的能源效率；Ij代表第j種能源的能源強度。而Ei，j的影響因素包括運輸強度、操作行為與運輸環境3個主要方面，而每種運輸方式的能源效率均有其標準值，3種影響因素對其產生相應的偏差影響。在此限定其標準能源效率為滿載、均速、運輸環境影響為0(即運輸環境使運輸工具正常工作)的能源效率狀況，構建能源效率模型：

(3)

其中，Si，j代表消耗第j種能源的第i種運輸方式的標準能源效率；TIi代表第i種運輸方式的運輸強度；B代表操作行為規范；TE代表運輸環境；?1，?2，?3分別為3種影響因素的系數。

三、基于減排途徑的碳減排潛力分析評價模型構建

(一)低碳運輸途徑介紹

綜合文獻[11-14]對運輸環節節能減排的研究，運輸環境節能減排主要有3種途徑：(1) 結構性節能：改善運輸系統結構，采用低碳排放量運輸方式替代高碳排放量的運輸方式；改善能源結構，倡導混合動力系統；淘汰落后工具，優化運輸工具結構。(2) 技術性節能：加大對節能減排技術的投資，推動行業節能技術的研發、引進與推廣，依據技術進步與技術創新，實現能源利用效率提高并降低能源消耗。(3) 管理性節能：通過制定戰略規劃、政策法規、技術標準及體制機制等，完善和調整運輸行為與環境、提升運輸組織管理水平[11-14]。本文選取甩掛運輸、混合動力系統改造、車輛維修保養制度的執行與駕駛員水平提高等進行低碳化分析與評估。圖2為主要節能途徑類別劃分及其細分類別節能效果圖。

1.結構性節能:甩掛運輸。有效的甩掛運輸可以使空駛率大大降低，增加了車輛的載貨噸位及有效載貨時間，節能效果可達到30%，現已被列入交通運輸部出臺的道路運輸業“十二五”規劃[15]。

2.技術性節能：混合動力系統。采用混合動力系統使運輸工具在實際應用中依據實際的狀況調整動力系統工作狀況，使動機保持最佳的工作狀態，調整能源結構，降低能源的消耗，節能效率依據技術水平的不同可達到10%~50%。

3.管理性節能：車輛維修保養制度的執行及駕駛員水平的提高。車輛維修保養指對所屬車輛進行定期的抽檢、維護及保養，使車輛內燃機的工作效率穩定，確保車輛運行的良好狀態，降低車輛故障率。一般情況下節能效率可達到5%~30%。駕駛員操作水平及操作方式的不同可使車輛油耗相差7%~25%[11]。

圖2　公路運輸主要節能途徑類別劃分及其細分類別節能效果

(二)基于運輸低碳化途徑的碳減排模型構建

低碳化途徑的節能效果應考慮其是否相互影響。(1)構建靜態分析模型，評價獨立途徑事件及組合途徑事件中互不影響途徑的碳減排潛力；(2)構建動態分析模型，評價組合途徑事件中相互影響途徑的碳減排潛力。

靜態分析模型：

(4)

動態分析模型：

(5)

(6)

ER=Er+Er′

(7)

其中，ER代表實施各種碳減排途徑后的碳減排總量。

(三)基于不同途徑水平的情景仿真設計

本文依據不同的節能減排途徑設置單途徑情景及組合途徑情景，針對低碳化途徑水平設置兩類情景：(1)弱減排情景——以各減排途徑最低減排效率作為減排依據；(2)強減排情景——以各減排途徑最高減排效率作為減排依據。分別評價節能減排途徑在不同情境下的減排效果及對總體碳排放的減排效果。圖3為情景仿真分析路線圖。

圖3　情景仿真分析路線

四、基于碳測量及碳減排模型的情景仿真分析與研究

(一)案例分析

重慶某鋼鐵公司與江蘇新時代造船有限公司及靖江新世紀鋼結構制造有限公司簽訂生產20萬噸船用鋼材合同；20萬噸船用鋼材將由重慶某鋼鐵公司新區生產，裝箱發送到新港長龍碼頭，并由新港長龍碼頭轉船發運送達重慶某鋼鐵公司靖江三峰鋼材加工配送中心，進行加工處理及配送運輸活動。其中，重慶某鋼鐵公司新區到新港長龍碼頭大概距離為9公里。主要鋼材運輸車輛有多種，選取J6M、J6P、J6等型號重卡為分析對象，研究不同運輸方式下碳減排途徑的碳減排潛力。為相關主體提供運輸方式選擇、碳減排途徑組合選擇、碳減排途徑優先發展策略等提供參考依據。表1為不同運輸車的主要參數。

表1　不同鋼材運輸車的主要參數

(二)案例碳減排情景設計

以重慶某鋼鐵集團20萬噸船用鋼材陸路運輸為應用案例，選取3種運輸方式及4種碳減排途徑為研究對象，分析不同碳減排途徑在不同運輸方式下的碳減排潛力、碳減排途徑組合在不同運輸方式下的碳減排潛力及不同途徑水平下碳減排潛力的變化情況。其中，甩掛運輸為途徑1，混合動力系統的應用為途徑2，維修保養制度的制定與執行為途徑3，駕駛員水平的提高為途徑4。表2為不同情景設計下碳減排途徑對案例排放的影響。

(三)案例碳減排情景分析與評價

1.基于不同途徑水平的情景分析。弱減排情景下不同運輸方式的碳減排比例均達到40%，而強減排情景下可達80%。通過提高途徑水平，可明顯提高碳減排效果。

2.基于不同運輸方式的情景分析。相同途徑水平下，運輸強度越高的運輸方式，碳減排效果越高。推廣使用高運輸強度的運輸方式，可將碳減排比例提升0.7到3.9個百分點。

3.基于不同碳減排途徑的情景分析。不同碳減排途徑的減排效果不同。單從減排效果而言，甩掛運輸減排效果最佳，其次是混合動力系統的應用、維修保養制度的制定與執行及駕駛員水平的提高，甩掛運輸應被優先發展。

表2　不同情景設計下碳減排途徑對案例碳排放的影響

五、結論與展望

本文通過對運輸環節的碳排放量因素進行分析，構建運輸環節碳排放測量模型；依據主流碳減排途徑，將其分為管理型、技術型及結構性減排途徑；構建碳減排單途徑分析模型與綜合途徑分析模型，對碳減排途徑應用產生的碳減排潛力進行分析，從而為企業、行業及政府制定運輸環節碳減排途徑推廣與實施政策提供參考依據。本文以重慶某鋼鐵公司運輸環節為案例，進行情景分析，分析不同運輸方式下的碳排放總量，相同減排途徑、不同途徑水平及不同減排途徑應用下的碳減排影響，驗證了模型的有效性。分析認為：(1)車輛運輸強度的不同，將提升0.7到3.9個百分點的碳減排潛力；(2)單途徑的碳減排分析下，甩掛運輸與混合動力減排效果最佳，可達到30%以上，可作為優先實施途徑；(3)相對弱減排情景，強減排情境下節能減排潛力大幅增強，即使相同途徑下，通過提高途徑水平，例如技術水平，也能實現碳的大幅減排。

本文研究中，以碳排放及碳減排為研究核心，利用構建的碳測量、單途徑碳減排及多途徑碳減排綜合分析模型，探討鋼鐵行業運輸環節的碳減排途徑實施策略。建議在未來的研究中，致力以下幾方面：(1)將此系統模型在其他行業/環節進行推廣，探究其他行業/環節的碳減排潛力；(2)考慮經濟因素及社會因素，即碳減排實施方案進行成本分析及社會福利分析，構建立體三維綜合分析評價方法，為其制定最優實施方案提供參考依據；(3)匯總多行業/環節的分析評價結論，為低碳物流及低碳城市發展提供優先實施途徑、優先發展環節、優先發展行業提供參考依據。

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