基于生命周期评价的高速铁路减排效果

宋晓东，付延冰，刘恒斌，张清雅

(1. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410075；2. 中国铁路总公司 运输局，北京，100844)

2007 年，政府间气候变化专门委员会(IPCC)在其第四次报告中明确指出人类活动排放的大量温室气体是引发气候变暖的主要原因[1]。作为基础社会经济活动之一的交通运输消耗了全球约1/3 的能源[2]，产生了大量的温室气体。在高能耗、高排放的交通运输领域，近年来迅速发展的高速铁路以其节能减排、运能巨大等一系列技术优势逐渐受到重视。那么高速铁路减排的比较优势具体表现在哪些方面，其建设和使用过程中的温室气体排放如何计量成为一个值得研究的问题。近几年，国内外部分学者对上述问题进行了研究，取得了一些进展。王天宁等[3]从动车组技术速度、机型差异和其他影响因素3 个方面分析了影响高速铁路动车组能耗的主要因素。周新军[4]从能耗、能效和碳排放3 个角度将高速铁路行车和普通铁路行车进行了比较，认为虽然高速铁路列车的能耗高于普通铁路列车，但前者的能效却也远高于后者，而且环保效应总体上也好于普通铁路列车。王惠臣[5]分别从用地和能耗2 个方面将高速铁路与其他运输方式进行了对比分析，认为高速铁路的技术经济优势更为显著。Chang等[6]评估了从洛杉矶到阿纳海姆高速铁路基础设施建设过程中温室气体的排放情况。上述文献对高速铁路碳排放的影响因素进行了分析，但没有从整个生命周期角度对高速铁路温室气体排放量进行核算。本文作者根据生命周期评价理论定量分析高速铁路和公路温室气体的排放情况，并对二者的排放量进行对比，从而更加全面客观的展示高速铁路的减排优势。由于对全球升温的贡献最大，CO2被广泛认为是产生温室效应进而导致全球变暖的主要气体。以下以CO2为例，运用生命周期评价理论对高速铁路的温室气体排放情况进行计量。

1 生命周期评价的定义和步骤

关于生命周期评价，国际标准化组织的定义是：汇总和评估一个产品(或服务)体系在其整个生命周期内所有投入及产出对环境造成潜在影响的方法[7]。联合国环境规划署的定义是：评价一个产品系统生命周期的整个阶段，即从原材料的提取和加工，到产品生产、包装、市场营销、使用再使用和产品维护，直至再循环和最终废物处置的环境影响的工具[8]。上述定义具体内容不同，但总体核心一致：生命周期评价是一种用于评价产品、工艺过程或活动对环境影响的方法，其评价时长涉及产品生命周期全过程。

通常的生命周期评价包括确定评价对象和范围、清单分析和影响评价3 个步骤[9]：

1) 确定评价对象和范围。确定评价对象和范围是对一个产品系统生命周期的输入、输出及其潜在环境影响的汇编和评价，用于表征系统和过程对环境的影响及其程度。

2) 清单分析。清单分析是对一个产品系统生命周期物质和能量流的抽象和一般化过程，是对其整个生命周期的资源、能源输入和环境排放(包括废气、废水、固体废物等)进行的数据量化分析，其实质是数据的收集、整理与分析。

3) 影响评价。影响评价是为了说明各产品、工艺过程或活动的各组成部分对环境潜在影响的大小，而按照一定方法对这些因素进行评估的过程。

2 高速铁路生命周期碳排放评价模型

2.1 确定评价的对象和范围

高速铁路生命周期碳排放是指当把高速铁路的生命周期看成一个系统时，该系统由于消耗能源和资源而向外界环境排放的CO2总当量。高速铁路生命周期碳排放评价系统边界内部是由形成高速铁路实体和功能的一系列中间产品和单元过程流组成的集合，包括高速铁路基础设施建设所需材料的生产、运输和高速铁路的施工、使用与维护、拆除等，如图1 所示。

图1 高速铁路碳排系统边界[10]Fig.1 Carbon emission system boundary of high-speed railway[10]

2.2 清单分析

高速铁路生命周期碳排放评价清单分析的内容如图2 所示。

在进行高速铁路生命周期碳排放清单分析时，应考虑由于具有节能、节地和货运增量替代效应等优势，使得在与公路运输进行比较时高速铁路对环境具有正效益，能够抵减高速铁路基础设施建造所引发的大量碳排放。高速铁路和公路在生命周期各阶段碳排放量可计算如下：

2.2.1 建造阶段碳排放

图2 高速铁路碳排放清单分析[10]Fig.2 Carbon emission inventory analysis of high-speed railway[10]

1) 建设材料生产过程中的碳排放量。交通运输基础设施建造过程中消耗了大量的建设材料。高速铁路基础设施建造阶段对建设材料的消耗量更为巨大，且以水泥和钢材为主。而水泥和钢材的生产消耗了大量能源，产生了大量CO2，同时在其生产过程中矿物原料的分解也产生了大量的CO2[10-11]。由此可计算生产高速铁路和公路基础设施建设所需材料时排放的CO2质量pfsc(kg)和gfsc(kg)以及将其平均到基础设施设计使用年限后使得高速铁路每年比公路多排放的CO2质量zpsc(kg)：

其中：ntyl为高速铁路基础设施建设过程中使用的主要材料数量，种；tyli为高速铁路基础设施建设过程中使用的第i 种主要材料的用量，t；tdyli为生产单位数量第i 种高速铁路基础设施所用主要材料的碳排放量，kg/t；tyn为高速铁路设计使用年限，a；ngyl为公路基础设施建设过程中使用的主要材料数量，种；gyli为公路基础设施建设过程中使用的第i 种主要材料的用量，t；gdyli为生产单位数量第i 种公路基础设施所用主要材料的碳排放量，kg/t；gyn为公路设计使用年限，a。

2) 建设材料运输过程中的碳排放量。在交通运输基础设施建造过程中建设材料和施工机械设备需运输至施工地点，在运输这些材料和机械设备过程中因消耗能源而排放的CO2质量pfys(kg)和gfys(kg)以及将其平均到基础设施设计使用年限后使得高速铁路每年比公路多排放的CO2数量zpys(kg)可分别计算如下：

其中：tyji为高速铁路基础设施建设过程中使用的第i种主要材料的平均运输距离，km；tdyji为高速铁路基础设施建设过程中运送单位距离单位质量第i 种主要材料的碳排放量，kg/t；gyji为公路基础设施建设过程中使用的第i 种主要材料的平均运输距离，km；gdyji为公路基础设施建设过程中运送单位距离单位质量第i 种主要材料的碳排放量，kg/t。

3) 基础设施建设过程中的碳排放量。在交通运输基础设施建造过程中使用了许多大型施工设备。由于我国高速铁路采用了大量的桥隧结构，在其建造过程中使用了更多需消耗能源的施工设备，产生了大量的CO2。在高速铁路和公路基础设施建设过程中由于施工机械消耗能源而排放的CO2质量pfsg(kg)和gfsg(kg)以及将其平均到基础设施设计使用年限后使得高速铁路每年比公路多排放的CO2质量zpsg(kg)可分别计算如下：

其中：ntsg为高速铁路基础设施建设过程中使用的需消耗能源的施工设备数量，种；tsgi为高速铁路基础设施建设过程中使用的第i 种施工设备消耗能源而产生的碳排放量，t；ngsg为公路基础设施建设过程中使用的需消耗能源的施工设备数量，种；gsgi为公路基础设施建设过程中使用的第i 种施工设备消耗能源而产生的碳排放量，t。

2.2.2 使用阶段碳排放

1) 能源消耗引发的碳排放量。交通运输业在运营过程中消耗了大量能源。因为采用电力机车牵引，高速铁路列车能够使用可更新的能源，例如风电、水电等。同时，高速铁路列车采用了多种节能设计，例如，采用再生制动，将列车制动能量反馈回系统，大大降低列车实际能耗。又例如，采用轻量化技术，使用流线型、中空结构的超薄铝合金车体，使得高速列车动车组质量比一般客车轻30%以上，节能效果十分明显，CRH3 型“和谐号”动车组人均耗电仅15 kW/h[11]。从能源运用的角度看，高速铁路和公路每年在运营过程中排放的CO2质量pfjn(kg)和gfjn(kg)以及高速铁路每年比公路少排放的CO2质量jpjn(kg)可分别计算如下：

其中：kz为高速铁路年平均客运周转量，人·km；tdy为高速铁路列车定员，人/列；tszl为高速铁路列车平均上座率，%；tgl为高速铁路列车功率，kW；tss为高速铁路列车时速，km/h；dpt为全国电力平均碳排放量，kg/(kW·h)；gkcbl为经由公路出行的乘客中选择乘坐营运性客车的人数占全部人数的比率；gkcyl为营运性客车平均运送乘客人数，人/车；gkcyh为营运性客车平均油耗，L/km；gjcyl为小轿车平均运送乘客人数，人/车；gjcyh为小轿车平均油耗，L/km；gpt为汽车每升油耗平均碳排放量，kg/L。

2) 土地占用引发的碳排放量。生态学认为运输行业应尽量少占用土地，运输相同数量旅客时，高速铁路基础设施占地面积较公路少[13]。同时，为了追求线路高平顺性，减少对沿线城镇的切割，我国高速铁路采用大量的桥隧结构替代路基结构(即“以桥代路”)，节省了大量土地。节约的土地可用于植树种草，增加绿地面积，而植物通过光合作用吸收CO2并释放氧气，以生物量的形式固定了CO2。因此可计算由于基础设施占用土地减少绿地面积而引发的高速铁路和公路相对碳排放量pfjd(kg)和gfjd(kg)以及高速铁路以减少土地占用形式每年比公路减少的大气中CO2质量jpjd(kg)：

其中：tlk为铁路路基平均宽度，km；kb为相同里程公路基础设施占地面积与高速铁路铁路基础设施占地面积的比值，%；qsb为高速铁路桥遂比，%；qjd为每公里桥遂结构比路基结构节省的土地面积，km2；l 为高速铁路线路长度，km；sxt为单位面积树木每年吸收的CO2质量，kg/km2；sb为高速铁路基础设施节省的土地用于种植树木的比例，%；cxt为单位面积草地每年吸收的CO2质量，kg/km2。

3) 货运增量替代效应引发的碳减排量。我国高速铁路近期规划主要用于运送旅客，这有助于实现繁忙干线的客货分流，极大的释放既有线能力，缓解铁路货运能力不足的局面。由于铁路的货运能力和节能效果均优于公路，所以通过铁路运送货物能够比通过公路减少碳排放。从这一角度来讲高速铁路的投入运营也减少了CO2的排放，这就是高速铁路的货运增量替代效应。由此可计算由于具有货运增量替代效应，高速铁路的运营所减少的CO2排放量jphz(kg)：

其中：hz为高速铁路投入运营所释放的货运能力，t；ghzz为公路货车平均载质量，t/车；ghyh为公路货车平均油耗，L/km；tzz为铁路货车平均载质量，t/列；thgl为铁路货车平均功率，kW；thss为铁路货车平均时速，km/h。

2.2.3 回收阶段碳排放

在高速铁路的回收处置阶段，使用施工设备消耗能源会产生一定数量的CO2，但部分材料的回收利用则减少了因材料生产而引发的CO2排放，在清单分析中应减少这部分碳排放。由此可计算在回收处置阶段高速铁路和公路所产生的CO2数量pfcc(kg)和gfcc(kg)以及将其平均到基础设施设计使用年限后使得高速铁路每年比公路多排放的CO2数量zpcc(kg)：

其中：ntcgj为高速铁路基础设施回收处置阶段使用的需要消耗能源的施工机械的种类，种；tcgji为高速铁路基础设施回收处置阶段使用的第i 种施工机械因消耗能源而产生的CO2排放量，kg；ntchs为高速铁路基础设施回收处置阶段可回收材料的种类，种；tchsi为高速铁路基础设施回收处置阶段由于材料回收利用而减少的CO2排放量，kg；ngcgj为公路基础设施回收处置阶段使用的需要消耗能源的施工机械的种类，种；gcgji为公路基础设施回收处置阶段使用的第i 种施工机械因消耗能源而产生的CO2排放量，kg；ngchs为公路基础设施回收处置阶段可回收材料的种类，种；gchsi为公路基础设施回收处置阶段由于材料回收利用而减少的CO2排放量，kg。

2.3 排放影响评价

综上所述，高速铁路建造阶段的总碳排放量pfwz(kg)、使用阶段的年平均碳排放量pfsp(kg)和生命周期内年均碳排放量pfzp(kg)分别为：

而公路建造阶段的总碳排放量gfwz(kg)、使用阶段的年平均碳排放量gfsp(kg)和生命周期内年均碳排放量gfzp(kg)分别为：

由于各种运输方式的技术特点不同，在建造和回收阶段使用的施工材料和机械设备的种类和数量相差很大，在运营阶段消耗的能源也有所不同，并且不同运输方式基础设施设计使用年限差别较大，而评价时长对评价结论影响又很大，因此，为消除相关影响，使评价结果具有一致性和可比性，本文选取年均碳排放量作为比较高速铁路和公路2 种运输方式碳减排效果的核算基础。

将建造阶段碳排放量平均到基础设施设计使用年限后使得高速铁路每年比公路增加的碳排放量zpwp(kg)、使用阶段高速铁路每年比公路减少的碳排放量jpsp(kg)和生命周期内高速铁路每年比公路减少的碳排放量jpzp(kg)分别为：

根据技术经济学理论中对使用年限不同产品进行技术经济比较的方法，可计算与公路比较时，高速铁路的CO2相对回收期hsq(a)为：

根据上述公式可细致分析高速铁路生命周期内各清单项目的碳排放情况，找出碳排放重点阶段，进而有针对性采取措施减少高速铁路CO2的排放。

3 算例分析

为了使计算过程更具直观性，本文以一条长度1 300 km 的线路为例进行高速铁路CO2排放的计算。假设该线路的桥隧比为80%，年平均客运周转量为171.68 亿人·km，释放既有线货运能力916 万t，列车平均定员732 人，平均上座率80%。经由公路出行的乘客中选择乘坐营运性客车的人数占全部人数的70%，其余乘客选择小轿车出行。营运性客车平均运送乘客人数为31 人/车，小轿车为3 人/车。营运性客车百公里平均油耗30 L，小轿车百公里平均油耗10 L。时速350 km 的“和谐号”动车组功率平均8 800 kW。单机电力牵引5 000 t、平均运行速度80 km/h 的和谐机车功率7 200 kW。一般情况下，载质量15 t 的汽车百公里耗油18～25 L，平均每升柴油排放2.71 kg CO2。据中国电力企业联合会的数据，全国平均电力碳排放强度0.76 kg/(kW·h)[14]。

据测算，运送相同数量旅客时，高速铁路所需基础设施占地面积是公路的1/4[9]，包括排水沟在内的铁路宽度一般是40 m，桥隧结构比路基结构每公里节省0.029 3 km2土地[14]。假设高速铁路基础设施建设所节省的土地一半用于植树，一半用于种草。有关文献表明，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]。

高速铁路的主要建设材料选为水泥和钢材，一方面是因为这2 种建设材料的用量所占比例非常大；另一方面是因为有关这2 种材料的环境影响研究相对充分，数据较为可靠。按我国现有平均技术水平，每生产1 t 钢材和水泥分别排放2.786 t[13]和0.8 t[14]CO2。整条高速铁路水泥用量约为1 200 万t，钢材用量约为1 320 万t，1 km 高速公路水泥用量为5 000 t，设计使用年限为25 a[15-16]。据统计，生产基础设施施工用建设材料时的碳排放量占建造阶段总碳排放量的80%[6]。目前我国无砟轨道设计使用年限长达100 a[14]，而随着科技的不断创新，在高速铁路进入回收阶段时的施工技术和废料回收技术将有实质性的飞跃，所以本文暂不考虑100 a 后高速铁路回收阶段的碳排放情况。

将相关数据代入上述公式可得表1 和表2。

表1 计算数据汇总1Table 1 Data summary 1

表2 计算数据汇总2Table 2 Data summary 2

根据上述计算数据可知，虽然在基础设施建造阶段高速铁路的碳排放量较大，但由于其使用年限较长，将其平均到设计使用年限后，高速铁路年碳均排放量并不大。同时由于动车组运量大、能耗相对小，基础设施占地面积相对少，且具有货运增量替代效应，高速铁路在使用阶段减少了大量的碳排放。

4 减排措施

1) 尽可能使用生产过程中碳排放少的建设材料。由于生产技术存在差异，不同建设材料生产过程中矿物原料分解产生的CO2质量不同，消耗能源的数量也有所不同。因此在购买建设材料过程中，应在保证施工质量和降低成本的同时，尽可能选择碳排放量少的材料。

2) 减少建造过程中材料损耗。提高施工过程的监管，建立施工操作标准，加强施工人员操作培训等均可降低施工阶段的材料损耗。

3) 提高施工机械的使用效率。高速铁路基础设施建造过程中使用了大量的机械设备，这些设备的能耗均较大。因此在施工过程中应加强对机械设备的管理，提高其使用效率，进而降低能耗。

减少高速铁路使用阶段碳排放的途径主要有：

1) 设立合理速度目标值。动车组高速运行时所做的功主要用于克服空气阻力，且运行速度越高，空气阻力增加越快，因此随着运行速度的提高，列车用于克服阻力的能耗不断增加。但如果列车运行速度较高，则旅行时间较短，不但可以加快旅客的送达，提高旅客满意度，而且用于空调和照明等舒适用途的能耗也会降低。因此应综合考虑多方面因素，选择合理的速度目标值。

2) 设立合理停站次数。动车组加、减速过程中的能耗较大，如果列车停站次数较多，则会出现动车组频繁加、减速而无法较长时间保持匀速运行使得能耗上升的状况；但如果停站数量过少，则不便于旅客出行，降低高速铁路列车的上座率。因此应加强运输组织管理，合理规划牵引区段，设立合理的停站数量。

3) 提高驾驶员操作水平。制定优化操纵示意图，对驾驶员进行操纵节能知识培训及现场指导，提高驾驶员的整体操纵水平，减少电能的浪费。

4) 加强列车空调和照明等设备的节能管理。在日间运行途中，机械师要根据相关情况控制列车照明灯使用。动车组空调正常使用时须采取自动控温，温度值应设置在规定的范围内。列车员应根据客流情况，及时调整或关闭旅客车厢或包房内的影视系统。

5) 优化车辆车型设计。动车组高速运行时的阻力主要是空气阻力，因此优化车型设计、采用新型复合材料能够有效减少空气阻力。采用轻型结构减轻车体重量，可以有效减少列车的机械阻力。利用再生制动系统则可节约能源消耗。

5 结论

1) 生命周期碳排放的计算是一项非常复杂的工作，涉及大量的项目和数据。选取高速铁路建设和运营期间最典型的碳排放情况进行初步核算，算例表明虽然在建设期间的碳排放较大，但由于交通基础设施建设过程中的碳排放一般为一次性的，可以分摊到其生命周期，并且由于在运营期间减少大量的碳排放，所以高速铁路在减排方面具有较大的优势。

2) 由于高速铁路在建造过程中使用的材料和设备种类繁多，建成后近100 a 的使用维护以及回收处置的复杂性，都给高速铁路生命周期碳排放的定量化研究工作带来一定难度。因此，应进一步完善我国相关数据收集、整理、计算方法，以实现高速铁路生命周期碳排放的透明化核算。

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