交通运输减排技术研究及展望

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

交通运输方式的规模效应、结构效应和技术效应是影响碳排放量的主要因素。规模效应是指随着交通工具保有量、出行频率、平均行驶距离等数量增加而导致的碳排放量增长。结构效应是指交通工具消耗的能源结构和基础设施结构，交通工具消耗的能源结构指汽油型、柴油型、电力型、混合动力型等交通工具在某种交通方式中所占的比例，新型环保交通工具比例越高，其碳排放越低；基础设施结构指不同分类下交通基础设施的比例，如道路交通中不同等级公路的比例、公共交通基础设施、私人交通基础设施的结构比例等。技术效应可细分为提升和衰退两个过程：提升过程指通过燃料经济性标准等环境管制手段，提高新型交通工具的排放效率；衰退过程指己引入市场的交通工具，其碳排放效率会随着使用年限的增长而递减。

本文针对碳排放量的效应，对道路运输、铁路运输、水路运输和航空运输四种交通出行方式的减排技术进行了研究。

1 道路运输减排技术

道路运输温室气体排放量取决于车辆技术、燃料质量、运行效率和交通出行结构，可通过下列四个方面的措施减少温室气体排放量。

1）推动技术进步，改善车辆性能，研发新型能源汽车

（1）研发和引进先进的汽车制造技术，提高燃油经济性，降低排放水平

随着环保意识的加强，我国机动车行业排放标准越来越高，车辆制造商也加强了对排放技术的研究、应用和推广[1-2]。目前，通过改善发动机、传动系统、整车匹配等技术提高发动机运行效率，减少废弃物排放。研究表明，涡轮增压、缸内直喷、可变气门等技术都可不同程度地提高燃油经济性[3]。如，涡轮增压可通过空气压缩机压缩空气增加进气量，提高缸内空气密度，使燃料充分燃烧，进而获得较大功率。研究表明，相同功率的发动机，采用涡轮增压的，其CO2排放量比自然吸气发动机少10%～20%。因此，汽车制造技术的改进、新技术的研发和应用，对降低机动车尾气排放有巨大的影响。

（2）积极研发新型能源汽车

积极研发如BEV纯电动汽车、油气油电混合动力汽车、液化石油气汽车、氢能源动力汽车、液化天然气燃气汽车、FCV燃料电池电动汽车、高效储能太阳能汽车及其他新能源汽车[4-9]。当前，全球道路交通能源正处于转型期，车用燃料逐渐由石油转向电能、氢能和生物等新能源燃料，各国都在维持新能源汽车战略，维持消费补贴，加大对汽车CO2排放控制的力度。美国等国家规定，每个汽车制造商每年至少出售一定零排放的车辆，否则要缴纳碳税。TESLA等企业开始实现盈利，我国以纯电动汽车和插电式混合动力汽车为代表的新能源汽车已处于产业化阶段，氢燃料电池汽车的核心技术也取得了突破，新能源汽车的发展得到了政府大力支持，财政部、科技部等四部委联合为节能与新能源汽车示范推广试点城市授牌，鼓励企业生产、研发节能的新能源汽车[10]。

2）提高燃油经济性，开发代用燃料，严控排放标准

提高燃油经济性是公认的控制车辆碳排放有效手段之一。自2005年起，我国开始执行《国家乘用车燃料消耗量限值》（GB19578-2004）国家标准，对车辆燃油经济性提出了要求。此外，开发代用燃料也是各国减少交通领域CO2排放的一项战略选择，研究表明，化石燃料燃烧时会产生大量的CO2温室气体，若使用新型燃料，将大幅降低碳排放量。目前较常用的替代燃料有压缩天然气、液化石油气、乙醇汽油、甲醇汽油等，不同的替代燃料，其使用性能和减排效果差距较大。

3）改善交通环境，提高车辆运行效率

研究表明，机动车处于怠速、加速、匀速、减速工况下和使用不同燃料时，排放的污染物也不相同。

怠速状况下，车辆排放的主要污染物是CO和HC，且使用汽油作为燃料的车辆，排放的CO和HC量明显高于使用液化石油气和柴油的车辆；加速状况下，排放的主要污染物是NOx；减速状况下，排放的主要污染物是HC，且减速状况引起的CO和HC排放量高于加速状况，但减速引起的NOx排放量低于高速状况；匀速状况下，排放的主要污染物是NOx，且液化石油气在该阶段排放的NOx最高。总之，不同的运行工况对交通排放的影响不同，匀速行驶排放的污染物最低，频繁加减速和怠速则会增大污染物排放量。目前，我国很多城市都存在交通拥堵问题，车辆经常处于怠速、加速或减速工况，造成较大的污染物排放量。

因此，改善交通环境、提高道路运行效率不仅能减少交通拥堵、降低交通事故，还能降低污染物排放。根据美国运输部发布的ITS项目效益评估报告，智能交通运输系统在降低能源消耗、减少环境污染、缓解交通拥堵等已有成效，为城市交通带来了新契机。

此外，改善交通基础设施也有利于改善出行环境，达到节能减排效果，如，提高公路技术等级、提高路网通达性、优化交通流时空分布、完善加油（气）站、加强交通信息平台建设等有助于缓解交通拥堵，减少车辆怠速和频繁加减速带来的能耗增加。

4)实施需求管理，改善交通出行结构

随着经济的发展，机动车普及程度不断提高，小型汽车出行比例在城市交通中占比也不断提高，使城市道路常处于超负荷状态，通勤时段交通拥堵已成为常态，交通带来的大气污染日益严峻，故有必要通过交通需求管理改善城市出行结构，降低污染物排放。

目前主要有两种方式实现对交通结构的调整：一是提高公共交通服务质量，推进城乡交通一体化进程，进而提高大众公共交通出行比率；二是通过增加私家车出行成本来改善路况，如，收取停车费、燃油附加费、拥堵费等。通过上述措施提升车辆运行速度和能源利用率，改善区域内的环境。

2 铁路运输减排技术

目前，我国铁路运输的污染物主要来自内燃机车牵引排放，减少内燃牵引废气排放量的方法有多种且各有特点。研究认为，对已有机车进行性能升级在技术上非常复杂，受到机车安装空间等限制。

减少内燃机排放可通过利用制动能量、辅助耗电器控制装置、及采用轻型结构等达到，技术措施分为机内措施和机外措施。

1）机内措施

柴油机内部状态的变化直接影响燃料的燃烧，进而影响污染物排放。通过优化燃烧过程、优化喷射装置并增压、采用废气再循环、柴油一水一喷射装置或米勒循环等措施可降低污染排放，改善柴油机燃烧过程既能改善燃油消耗，又能降低颗粒物或NOx的排放。研究表明，利用喷射技术、废气再循环和米勒循环的组合，可显著改善内燃机车的排放。

2）机外措施

柴油机机外措施包括后置滤清器或氧化催化器来清除或置换有害排放物，废气后处理措施可按作用原理、复杂性、尺寸和排气有害物成分的降低来分。目前，排气后处理系统已在内燃机车得到广泛应用，显著减少了排放物中含硫量，使含硫量从0.05%降到0.01%，同时也提高了燃油十六烷值，减少了芳烃含量，使燃油氧化增加含氧量。

运行方面，通过运行图的编制、列车操控方式和线路利用率等，降低机车能耗和排放。铁路企业中，能耗的降低导致排放的减少是一种最有效的减排方式，可在短期内达到相应的效果。此外，铁路电气化和高速铁路优化了交通运输结构，对节能减排产生了重大影响。

3 水路运输减排技术

水路运输减排主要集中在CO2和NOx的降低。

1）航运CO2减排技术

自2000年以来，联合国国际海事组织就如何进一步限制海运行业CO2废气排放的法律法规进行了讨论，针对新船只，要求在设计建造时严格限制CO2排放量。2009年MEPC（Marine Environment Protection Committee）第59次会议完善了船舶CO2排放的控制措施，提出了新建船舶能效设计指数EEDI（energy efficient design index）[12]和从燃油有效性出发的能效操作指示方案等。

减少新建船舶CO2排放量的技术包括采用新型材料降低船舶自重、利用船舶废热回收系统、降低船舶柴油机燃油消耗率、采用电力推进、使用燃料电池、太阳能、风能等新能源等[13-15]。

对现有营运船舶，减少CO2排放量的措施包括降低船舶航行速度、安装燃油均质器，减少油渣分离，降低燃油颗粒大小等以提高燃烧效果和热效率、改善主机工况，降低燃油消耗、限制船舶使用年限，对超过船龄限值的旧船进行改造、推广船舶废气处理装置的使用，如安装漂洗器滤除污染物等。

2）航运NOx减排技术

NOx是空气在高温条件下吸入气缸燃烧时，燃油喷雾与空气混合在蒸发燃烧过程中生成的污染物。减少NOx排放的技术包括改善柴油机设计、优化燃烧过程、采用机内净化方法等，从排放物生成机理出发严格控制生成污染物的反应，具体措施有改善燃油与进气、延迟喷油正时、优化喷油嘴、使用共轨式电喷技术等[16]。

但由于柴油机本身设计已相对成熟，通过机内净化方法进一步减少污染物排放量较困难，为此，创新了柴油机尾气后处理技术。技术包括多种还原方法，其中，最主要的是选择性催化还原法、废气再循环（EGR）还原法及颗粒过滤器（DPF-Diesel Particulate Filter）还原法。目前，降低NOx和PM方法已比较成熟且已商业化，如，可先优化燃烧使PM排放达标，然后使用SCR来降低因燃烧而升高的NOx，或结合其他技术使PM和NOx排放同时达标。SCR技术多在欧洲使用，欧洲重型汽车协会宣布将采用氨还原SCR技术，氨还原剂的价格约为柴油的一半。美国使用EGR+DPF方法，即通过EGR降低排放中NOx含量，再使用DPF收集因使用EGR而增加的颗粒物，或以EGR为基础，结合其他技术使NOx和PM同时达到排放标准。

其他控制船用柴油机NOx排放的常见技术还包括采用湿空气动力系统、使用乳化油、缸内直接喷水等。

4 航空运输减排技术

近年来，世界航空业以5%的年增长率迅速发展，但同时也制造了2%～3%的CO2排放量，对全球气候变化产生了影响。

为遏制航空业CO2排放量的持续增长，国际航空运输协会（IATA）为航空业减排设立了目标，积极推动与国际民航组织的合作，推出了航空业碳减排方案。2009年，首批全球产业减排目标产生，航空业承诺到2050年排放量将降至2005年的50%。

我国航空减排方面无强制性量化指标，实践中主要是按照《中国应对气候变化国家方案》中“采用节油机型，提高载运率、客座率和运输周转能力，提高燃油效率，降低油耗”的规定进行运作，目前主流的减排手段有技术手段和运营手段。

1）技术手段

采用新型飞机和发动机，淘汰老旧机型，此举可在一定程度上减少温室气体排放。如，波音公司研制的787新型客机，比同尺寸的飞机更轻更省油，温室气体排放量减少约20%。此外，研发新技术、提高燃油效率、开发低碳可替代燃料也是航空业减排的重要手段。最重要的可替代燃料为航空生物燃料，该燃料将传统化石燃料与生物质原料以50:50混合直接使用在现有飞机上。2011年7月到2012年12月，德国汉莎航空公司使用航空生物燃料进行了半年商业飞行，共减少CO2排放约1 500 t。2012年4月17日，全日空一架波音787飞机使用了由厨余废油提炼成的生物燃油成功的飞越了太平洋，其产生的CO2比同尺寸的飞机减少了约30%，其中，20%减排量归功于787创新技术及燃油效率，10%归功于可持续生物燃料的使用[17]。

2）运营手段

飞机靠发动机燃烧燃料产生动力，每小时耗油量达几吨甚至几十吨，排放出大量的温室气体，因此，缩短飞行时间可有效减少温室气体排放量。在运营上，航空公司可根据天气、风向和风速选择最短飞行时间的航线；选择极地运行缩短两个区域间航程；不需技术经停增加航班业务载荷，提高飞机利用率和经济效益；采用二次放行增加飞机业载和减少燃油消耗；减少飞机辅助动力装置（APU）在机场的使用；优化航班布局，提高客座率，针对客座率较低的航线减少班次或增加中转站等。根据空客最新研究，若能全面优化空中交通管理系统和机载系统，欧洲和美国之间往来航班平均每次飞行时间将减少13 min，假设世界范围内每年有3 000万次航班，则每年可节约燃料900万t，减少CO2排放2 800万t。

5 结论与展望

交通系统是控制温室气体排放的关键，法律与标准的建设是保证减排措施得以实施的先决条件，也是战略性和长期性的工作。在法律和标准的指导下，综合运用经济技术手段和市场运作机制，完善交通运输业污染物排放控制体系，实现政策协调，完成整个交通运输系统的减排任务。