交通運(yùn)輸業(yè)不同方式碳排放因子水平比較研究

吳雪妍，毛保華，周 琪，黃俊生，童瑞詠

（1.北京交通大學(xué)中國(guó)綜合交通研究中心，北京 100044；2.北京交通大學(xué)綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

北京 100044）

交通碳排放因子一般指完成單位工作量產(chǎn)生的碳排放量， 體現(xiàn)了不同運(yùn)輸方式的碳排放效率。碳中和（Carbon neutrality）是指某區(qū)域在一定時(shí)間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體排放總量可以通過(guò)在該區(qū)域內(nèi)植樹(shù)造林等形式來(lái)吸收與抵消，從而實(shí)現(xiàn)二氧化碳的“零排放”。

國(guó)家主席習(xí)近平2020 年9 月在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上宣布，我國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。 國(guó)務(wù)院2021 年10 月印發(fā)的《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》中提出，到2025 年非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到20%左右，到2030 年達(dá)25%左右。交通運(yùn)輸是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要組成部分，能源消耗和溫室氣體排放均占有較大比重。 根據(jù)國(guó)際能源署數(shù)據(jù)顯示， 全球交通部門(mén)溫室氣體排放約占24%左右。根據(jù)北京綠色創(chuàng)新發(fā)展中心《2020 能源數(shù)據(jù)》，我國(guó)交通部門(mén)2018 年能源消耗量占全國(guó)的18%， 交通部門(mén)的CO2排放量約占全國(guó)總排放量的10%左右[1]。 “碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出對(duì)我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展提出了新的要求，準(zhǔn)確掌握不同方式碳排放因子水平及其影響因素，對(duì)于降低交通部門(mén)碳排放、促進(jìn)碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要意義。

交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放的研究主要集中于兩個(gè)方面。 一是測(cè)算交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的碳排放，如陳進(jìn)杰等[2]將高速鐵路全生命周期分為建材生產(chǎn)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和報(bào)廢4 個(gè)階段，并計(jì)算產(chǎn)生的碳排放量。 二是研究交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)行直接產(chǎn)生的二氧化碳排放，或通過(guò)影響經(jīng)濟(jì)活動(dòng)間接產(chǎn)生的二氧化碳排放[3]。 如馬慧強(qiáng)等[4]研究表明單位交通周轉(zhuǎn)量的能耗是促進(jìn)旅游交通碳排放增長(zhǎng)的主要影響因素之一。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者測(cè)算交通碳排放時(shí)多采用自上而下或自下而上兩種方法[5]。 自上而下法基于燃料消耗和燃料碳排放系數(shù)測(cè)算，如曾曉瑩等[6]采用自上而下法研究了省域交通碳排放時(shí)空分布特征。 自下而上法基于單位里程產(chǎn)生的碳排放測(cè)算，如閆琰等[7]根據(jù)各運(yùn)輸方式油耗特征測(cè)算了終端能源消耗量，并估算了整個(gè)交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放量；王成新等[8]測(cè)算了不同交通運(yùn)輸方式的百公里能耗和碳排放， 發(fā)現(xiàn)高速鐵路百公里人均碳排放約為航空的0.2 倍、 高速公路的0.3 倍；徐龍等[9]研究不同速度區(qū)間下公交車的百公里CO2排放強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)液化天然氣車的碳排放強(qiáng)度高于柴油車，且其差距隨速度增大而增大；王雪然等[10]基于百公里能耗測(cè)算了公交車運(yùn)營(yíng)期碳排放，認(rèn)為電動(dòng)公交車全生命周期每百公里可減排61.2%。 李利軍等[11]結(jié)合上述兩種方法測(cè)算了京津冀公路和鐵路貨運(yùn)碳排放。國(guó)外的歐盟道路碳排放因子模型（HBEFA）[12]和綜合移動(dòng)源排放模型（MOVES）[13]同樣基于自下而上的原理測(cè)算道路交通排放因子。

以各種客、貨運(yùn)交通方式運(yùn)營(yíng)期的碳排放為對(duì)象，考慮了客貨運(yùn)能源消耗量未知情況下不同運(yùn)輸方式的客貨換算系數(shù)，提出了單位周轉(zhuǎn)量交通碳排放因子測(cè)算方法。 最后，由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)種類少、數(shù)據(jù)來(lái)源分散，缺少對(duì)社會(huì)及私人汽車、摩托車等的能耗數(shù)據(jù)[14]，本文在可比口徑上對(duì)比了客運(yùn)和貨運(yùn)不同交通方式碳排放因子水平。

1 交通碳排放因子影響因素

從全生命周期看，交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放涉及建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)、報(bào)廢拆除等階段。 本文主要研究各交通方式運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的碳排放，包括消耗化石能源產(chǎn)生的直接碳排放和在發(fā)電端供電時(shí)產(chǎn)生的間接碳排放。 根據(jù)運(yùn)營(yíng)期各交通方式碳排放過(guò)程，交通碳排放因子的影響因素包括以下兩方面。

1） 能源結(jié)構(gòu)，尤其是清潔能源占比。研究表明，能源強(qiáng)度對(duì)碳排放有反向抑制作用， 生物燃料、電力、氫能等清潔能源的使用，將影響該運(yùn)輸方式因燃燒化石能源產(chǎn)生的直接碳排放。 目前我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中煤電發(fā)電量占比較高，約占60%以上[12]，而煤電發(fā)電的碳排放系數(shù)遠(yuǎn)高于其他（如氣電、核電等）方式。 發(fā)電結(jié)構(gòu)、發(fā)電端能耗效率將引起電力碳排放系數(shù)的變化，從而影響以電力驅(qū)動(dòng)的交通方式運(yùn)營(yíng)時(shí)產(chǎn)生的間接碳排放。

2）運(yùn)輸工具的效率。交通碳排放因子是通過(guò)完成的運(yùn)輸工作量與該過(guò)程產(chǎn)生的碳排放量測(cè)算的。 生產(chǎn)效率越高，一定碳排放量情景下完成的客貨運(yùn)輸量越大，碳排放因子越低。 一般來(lái)說(shuō)，營(yíng)運(yùn)性公共運(yùn)輸車輛的效率普遍高于非營(yíng)運(yùn)性車輛，其排放因子更低。

2 交通碳排放因子測(cè)算模型

2.1 測(cè)算模型構(gòu)建

本文以交通方式單位周轉(zhuǎn)量產(chǎn)生的碳排放量作為不同方式的碳排放因子。 基于自上而下法構(gòu)建的交通碳排放因子模型可分別測(cè)算運(yùn)營(yíng)期間客運(yùn)和貨運(yùn)不同運(yùn)輸方式交通碳排放因子。

1） 碳排放因子。 交通運(yùn)輸行業(yè)客、貨運(yùn)不同運(yùn)輸方式碳排放因子測(cè)算方法如下

式中：Ti1為第i 種運(yùn)輸方式的貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量，t·km；Ti2為第i 種運(yùn)輸方式的旅客周轉(zhuǎn)量， 人·km；Ei1，Ei2分別為第i 種運(yùn)輸方式的貨運(yùn)和客運(yùn)碳排放量，kgCO2。

2） 客貨運(yùn)碳排放量。在客運(yùn)和貨運(yùn)碳排放量?jī)身?xiàng)數(shù)據(jù)未知的情況下，由于換算周轉(zhuǎn)量與各運(yùn)輸方式運(yùn)營(yíng)期間的碳排放量呈正相關(guān)關(guān)系[15]，可利用各種運(yùn)輸方式的換算周轉(zhuǎn)量和運(yùn)營(yíng)期間碳排放數(shù)據(jù)測(cè)算客貨運(yùn)碳排放量，測(cè)算方法如下

式中：αik為第i 種運(yùn)輸方式的客貨換算系數(shù)；Tih為第i 種運(yùn)輸方式的換算周轉(zhuǎn)量，t·km；Ei為第i 種運(yùn)輸方式的總碳排放量，kgCO2，測(cè)算方法如下

式中：Wij為第i 種運(yùn)輸方式的第j 種化石能源的碳消耗量，t；Wid為第i 種運(yùn)輸方式的電力能源的消耗量，kW·h；fj為第j 種化石能源的碳排放系數(shù)kgCO2/t；fd為電力碳排放系數(shù)，kgCO2/（kW·h）；Dj為第j 種化石能源的平均低熱值，GJ/t；Cj為第j 種化石能源的單位熱值含碳量，kgC/GJ；Oj為第j 種化石能源燃燒過(guò)程的碳氧化率。

3） 客貨換算系數(shù)。我國(guó)現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)制度規(guī)定的客貨換算系數(shù)多基于運(yùn)輸1 t·km 和1 人·km 所需人力和物力投入，并不適用于碳排放的測(cè)算。 排放視角下的客貨換算系數(shù)應(yīng)根據(jù)客、貨單位工作量產(chǎn)生的排放量比值來(lái)確定。 由于我國(guó)部分?jǐn)?shù)據(jù)不完備，這里以美國(guó)的客貨運(yùn)數(shù)據(jù)為參照，考慮中、美客貨運(yùn)輸部分參數(shù)的差異， 對(duì)美國(guó)客貨換算系數(shù)α'ik按折算值γi修正后作為我國(guó)客貨換算系數(shù)αik，方法如下

式中：α'ik為美國(guó)第i 種運(yùn)輸方式的客貨換算系數(shù)， 即貨運(yùn)和客運(yùn)第i 種運(yùn)輸方式碳排放因子的比值。 γi為折算值， 與美國(guó)和我國(guó)交通工具單位排放、運(yùn)載能力等因素有關(guān)。 假設(shè)美國(guó)客運(yùn)和貨運(yùn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平一致，我國(guó)的技術(shù)水平雖低于美國(guó)，但客貨運(yùn)技術(shù)水平差距較小，客貨換算系數(shù)折算值為兩國(guó)客運(yùn)和貨運(yùn)載運(yùn)量之比，測(cè)算方法如下

式中：Kic為我國(guó)第i 種運(yùn)輸方式每車載客量，人/車；Kim為美國(guó)第i 種運(yùn)輸方式每車載客量， 人/車；Hic為我國(guó)第i 種運(yùn)輸方式每車載貨量，t/車；Him為美國(guó)第i 種運(yùn)輸方式每車載貨量，t/車。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

參照能源基金會(huì)《2020 能源數(shù)據(jù)》中各運(yùn)輸方式能源消耗量數(shù)據(jù)以及2006 年IPCC 國(guó)家溫室氣體清單指南（表1）的化石能源碳排放系數(shù)，測(cè)算以2018 年我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)碳排放為研究對(duì)象，我國(guó)電力排放系數(shù)取0.637 kg/（kW·h）。 各運(yùn)輸方式周轉(zhuǎn)量數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局。

表1 碳排放系數(shù)計(jì)算參數(shù)值Tab.1 Carbon emission coeffcient calculation parameter value

我國(guó)和美國(guó)換算系數(shù)折算值根據(jù)載運(yùn)量之比計(jì)算，數(shù)據(jù)如表2 所示，其中美國(guó)各方式碳排放因子數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)環(huán)境保護(hù)署官方報(bào)告。 根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同一運(yùn)輸方式的載運(yùn)率應(yīng)采用相同計(jì)算方法和統(tǒng)計(jì)口徑。 美國(guó)鐵路和公路客運(yùn)、貨運(yùn)載運(yùn)率可通過(guò)人英里、噸英里、車英里測(cè)算；我國(guó)公路客運(yùn)、貨運(yùn)載運(yùn)量可通過(guò)總噸位與載客、載貨汽車數(shù)量測(cè)算；我國(guó)鐵路客運(yùn)載運(yùn)量可通過(guò)普速鐵路、高速鐵路車廂數(shù)量、定員、平均客座率測(cè)算。 對(duì)于航空運(yùn)輸， 中美航空運(yùn)輸折算值根據(jù)客座利用率和貨郵載運(yùn)率 （收入客公里或貨運(yùn)噸公里與可用座公里或貨運(yùn)噸公里的比值）計(jì)算。 此外，由于船舶的載運(yùn)量較大，約為萬(wàn)噸級(jí)以上，水運(yùn)載運(yùn)能力近似，折算值接近于1。 我國(guó)客貨換算系數(shù)測(cè)算結(jié)果如表3 所示。

表2 中美換算系數(shù)折算值Tab.2 Conversion coefficient converted value

表3 碳排放系數(shù)計(jì)算參數(shù)值Tab.3 Carbon emission coeffcient calculation parameter value

3 交通碳排放因子測(cè)算與比較分析

3.1 我國(guó)單位周轉(zhuǎn)量交通碳排放因子計(jì)算結(jié)果

按前述方法和數(shù)據(jù)， 表4 給出2018 年我國(guó)各方式碳排放因子測(cè)算結(jié)果。 不難看出，我國(guó)航空貨運(yùn)碳排放因子顯著高于其他方式， 約為鐵路的128倍；公路貨運(yùn)亦為鐵路的11.5 倍；鐵路和水運(yùn)最低，為0.008 kgCO2/（t·km）。 客運(yùn)各方式碳排放因子差距相對(duì)較小，航空運(yùn)輸最高，約為水運(yùn)的9.6 倍；其次是鐵路和公路運(yùn)輸，約為水運(yùn)的3.4 和2.6 倍。

表4 我國(guó)不同交通方式客貨運(yùn)碳排放因子Tab.4 Carbon emission factors of passenger and freight transportation modes in China

我國(guó)公路運(yùn)輸產(chǎn)生的碳排放量占比在70%以上，但由于運(yùn)輸量大，其單位周轉(zhuǎn)量碳排放因子低于航空運(yùn)輸。 我國(guó)鐵路貨運(yùn)碳排放因子最低，但客運(yùn)碳排放因子高于公路和水路運(yùn)輸，這可能與近年高速客運(yùn)占比不斷增大有關(guān)。 從客運(yùn)和貨運(yùn)碳排放因子的對(duì)比看，公路和航空貨運(yùn)碳排放因子均高于客運(yùn)，但鐵路客運(yùn)碳排放因子高于貨運(yùn)，原因可能是高速鐵路碳排放因子高于傳統(tǒng)鐵路[8]。

3.2 交通碳排放因子對(duì)比分析

為分析既有碳排放因子研究結(jié)果的合理性，表5 給出了本文測(cè)算的交通碳排放因子、 美國(guó)環(huán)境保護(hù)署交通碳排放因子與文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[16]的結(jié)果。

從表5 可以看出， 除航空貨運(yùn)碳排放因子外，我國(guó)客運(yùn)和貨運(yùn)各方式碳排放因子均低于美國(guó)。 文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[16]與本文結(jié)果也有一定差異。 分析我國(guó)與美國(guó)各交通方式碳排放因子不同的原因如下：

表5 不同文獻(xiàn)各交通方式碳排放因子對(duì)比Tab.5 Comparison of carbon emission factors of different transportation in different literatures

1） 我國(guó)客貨運(yùn)交通統(tǒng)計(jì)基于客貨商業(yè)運(yùn)營(yíng)體系， 效能較美國(guó)全行業(yè)平均水平及非營(yíng)運(yùn)系統(tǒng)更高。 若以每公里線路承擔(dān)的換算周轉(zhuǎn)量作為換算運(yùn)輸密度，2018 年我國(guó)鐵路換算運(yùn)輸密度約為6 757×104（t·km）/km，美國(guó)約為1 525×104（t·km）/km，我國(guó)是美國(guó)的4.4 倍， 貨運(yùn)和客運(yùn)鐵路碳排放因子分別為美國(guó)的57%和75%。 同理，我國(guó)公路換算運(yùn)輸密度約為美國(guó)的1.8 倍， 公路貨運(yùn)和客運(yùn)碳排放因子分別為美國(guó)的70%和26%。我國(guó)交通工具效能高于美國(guó)，單位周轉(zhuǎn)量交通碳排放因子較小。

2） 統(tǒng)計(jì)口徑的差異。客貨運(yùn)輸單位排放統(tǒng)計(jì)原則上應(yīng)基于全部車輛。 我國(guó)公路運(yùn)輸統(tǒng)計(jì)時(shí)未包含非營(yíng)運(yùn)的個(gè)人運(yùn)輸車輛[14]，這部分在我國(guó)占有較大比重。 我國(guó)機(jī)動(dòng)車包括汽車、掛車、無(wú)軌電車、農(nóng)用運(yùn)輸車、摩托車、機(jī)動(dòng)三輪車和運(yùn)輸用拖拉機(jī)（包括帶掛車的輪式拖拉機(jī)） 以及輪式專用機(jī)械車等種類，但不包括任何在軌道上運(yùn)行的車輛。 2020 年全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量為3.72 億輛，其中汽車2.81 億輛。我國(guó)營(yíng)運(yùn)汽車1 171.54 萬(wàn)輛，僅占汽車數(shù)量的4%。統(tǒng)計(jì)口徑的差異可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)我國(guó)公路運(yùn)輸排放因子的低估。

3） 航空機(jī)型規(guī)模不同。 航空貨運(yùn)中，采用全貨機(jī)運(yùn)輸可提高單次載運(yùn)量，降低單位周轉(zhuǎn)量碳排放因子。 從我國(guó)航空貨運(yùn)現(xiàn)狀來(lái)看，全貨機(jī)數(shù)量規(guī)模小，僅有160 架，約70%的貨運(yùn)是通過(guò)客機(jī)腹艙完成的，這部分貨運(yùn)導(dǎo)致的排放增量如何分批計(jì)算需要細(xì)化研究。 我國(guó)全貨機(jī)數(shù)量在運(yùn)輸機(jī)隊(duì)中占比約4.4%，低于美國(guó)的15.1%，航空貨運(yùn)碳排放因子高于美國(guó)。

航空客運(yùn)中，支線航空飛行距離短、機(jī)型相對(duì)較小， 單位周轉(zhuǎn)量碳排放因子較高。 美國(guó)航空客運(yùn)中63%的定期客運(yùn)服務(wù)由支線航空公司提供，支線客機(jī)數(shù)量占運(yùn)輸機(jī)隊(duì)的33%以上。 我國(guó)支線客機(jī)僅占運(yùn)輸機(jī)隊(duì)的5.1%左右，支線航空規(guī)模小于美國(guó)，航空客運(yùn)碳排放因子較低。

文獻(xiàn)[8]基于百公里能耗和交通工具載客定員（實(shí)際上假設(shè)全部滿載） 測(cè)算了百公里人均碳排放量， 其結(jié)果未考慮實(shí)際載客量對(duì)碳排放因子的影響，鐵路客運(yùn)碳排放因子結(jié)果低于本文；文獻(xiàn)[8]測(cè)算公路碳排放因子時(shí)并未區(qū)分營(yíng)運(yùn)性車輛和非營(yíng)運(yùn)性車輛， 本文僅測(cè)算了營(yíng)運(yùn)性車輛碳排放因子，公路客運(yùn)碳排放因子較低；本文測(cè)算碳排放因子時(shí)考慮了運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量的影響，在一定碳排放量情景下完成的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量越大，碳排放因子越低，由于我國(guó)航空客運(yùn)周轉(zhuǎn)量較高，本文航空碳排放因子測(cè)算結(jié)果較低。

文獻(xiàn)[16]從公路運(yùn)輸不同速度排放因子水平角度出發(fā)， 測(cè)算得到公路客運(yùn)平均碳排放因子為0.026 kgCO2/（人·km），與本文結(jié)果基本一致，本文的交通碳排放因子測(cè)算模型較為合理。

4 結(jié)論

通過(guò)自上而下分析法研究了我國(guó)客貨運(yùn)不同方式交通碳排放因子，得出以下結(jié)論。

1） 從貨運(yùn)排放因子看，鐵路與水運(yùn)較低，民航最高。 不過(guò)，由于貨運(yùn)量規(guī)模大，公路成為我國(guó)運(yùn)輸排放的主要貢獻(xiàn)者，碳排放占比達(dá)74%。 從客運(yùn)看，由于高速鐵路客運(yùn)在鐵路客運(yùn)中占比較大，排放因子略高于公路，這與目前我國(guó)電力結(jié)構(gòu)中煤電占比高達(dá)68.5%有關(guān)。

2） 碳排放因子與運(yùn)輸效率密切相關(guān)，我國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要以客貨營(yíng)運(yùn)車輛為主。 我國(guó)鐵路、公路營(yíng)運(yùn)車輛運(yùn)輸效率（如滿載率）高，鐵路換算運(yùn)輸密度是美國(guó)的4.4 倍、公路是美國(guó)的1.8 倍，因而單位周轉(zhuǎn)量排放因子除航空貨運(yùn)外較美國(guó)普遍低。 我國(guó)航空貨運(yùn)碳排放因子高于美國(guó)，原因可能與我國(guó)航空全貨機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模較小有關(guān)，我國(guó)全貨機(jī)數(shù)量占比僅為美國(guó)的30%左右。

3） 我國(guó)公路運(yùn)輸車輛統(tǒng)計(jì)中未包含非營(yíng)運(yùn)的個(gè)人運(yùn)輸， 而這部分車輛在我國(guó)的占比高達(dá)96%，由于其載客數(shù)少，單耗單排較大，這可能導(dǎo)致對(duì)我國(guó)公路運(yùn)輸排放因子的低估。