碳中和战略下我国交通运输行业碳减排策略研究.pdf
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1、第 22卷 第 2期2023 年 4 月Vol.22 No.2 Apr.2023北京交通大学学报(社会科学版)Journal of Beijing Jiaotong University(Social Sciences Edition)碳中和战略下我国交通运输行业碳减排策略研究黄俊生,毛保华,吴雪妍(北京交通大学 中国综合交通研究中心,北京 100044)摘要:以我国交通运输行业为研究对象,采用“自下而上”法和“自上而下”法分别测算 2050年我国交通运输行业四种主要情景可实现的减碳水平。研究显示:运输结构调整优化、电动卡车规模化和能源结构优化均可有效降低 2050年我国交通运输行业碳排放,运
2、输结构优化调整的边际减排效果最佳且呈现先快后慢的趋势,而电动卡车规模化对碳减排贡献率呈现先慢后快的趋势。因此,需要不断优化运输结构,加快能源结构优化步伐,推进电动卡车技术应用和推动公路电气化,以实现碳中和战略下我国交通运输行业碳减排目标。关键词:碳中和;交通运输业;碳排放;运输结构;边际效果中图分类号:F503 文献标识码:A 文章编号:1672-8106(2023)02-0107-10一、引言联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)发布的 全球升温1.5特别报告 将碳中和定义为人类活动造成的二氧化碳排放量与
3、二氧化碳吸收量在一定时期内达到平衡的状态1。根据绿色创新发展中心发布的 2020能源数据,2018年中国交通部门能耗约占全国终端能源消耗量 18%。2019年,我国交通运输行业碳排放约占全社会总碳排放 10%2。陈诗一等3(2021)测算,20202050年我国碳排放空间约为1 800亿吨,而我国交通运输行业碳排放空间上限约为240亿吨,未来我国交通部门能耗和碳排放仍将随着经济高速发展而快速增加。可见,作为二氧化碳排放端重点行业的运输行业减排压力将进一步加剧,如何在碳中和背景下实现运输行业碳减排是一个重要的研究课题。鉴于碳中和目标的紧迫性,我国制定了具体的碳中和时间表。国家主席习近平 2020
4、年在第七十五届联合国大会上提出了我国“3060”目标,即我国要在 2030 年实现碳达峰、2060 年实现碳中和。然而,国外发达国家承诺的碳中和时间均早于我国。日本在 2020年 12月颁布的 面向 2050碳中和绿色增长战略 中承诺本国碳中和的时间为 2050 年;美国在 2021 年 4 月颁布的 应对国内外气候危机的行政命令 中承诺本国碳中和的时间为 2050年;德国在 2019年 9月颁布的 气候保护计划 2030 中承诺本国碳中和的时间为 2050 年。因此,为实现碳中和总目标,本文从我国交通运输行业可持续发展角度,探寻适合我国交通运输行业的碳减排策略。二、文献综述国内外大部分学者对
5、于降低碳排放、实现碳中和的低碳运输措施的研究多从技术端减碳和结构端减碳这两个方面展开的。(一)交通结构端减碳“结构端减碳”指通过调整综合交通系统结构实现减碳。毛保华等4(2011)、魏庆琦等5(2013)、欧国立等6(2020)指出一体化提高公交出行效率,扩大公共交通占比,可以降低交通碳排放。还有部分学者对不同运输方式能耗展开比较,如铁路货运对公路货运的替代能耗节约效果大于对客运收稿日期:2021-09-02基金项目:国家自然科学基金创新团体项目“城市交通管理理论与方法”(71621001);国家自然科学基金项目“城市群地区公共交通运营补贴方法研究”(71971021)。作者简介:黄俊生,男,
6、北京交通大学中国综合交通研究中心博士研究生。研究方向:运输组织理论与方法。吴雪妍,女,北京交通大学中国综合交通研究中心硕士研究生。研究方向:运输组织理论与方法。通讯作者:毛保华,男,北京交通大学中国综合交通研究中心执行主任,教授,博士生导师,教育部战略研究基地北京交通大学行业特色研究型大学发展战略研究中心研究员。研究方向:交通政策、运输组织理论与方法等。E-mail:北京交通大学学报(社会科学版)2023 年的替代能耗节约效果4;民航飞机耗能量呈现快速增长的态势,而同期铁路机车的耗能量呈现降低趋势7。(二)技术端减碳“技术端减碳”包括能源利用率的提高8、新能源技术的开发9和“第四次工业革命”带
7、来的新技术普及10等。具体到运输工具的革新上,2020年 11月,国务院办公厅印发的 新能源汽车产业发展规划(20212035年)明确指出未来电动汽车保有量将进一步提升11;未来随着技术水平的提升和能源结构的完善,发展纯电动汽车将有助于节约能源消耗12,譬如,纯电货车比柴油货车更能够大量减少对化石燃料的使用,且在标准污染物的排放量上,纯电货车比柴油货车更有优势13。具体到能源结构优化和能源类型变革上,中国能源发展需选取化石能源清洁利用与清洁新能源利用并重的发展路径14;世界能源署(International Energy Agency,IEA)在 2019年世界能源展望中提到,能耗效率提高、可
8、再生能源利用、燃料替代均是降低排放的有效措施15。综上所述,大多数学者主要从交通运输行业视角分析碳减排,本文则从碳中和该经济社会系统性变革视角分析交通运输行业碳减排任务。首先,本文运用“自下而上”法和“自上而下”法分别测算2050年我国交通运输行业碳排放水平,并估算 20202050年我国交通运输行业累计碳排放量。其次,关注在新技术背景下交通运输行业的发展趋势和能源结构性变化对碳排放水平的影响程度,通过构建4种运输情景,分析比较碳排放水平差异及其产生的原因,以期为碳中和背景下我国交通运输行业碳减排提出有价值的政策建议。三、交通运输行业二氧化碳排放水平测算方法对交通运输行业碳排放的测算,首先,需
9、要界定运输行业碳排放的研究范围,本文只考虑在客货运输过程中由于使用能源直接产生的碳排放量和使用电力在发电端产生的碳排放量,而非全生命周期的碳排放量;其次,本文讨论的运输方式包含铁路、公路、航空和水运。1.方法一(“自下而上”法)。王勇等16(2021)指出,换算周转量与运营阶段的碳排放量呈正相关关系,因此,方法一选择单位周转量的碳排放量作为交通运输行业碳排放因子,进而构建“自下而上”碳排放测算方法。C=iCi,1+iCi,2(1)Ci,1=Zi,1 ni,1(2)Ci,2=Zi,2 ni,2(3)式(1)中C表示运用方法一测算得到的交通运输行业碳排放量,角标i表示不同运输方式,Ci,1表示第i
10、种运输方式客运的碳排放量,Ci,2表示第i种运输方式货运的碳排放量;式(2)中ni,1表示第i种运输方式单位旅客周转量的碳排放量,Zi,1表示第i种运输方式旅客周转量;式(3)中ni,2表示第i种运输方式单位货物周转量的碳排放量,Zi,2表示第i种运输方式货物周转量。图 1和图 2是交通运输部统计的不同年份我国不同运输方式的货物周转量和旅客周转量。图 1历年我国货物周转量108第 2 期黄俊生 等:碳中和战略下我国交通运输行业碳减排策略研究参照能源基金会公布的 2020 能源数据2,不同方式的旅客周转量可换算为货物周转量,即可将货物周转量和旅客周转量统一为换算周转量,具体换算关系见表 1。参照
11、欧洲环境署(European Environment Agency,EEA)发布的数据17,2000 年到 2018 年,我国交通运输业的碳排放量见表 2。根据表 1货物周转量与旅客周转量的换算关系,可计算得到换算吨公里,根据换算吨公里中货物周转量与旅客周转量的占比,结合表 2交通运输行业碳排放量,可分别得到货运和客运的碳排放量,进一步可求得不同运输方式下单位旅客周转量的碳排放量ni,1和单位货物周转量的碳排放量ni,2。2.方法二(“自上而下”法)。方法二参考 Li等18(2019)的“自上而下”法,即根据各种方式的能耗推算碳排放量。鉴于目标年2050年各种方式能耗未知,本文通过分析能耗与周
12、转量的相关性,结合目标年各种方式的周转量,预测未来不同方式的能耗量。C=iCi(4)Ci=Ci,1+Ci,2(5)Ci,1=j(Xi,j NCVi,j CCj Oj4412)(6)Ci,2=Ei te(7)te=MD 890+QD 390(8)式(4)中C表示运用方法二测算得到的交通运输行业的碳排放量,角标i表示不同运输方式,Ci表示第i种方式的碳排放量;式(5)中Ci,1表示第i种方式由于使用汽油、煤油和柴油等燃料直接碳排放量,Ci,2表示第i种通过电力驱动的方式在发电端供电产生的二氧化碳量;式(6)中角标j表示不同燃料,Xi,j表示第i种方式消耗j燃料量,NCVi,j表示第i种方式消耗j燃
13、料的低位发热量,CCj表示第j种燃料表 1货物周转量和旅客周转量换算关系方式旅客周转量换算货物周转量铁路人/公里1 t/公里公路人/公里0.1 t/公里水运人/公里1 t/公里国内民航人/公里0.072 t/公里国际民航人/公里0.075 t/公里表 22000年至 2018年中国交通运输业二氧化碳排放量(亿吨)年份2000200120022003碳排放量2.62.642.843.21年份2004200520062007碳排放量3.764.034.44.74年份2008200920102011碳排放量5.125.245.756.28年份2012201320142015碳排放量6.927.487
14、.778.34年份201620172018碳排放量8.518.899.25图 2历年我国旅客周转量109北京交通大学学报(社会科学版)2023 年的单位热值含碳量,Oj表示第j种燃料的碳氧化率,44/12 表示二氧化碳与碳的相对分子质量之比(约为 3.667);式(7)中Ei表示第i种方式耗电量,te表示供电二氧化碳强度;式(8)中MD表示发电端煤电占比,QD表示发电端气电占比。参照能源基金会公布的 2020能源数据2,可知不同年份我国不同运输方式能耗量,具体见表 3。方法 2中涉及的具体取值可参照生态环境部标准 企业温室气体排放核算方法与报告指南发电设施19,具体见表 4。其中,碳氧化率均取
15、 98%。结合不同年份我国的货物周转量和旅客周转量数据,拟合得到换算周转量与能耗的线性关系式,具体见表 5。计算发现,换算周转量与能耗呈正相关性,即可根据未来我国货物周转量和旅客周转量推测我国交通运输行业的能耗量,进一步运用方法 2估算未来我国交通运输行业的碳排放量。四、测算情景及结果分析预测数据预测数据 1:2050年我国货物周转量和旅客周转量BU 等20(2021)利用人口和 GDP 预测 2050 年我国旅客周转量将达 61 760 亿人公里,还有利用GDP和货物运输强度预测 2050年我国货物周转量将达 500 000亿吨公里21。预测数据预测数据 2:2050年我国电动车市场占有率2
16、020年 10月,中国汽车工程学会发布了 节能与新能源汽车技术线路图 2.022,计划至 2035年,市场将只剩混合动力与新能源汽车两种车型,且各占 50%市场份额。本文 2050年基准情景的电动车市场占有率参考 2035年值,且只考虑客运电动车场景 23,每人公里耗电取值约为 0.014 kWh。预测数据预测数据 3:2050年我国用于发电的能源结构EIA(Energy Information Administration)于 2019年发布的 展望 2050国际能源24预测中国未来发电端的能源结构(见表 6),未来中国的煤电占比将不断下降,气电(天然气发电)占比将不断上升。表 3不同运输方
17、式能耗量方式公路铁路水路民航类型汽油/Mt柴油/Mt柴油/Mt电力/亿 kWh燃料油和柴油/Mt煤油/Mt200546.0854.65.61198.114.839.52201067.577.96.7230722.4516.012014101.71086.5847827.4923.42015112105.36.25507.726.1925.6201611890.27.03571.227.530.32017120.4108.68.2859527.833.452018122.9107.68.1660327.337.412019128.6111.78.2260728.736.84表 4参数取值名称单位
18、汽油柴油燃料油和柴油煤油低位发热量GJ/t43.07042.65241.81643.070单位热值含碳量tC/GJ0.01890.02020.02110.0196表 5周转量与能耗量的相关性及线性表达式方式公路铁路水路民航类型汽油/Mt柴油/Mt柴油/Mt电力/亿 kWh燃料油和柴油/Mt煤油/Mt周转量 y(换算吨公里)与能耗量 x的线性表达式y=0.0019x-10.424y=0.001x+35.357y=0.0002x-0.4817y=0.0086x+231.56y=0.0002x+10.714y=0.0352x-0.6267相关性86.4%71.1%77.8%70.0%96.1%96.
19、1%110第 2 期黄俊生 等:碳中和战略下我国交通运输行业碳减排策略研究(一)情景 1(基准情景)参考陆潘涛25(2021)对基准情景的定义,本文的基准情景指在没有额外碳中和政策干扰下交通运输行业碳排放的情景。2050年基准情景下的运输结构参考 2017年至 2019年我国旅客周转量和货物周转量运输结构,具体见表 7。2050 年基准情境下的电动车客运市场占有率取 50%;发电能源结构中,煤电占比取 30%,气电占比取 7%,运用方法 1和 2可分别计算得到基准情景下我国交通运输行业的碳排放量,具体见表 8。由表 8可知,基准情景下,2050年我国交通运输行业碳排放量将达 21亿吨左右。方法
20、 1和 2测算得到的 2050年交通运输业碳排放水平与陆潘涛25(2021)基本一致,可进一步估算基准情景下,2020年2050年我国交通运输行业累计碳排放约为 465亿吨,与陈诗一3(2021)基准情景估算的 455亿吨基本一致。鉴于 2020年2050年基准情景下我国交通运输行业累计碳排放远高于碳中和背景下的 240亿吨,以下从运输结构优化、电动卡车市场占有率提高、发电端能源结构优化等角度分别构造情景,分析我国交通运输行业碳排放变化量。(二)情景 2情景 2指在未来我国运输结构优化的条件下,我国交通运输行业碳减排变化量。由图 3 可知,在货物周转量方面,公路向铁路每转移 1%,碳排放量可减
21、少约 0.4 亿吨;在旅客周转量方面,航空向铁路每转移 1%,碳排放量可减少约 0.04亿吨,该结果显示在降低碳排放方面,相较于航空客运向铁路客运转移单位变化量,公路货运向铁路货运转移单位变化量对碳减排的贡献度更明显,可见公转铁边际减排效果更好。2050 年,公路货运若向铁路货运转移 10%,航空客运若向铁路客运转移 10%,我国交通运输行业将排放约 16.6亿吨二氧化碳,可进一步估算 2020年-2050年我国交通运输行业累计碳排放约为 399亿吨,相较于基准情景,情景 2下运输结构优化可累计为我国交通运输行业减碳约 66亿吨。(三)情景 3情景 3指未来在我国电动卡车市场占有率提高的条件下
22、,我国交通运输行业碳减排变化量。本文的电动卡车数据参考比亚迪 Q1电动卡车26:比亚迪 Q1牵引总质量为 31.5吨,总质量为 18吨,荷载货物为 13.5吨,满载百公里耗电为 167 kWh,每吨公里耗电为 0.12 kWh。表 72050年基准情景下运输结构货物周转量占比旅客周转量占比铁路14.0%铁路41.6%公路35.0%公路25.0%航空0.1%航空33.0%水运50.9%水运0.4%表 82050年基准情境下我国交通运输行业二氧化碳排放测算方法方法 1方法 2文献25基准情景2050年碳排放量(亿吨)21.6921.0020.50表 6中国用于发电的能源结构占比预测年份201020
23、20203020402050煤炭76.38%59.99%44.12%34.47%29.12%天然气1.84%2.63%4.87%7.28%7.41%核能1.78%4.54%6.00%7.53%8.68%水力发电17.66%18.61%16.71%13.97%12.07%风能1.12%7.15%12.10%16.89%17.59%太阳能0.02%6.91%16.10%19.74%24.73%其他1.20%0.17%0.10%0.12%0.40%111北京交通大学学报(社会科学版)2023 年由图 4 可知,根据方法 1 和 2 测算,燃油货车在货车市场中每降低 10%,即电动卡车在货车市场中每提
24、高 10%,交通运输业碳排放量将降低约 1.1亿吨。究其原因在于电动卡车依靠电力驱动,煤电在发电端占比成为电卡车减排效益的重要影响因素。随着 2050年煤电占比相较于 2020年有了较大幅度的减小,中国电力系统低碳化的进程不断推进,电动卡车的减排效益将进一步提高。可见,与燃油车相比,无论是货运还是客运,电动汽车都将在未来推动碳减排进程上发挥更为重要的作用。从边际减排效果来看,情景 2 公路向铁路每转移 1%货物周转量,碳排放量可减少约 0.4 亿吨;情景 3 燃油货车在货车市场中每降低 10%,碳排放量可减少约 1.1 亿吨,等同于燃油货车在货车市场中每降低 1%,碳排放量可减少约 0.11
25、亿吨。对比发现,情景 2 的公转铁边际减排效果大于情景 3 的降低燃油货车市场占有率边际减排效果,究其原因在于铁路运输相较于公路运输在环保方面更占优势。2050年,电动卡车占货车比例若达到 90%,我国交通运输行业将排放约 12.4亿吨二氧化碳,可进一步估算 2020 年2050年我国交通运输行业累计碳排放约为 336亿吨,相较于基准情景,情景 3下电动卡车市场占有率提高可累计为我国交通运输行业减碳约 129亿吨。(四)情景 4情景 4指在未来我国发电端能源结构优化条件下,我国交通运输行业碳减排变化量。图 3运输结构变化对交通运输业碳排放量的影响图 4燃油货车占比对交通运输业碳排放量的影响11
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