中國水路運輸業能源消耗與廢氣排放測算

邢 輝,段樹林,黃連忠,劉勤安

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中國水路運輸業能源消耗與廢氣排放測算

邢 輝,段樹林*,黃連忠,劉勤安

(大連海事大學輪機工程學院,遼寧 大連 116026)

采用基于運輸周轉量的自下而上方法建立了中國水路運輸業能源消耗和廢氣排放測算模型.根據GDP增長預測得到未來一段時間內中國內河、沿海和遠洋貨運周轉量,結合IMO(International Maritime Organization)溫室氣體研究采用的廢氣排放因子,測算得到2001~2030年中國水路運輸業的能源消耗和廢氣排放.研究結果表明:2001年,中國水路運輸業燃油消耗量及NO、CO、NMVOC(非甲烷揮發性有機物)、CO2、SO2和PM排放量分別為790.9,63.6,5.9,1.9,2483.2,37.2,4.6萬t,到2030年,將分別為5951.8,405.1,16.5,18.3,18743.2,15.5,6.1萬t;2001~2030年,中國水路運輸業燃油消耗及CO2和NO排放呈逐年增長趨勢,年均增長率分別為7.2%、7.2%和6.6%;受國際公約的限制,與硫含量密切相關的SO2和PM排放量自2020年之后顯著下降;2001年,中國水路運輸業CO2排放量占世界航運排放量的比重在3.2%左右,此后呈逐漸上升趨勢,到2020和2030年,將分別增長至11.5%和15.3%.

水路運輸；能源消耗；廢氣排放；運輸周轉量；中國

水路運輸業作為化石燃料消費的重點行業,是全球溫室氣體和大氣污染物排放的重要來源之一[1].根據IMO 2014年第3次溫室氣體研究報告[2],2007~2012年,世界航運(含國際、國內航行船舶和漁業船舶,不含軍事用途船舶)年均燃油消耗量為3.25億t,年均CO2、NO和SO排放量約占當年全球CO2和人為源NO、SO排放總量的3.1%、15%和13%. 近年來,中國水路運輸業持續快速增長.根據交通運輸行業發展統計公報[3],截止2014年末,全國擁有水上運輸船舶17.20×104艘;1998~2014年,中國水路貨運量年均增長11.2%,貨運周轉量年均增長10.3%.但目前中國水路運輸業的能源消耗和廢氣排放的現狀計算及趨勢預測均缺少充分的研究.針對能源消耗的研究主要著眼于交通運輸行業[4-9],而對于具體的水路運輸業尤其是中國內河、沿海和遠洋運輸的能源消耗缺少詳細的研究;對于廢氣排放的研究主要針對國際海運船隊CO2排放[10-11]和區域性船舶廢氣排放[12-17],而對于水路運輸業相關大氣污染物排放、中國境內船舶廢氣排放以及中國內河和沿海運輸船隊的排放測算也缺少系統的研究.針對中國水路運輸業能源消耗和廢氣排放進行準確的計算和趨勢預測,對于交通運輸行業通過結構優化、技術進步和強化管理等相關措施實現節能減排具有重要的指導意義.本文根據IPCC(政府間氣候變化專門委員會)溫室氣體排放量估算方法,針對基于燃油消耗的自上而下方法和基于做功的自下而上方法均存在基礎數據缺乏的問題,提出采用基于運輸周轉量的自下而上方法測算2001~2014年中國水路運輸業的能源消耗和廢氣排放;通過建立中國內河、沿海及遠洋貨運周轉量與GDP的回歸關系,預測得到2015~2030年中國水路運輸業的能源消耗和廢氣排放.相關計算方法和結果可為中國交通運輸行業節能減排政策措施的制定提供參考.

1 研究方法

1.1 計算模型

參照IPCC溫室氣體排放量估算方法[18],船舶廢氣排放量計算公式可表達為

式中:為排放量,t;FC為燃油消耗量,t;EF為廢氣排放因子,kg/t燃料;為燃油類型編號;為廢氣成分編號.

1.2 模型參數

1.2.1 燃油消耗量(FC) 對于式(1)中的燃油消耗量,一般采用自上而下或自下而上兩種方法進行測算[19-20].自上而下方法是根據船用燃油供應商的銷售數據統計得到燃油消耗量,其準確性取決于是否能準確收集到一年當中中國水路運輸業消耗的各類型燃油量,考慮的因素較少,計算模型簡單.但中國目前還沒有一套完整的各類型水路運輸船隊燃油消耗量監測系統,船舶燃油消耗量的統計還存在諸多困難;另外,國外學者的研究表明自上而下方法的測算結果存在較大誤差[2,21-24],因此國家或地區性船舶廢氣排放測算均摒棄了該方法.

基于做功的自下而上方法是根據各艘船舶的活動強度來推算船舶實際燃油消耗量,該方法考慮了燃料類型、船舶或發動機類型以及具體的船舶活動過程[2,18,20],其燃油消耗量計算公式可表達為

(2)

式中:FC為燃油消耗量,t;為標定功率,kW;LF為負荷因子;為運行時間,h;SFC為燃油消耗率,g/(kW·h);為船舶編號;為設備編號,包括主機、副機和燃油輔鍋爐;為運行工況編號.

基于做功的自下而上方法能比較準確的測算出船舶燃油消耗量,是目前全球性、區域性或地區性船舶廢氣排放測算過程中普遍使用的方法[25-30].但該方法對船舶標定功率、發動機負荷因子、工作時間、運行工況和燃油消耗率等參數做了諸多假設和簡化,且忽略了航運市場景氣狀況對船舶活動的影響,實際的測算結果也會存在一定的誤差[10].中國目前還缺少具體船舶活動過程的監控數據,另外也存在國外模型參數對中國船隊尤其是內河及沿海船隊的適用性問題,因此,尋找簡單、實用的方法用于中國現階段水路運輸業燃油消耗量測算變得尤為迫切.

通過公開出版的統計資料的對比分析,本文采用基于運輸周轉量的自下而上方法對中國水路運輸業燃油消耗量進行測算.

式中:FC為燃油消耗量,t;TT為運輸周轉量,億t·km或億人·km;SEC為單位運輸周轉量能耗(本文中均指油耗),g/(t·km)或g/(人·km);為水路運輸類型,指內河貨運、沿海貨運、遠洋貨運和水路客運.

1.2.2 運輸周轉量(TT) 表1為根據交通運輸行業發展統計公報[3]得到的2001~2014年各年份水路運輸周轉量.貨運周轉量與經濟發展程度密切相關,可用貨運周轉量與GDP的回歸關系來預測未來貨運周轉量[4].基于2001~2014年的統計數據,貨運周轉量與GDP的回歸公式為

TT內河=0.039×GDP-3838.7 (4)

2=0.905;=113.697;Sig.=0.000

TT沿海=0.075×GDP-4056.8 (5)

2=0.977;=518.315;Sig.=0.000

TT遠洋=0.120×GDP+12730.7 (6)

2=0.767;=39.605;Sig.=0.000

式(4)~式(6)中:TT為各年份貨運周轉量,億t·km; GDP為各年份國內生產總值(按2000年可比價計算),億元.

模型決定系數2越接近1說明回歸的越好,各模型檢驗的Sig值均小于0.01,說明回歸模型具有統計學意義;模型系數的t檢驗值列于公式系數和常數項下面的括號內,各回歸公式系數和常數項均有統計學意義.內河、沿海貨運周轉量與中國GDP之間表現出了明顯的相關性.遠洋貨運周轉量除受中國經濟社會發展的影響外,還受到全球經濟、貿易及航運形勢的影響,2008年出現了明顯的波動,但總體發展形勢仍與中國GDP增長之間表現出了一致性.劉建翠[4]和周玲玲等[11]的研究均表明,截止2030年,中國水路運輸業仍會保持快速增長,因此,本文建立的線性回歸模型對于現階段中國水路運輸業的發展還是具有適用性的.

2001~2014年,客運周轉量在59.18~89.90億人·km區間內波動,其均值為

TT客運=72.55±7.88 (7)

式中:TT客運為各年份客運周轉量,億人·km.

水路客運周轉量可取換算系數為1/2將其轉換為貨運周轉量進行計算[4],換算后,水路客運周轉量相對于總的貨運周轉量數值極小.因此,本文計算中忽略水路客運對中國水路運輸業燃油消耗和廢氣排放的貢獻.考慮中國經濟社會發展目標以及正在進行的經濟增長方式的轉變,將中國“十三五”~“十五五”期間的GDP年度增長率(記為AGR)設定為6.5%、6.0%和5.5%.根據式(4)~式(6),預測得到2015、2020、2025和2030年內河、沿海及遠洋貨運周轉量也列于表1中.劉建翠[4]根據目前中國的交通運輸結構、交通運輸規劃以及未來發展趨勢,把基于GDP增長預測得到的交通運輸業貨運周轉量預測值分解到各種運輸方式中,測算得到2020和2030年中國水路貨運周轉量為117408~127462億t·km和194542~ 204244億t·km.而本文測算得到的2020和2030年中國水路貨運周轉量分別為131955.10和227168.61億t·km,比劉建翠[4]預測值的中值分別高出7.8%和13.9%.因此,本文的測算模型和測算結果具有合理性.

表1 2001~2030年中國水路運輸周轉量Table 1 Water-borne transportation turnovers in China from 2001 to 2030

1.2.3 單位運輸周轉量能耗(SEC) 中國營運船舶單位運輸周轉量能耗數據比較缺乏,根據文獻[31],2005年內河船舶單位運輸周轉量能耗為9.38g/(t·km);另根據交通運輸行業發展統計公報[3],2011~2014年監測的沿海及遠洋貨運船舶單位運輸周轉量能耗平均值為2.30g/(t·km),計算中設定此值為2013年能耗水平.另外,根據交通運輸部《公路水路交通節能中長期規劃綱要》確定的節能目標[1],2015年與2005年相比,營運船舶單位運輸周轉量能耗要下降15%左右;2020年與2005年相比,營運船舶單位運輸周轉量能耗要下降20%左右.因此,設定2001~2015年單位運輸周轉量能耗每年降低1.6%;2016~2020年單位運輸周轉量能耗每年降低1.2%.船舶能效達到一定水平之后,再進行有效提高將越來越困難.因此,設定2021~2030年單位運輸周轉量能耗每年降低1.0%.通過對單位運輸周轉量能耗下降的合理設定,將能有效考慮到行業技術進步和國際、國內相關法規對船舶能效水平逐漸提高的影響,測算結果也能盡可能真實反映中國水路運輸業燃油消耗和廢氣排放情況.

表2 廢氣排放因子(kg/t燃料)Table 2 Exhaust emission factors (kg/t fuel)

注:SSD-低速柴油機;MSD-中速柴油機;HFO-船用燃料油;MDO-船用輕柴油;①-分別適用于IMO NOTier I/II柴油機.

1.2.4 廢氣排放因子(EF) 廢氣排放因子受到發動機類型、生產年份、使用年限、燃油類型等因素的影響.IMO分別于2000、2009和2014年開展了3次海運溫室氣體排放研究,其中第2次和第3次溫室氣體研究報告均采用了自上而下和自下而上兩種方法進行了對比測算[2,20].表2為2次報告采用的廢氣排放因子,取值略有不同.考慮技術進步及MARPOL公約(國際防止船舶污染公約)附則VI的實施,本研究將表2中廢氣排放因子用于中國水路運輸業廢氣排放量測算時作如下處理:內河貨運船舶均采用中速柴油機,燃用MDO;沿海及遠洋貨運船舶均采用低速柴油機,燃用HFO;為和IMO的兩次研究報告進行對比, 2001~2007年排放因子采用文獻[20]的數據; 2008~2019年,排放因子采用文獻[2]的數據,其中NO排放因子采用Tier I數據;2020~2030年,排放因子采用文獻[2]的數據,其中NO排放因子采用Tier II數據,SO2和PM排放因子采用MDO數據.在不能明確獲知具體船舶發動機信息的條件下,本研究計算時作了一定的簡化和假設:沒有詳細區分船舶主機、副機的類型;忽略了發動機生產年份的影響;燃油品質的影響也做了簡化,采用恒定的燃油類型;忽略發動機使用年限對排放因子的影響;不考慮發動機運行工況的影響等.

1.3 測算范圍和數據來源

本研究將中國水路運輸業廢氣排放限定為水路貨運排放,忽略水路客運排放,并將水路貨運分為內河貨運、沿海貨運和遠洋貨運.參照IMO研究報告[20],排放包括溫室氣體CO2和大氣污染物NO、CO、NMVOC、SO2和PM,但忽略溫室氣體CH4、N2O.本研究中2000~2014年GDP及AGR數據來源于《中國統計年鑒》[32];2001~2014年運輸周轉量數據來源于交通運輸部發布的《交通運輸行業發展統計公報》[3];廢氣排放因子參考IMO第2次溫室氣體研究報告[20]和第3次溫室氣體排放研究報告[2].

2 結果與討論

2.1 中國水路運輸業燃油消耗量

表3為中國水路運輸業燃油消耗量.目前對中國水路運輸業燃油消耗量的統計數據和測算研究均較少,周玲玲[11]預測中國未來國際海運(注:各參考文獻中"國際海運"含義等同于本文中"遠洋貨運")排放量時選定2010年作為計算基準年,用于測算的2010年中國國際海運燃油消耗量數據為1009.32萬t.本文測算得到的2010年中國遠洋貨運燃油消耗量為1111.8萬t,比周玲玲等[11]的數據高出10.2%,說明本文所建立的測算模型具有合理性.

燃油消耗量總體呈不斷上升趨勢,2001~ 2030年年均增長率為7.2%,其中,內河貨運、沿海貨運和遠洋貨運燃油消耗量年均增長率分別為10.5%、9.1%和5.1%.中國水路運輸業燃油消耗量占世界航運燃油消耗量的比重也呈增長態勢:2001年,中國水路運輸業燃油消耗量為790.9萬t,約占世界航運燃油消耗量的3.2%;2012年,中國水路運輸業燃油消耗量為2373.4萬t,約占世界航運燃油消耗量的7.9%.國家大力發展內河航運的戰略部署能夠通過內河船隊燃油消耗量的增長得以體現,其中2013年中國內河貨運出現跳躍式發展.

表3 2001~2030年中國水路運輸業燃油消耗量(萬t)Table 3 Fuel consumptions of water-borne transportation in China from 2001 to 2030 (104t)

考慮GDP增長的不確定性,設定2016~2030年AGR有±0.5%的浮動區間,測算得到2020、2025和2030年中國水路運輸業燃油消耗量分別為3628.3~3807.8,4540.7~4998.8,5537.7~6394.2萬t,相應的將導致燃油消耗量年均增長率有±0.3%的浮動.2001~2030年中國會一直處于中高速發展階段,作為一種最節能的運輸方式,水路運輸在經濟社會發展中必然發揮著舉足輕重的作用,中國水路運輸業能耗總量也將隨之呈逐年增長趨勢.因此,整個行業仍需要不斷通過加強技術革新、優化船隊結構和運力分配、精細化船隊管理等措施促進中國水路運輸業節能降耗.

2.2 中國水路運輸業廢氣排放量

表4為中國水路運輸業CO2排放量.周玲玲等[11]測算得到2010年中國國際海運CO2排放量為3159.2萬t;顧偉紅[10]采用2種模型測算得到2010年中國國際海運CO2排放量為3771和3569萬t;而本文測算得到2010年中國遠洋貨運CO2排放量為3462.1萬t,介于周玲玲等[11]和顧偉紅等[10]的測算結果之間.

針對2020和2030年中國遠洋貨運CO2排放量的測算值要高于周玲玲等[11]的預測值,可能是由于周玲玲等[11]選定的計算基準年的平均單船裝機功率偏低、而能效進步的設定又過于樂觀所致.目前中國水路運輸業廢氣排放現狀及趨勢預測方面的研究較少,測算結果難以進行系統的比較,但和相關文獻研究結論的對比發現,本文測算結果一定程度上還是可靠的.

通過與IMO第2次和第3次溫室氣體排放研究報告的對比發現,2001~2012年,中國水路運輸業CO2排放量占世界航運排放量的比重由3.2%逐漸增長至7.8%;其中遠洋運輸CO2排放量占比由2.2%增長至4.1%.根據IMO第3次溫室氣體研究報告,考慮不同的全球經濟增長、船隊發展和運輸需求情景,相比于2012年,不同預測情景下測算得到2020和2030年世界航運CO2排放量平均增長率為7%和29%.據此推算,到2020和2030年,中國水路運輸業CO2排放量占世界航運排放量的比重將分別增長至11.5%和15.3%;其中遠洋運輸CO2排放量占世界航運排放量比重分別為5.0%和6.1%.因此,到2020和2030年,根據IMO市場減排機制對國際航行船舶的“非歧視性原則”,未來中國遠洋貨運將承擔巨大的節能減排壓力.另外,中國內河和沿海貨運增長速度更快,船舶對中國境內大氣環境污染的壓力將進一步增大.因此,為了實現中國的減排承諾,水路運輸業任重道遠.

表5為中國水路運輸業大氣污染物排放量.由表4、表5可知,21世紀初的30年間(2001~2030年),中國水路運輸業NO、CO、NMVOC、CO2、SO2和PM排放量分別為6769.3,296.8,278.8, 290879.8,1610.3,262.7萬t.2001年,中國水路運輸業NO、CO、NMVOC、CO2、SO2和PM排放量占世界航運排放量的比重在3.2%~3.4%之間,此后呈逐漸上升趨勢,到2012年,各廢氣排放量占比在7.0%~10.0%之間.2030年之前中國經濟將持續保持中高速增長,水路運輸業也將持續快速增長,且其增長速度將遠高于世界同期平均水平.因此,截止2030年,中國水路運輸業廢氣排放量占世界航運廢氣排放量的比重將進一步升高.

對2001~2030年中國水路運輸業不同運輸類型廢氣排放量發展趨勢的測算表明:水路運輸業NO排放量呈逐年增加趨勢,年均增長率為6.6%;其中內河貨運、沿海貨運及遠洋貨運NO排放量年均增長率分別為10.2%、8.7%和4.8%.水路運輸業CO2排放量呈逐年增加趨勢,年均增長率為7.2%;其中內河貨運、沿海貨運及遠洋貨運CO2排放量年均增長率分別為10.5%、9.0%和5.1%.因IMO兩次研究報告對CO排放因子取值差異較大,導致2007年前后CO排放量出現較大波動.MARPOL公約對2020年1月1日之后船用燃油硫含量嚴格限制在0.5%以下,因此,與硫含量密切相關的SO2和PM排放量自2020年之后顯著下降.2020~2030年,中國水路運輸業SO2和PM年均排放量分別為12.4,4.9萬t.

表5 2001~2030年中國水路運輸業廢氣排放量(萬t)Table 5 Air pollutant emissions of water-borne transportation in China from 2001 to 2030 (104t)

3 結論

3.1 目前的統計數據使得現階段還難以應用基于燃油消耗或基于做功的方法對中國水路運輸業廢氣排放進行測算,而基于運輸周轉量的自下而上方法能夠有效利用現有統計數據.中國內河、沿海和遠洋貨運周轉量與中國GDP之間表現出了明顯相關性,通過對GDP增長的假設可以預測得到未來一段時間內的水路運輸周轉量,進而開展中國水路運輸業能源消耗和廢氣排放預測.相關測算方法和結果可為中國交通運輸行業節能減排措施的制定提供參考.

3.2 2001年,中國水路運輸業燃油消耗量為790.9萬t,占世界航運燃油消耗量的3.2%; 2012年,中國水路運輸業燃油消耗量為2373.4萬t,占世界航運燃油消耗量的7.9%.2001~2030年,中國水路運輸業燃油消耗量呈逐年增長趨勢,年均增長率為7.2%;2030年,中國水路運輸業燃油消耗量將達到5951.8萬t.

3.3 2001年,中國水路運輸業NO、CO、NMVOC、CO2、SO2和PM排放量分別為63.6,5.9, 1.9,2483.2,37.2,4.6萬t;2030年,中國水路運輸業NO、CO、NMVOC、CO2、SO2和PM排放量將分別為405.1,16.5,18.3,18743.2,15.5,6.1萬t. 2001年,中國船隊NO、CO、NMVOC、CO2、SO2和PM排放量占世界航運排放量的比重均在3.2%~3.4%左右,此后呈逐漸上升趨勢,到2012年,各廢氣排放量占比在7.0%~10.0%之間.2001~ 2012年,中國水路運輸業CO2排放量占世界航運排放量的比重由3.2%逐漸增長至7.8%;到2020年和2030年,中國水路運輸業CO2排放量占世界航運排放量的比重將分別增長至11.5%和15.3%.

3.4 2001~2030年,中國水路運輸NO排放量呈逐年增加趨勢,年均增長率為6.6%;其中內河貨運、沿海貨運及遠洋貨運NO排放量年均增長率分別為10.2%、8.7%和4.8%.水路運輸業CO2排放量呈逐年增加趨勢,年均增長率為7.2%;其中內河貨運、沿海貨運及遠洋貨運CO2排放量年均增長率分別為10.5%、9.0%和5.1%.因MARPOL公約對國際船用燃油硫含量的限制,與硫含量密切相關的SO2和PM排放量自2020年之后顯著下降.

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*責任作者, 教授, oliverduan@163.com

Estimation of energy consumption and exhaust emissions for water-borne transportation sector in China

XING Hui, DUAN Shu-lin*, HUANG Lian-zhong, LIU Qin-an

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)., 2016,36(6)：1913~1920

A bottom-up approach based on transport turnovers was employed to establish a model for calculation of energy consumption and exhaust emissions from water-borne transportation sector. Chinese inland, coastal and ocean transport turnovers were obtained based on the relationships of transport turnovers against GDP and the growth prediction of GDP in next years. Combined with emission factors employed by IMO, energy consumption and exhaust emissions of water-borne transportation in China from 2001 to 2030 were estimated. In 2001, fuel consumption and NO, CO, NMVOC, CO2, SO2and PM emissions from water-borne transportation sector in China were 7.909, 0.636, 0.059, 0.019, 24.832, 0.372 and 0.046 million tons respectively; in 2030, fuel consumption and NO, CO, NMVOC, CO2, SO2and PM emissions were 59.518, 4.051, 0.165, 0.183, 187.432, 0.155 and 0.061 million tons respectively; from 2001 to 2030, fuel consumption and CO2and NOemissions from water-borne transportation sector in China increased with an average annual growth rate of 7.2%, 7.2% and 6.6% respectively; Due to the restriction of international maritime conventions, SO2and PM emissions which are closely related to sulfur content in fuels reduced significantly since 2020; in 2001, CO2emissions from water-borne transportation sector in China contributed around 3.2% CO2emissions of world shipping, and thereafter gradually upward, in 2020 and 2030, the contribution would grow to 11.5% and 15.3% respectively.

water-borne transportation；energy consumption；exhaust emission；transport turnover；China

X51

A

1000-6923(2016)06-1913-08

邢 輝(1980-),男,湖北浠水人,副教授,大連海事大學博士研究生,主要從事船舶柴油機動力裝置排放測試與評價方面的研究.發表論文30余篇.

2015-12-08

交通運輸部科技計劃項目(2015328225150);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(3132016018)