交通運輸業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.北京交通大學中國綜合交通研究中心，北京 100044；2.北京交通大學綜合交通運輸大數據應用技術交通運輸行業重點實驗室，

北京 100044）

交通碳排放因子一般指完成單位工作量產生的碳排放量， 體現了不同運輸方式的碳排放效率。碳中和（Carbon neutrality）是指某區域在一定時間內直接或間接產生的溫室氣體排放總量可以通過在該區域內植樹造林等形式來吸收與抵消，從而實現二氧化碳的“零排放”。

國家主席習近平2020 年9 月在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，我國二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。 國務院2021 年10 月印發的《2030 年前碳達峰行動方案》中提出，到2025 年非化石能源消費比重達到20%左右，到2030 年達25%左右。交通運輸是社會經濟發展的重要組成部分，能源消耗和溫室氣體排放均占有較大比重。 根據國際能源署數據顯示， 全球交通部門溫室氣體排放約占24%左右。根據北京綠色創新發展中心《2020 能源數據》，我國交通部門2018 年能源消耗量占全國的18%， 交通部門的CO2排放量約占全國總排放量的10%左右[1]。 “碳達峰、碳中和”目標的提出對我國交通運輸行業的發展提出了新的要求，準確掌握不同方式碳排放因子水平及其影響因素，對于降低交通部門碳排放、促進碳中和目標的實現具有重要意義。

交通運輸行業碳排放的研究主要集中于兩個方面。 一是測算交通建設和運營期間產生的碳排放，如陳進杰等[2]將高速鐵路全生命周期分為建材生產、施工建設、運營維護和報廢4 個階段，并計算產生的碳排放量。 二是研究交通基礎設施的建設和運行直接產生的二氧化碳排放，或通過影響經濟活動間接產生的二氧化碳排放[3]。 如馬慧強等[4]研究表明單位交通周轉量的能耗是促進旅游交通碳排放增長的主要影響因素之一。 國內外學者測算交通碳排放時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測算，如曾曉瑩等[6]采用自上而下法研究了省域交通碳排放時空分布特征。 自下而上法基于單位里程產生的碳排放測算，如閆琰等[7]根據各運輸方式油耗特征測算了終端能源消耗量，并估算了整個交通運輸行業碳排放量；王成新等[8]測算了不同交通運輸方式的百公里能耗和碳排放， 發現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]研究不同速度區間下公交車的百公里CO2排放強度，發現液化天然氣車的碳排放強度高于柴油車，且其差距隨速度增大而增大；王雪然等[10]基于百公里能耗測算了公交車運營期碳排放，認為電動公交車全生命周期每百公里可減排61.2%。 李利軍等[11]結合上述兩種方法測算了京津冀公路和鐵路貨運碳排放。國外的歐盟道路碳排放因子模型（HBEFA）[12]和綜合移動源排放模型（MOVES）[13]同樣基于自下而上的原理測算道路交通排放因子。

以各種客、貨運交通方式運營期的碳排放為對象，考慮了客貨運能源消耗量未知情況下不同運輸方式的客貨換算系數，提出了單位周轉量交通碳排放因子測算方法。 最后，由于國內現有統計數據種類少、數據來源分散，缺少對社會及私人汽車、摩托車等的能耗數據[14]，本文在可比口徑上對比了客運和貨運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，交通運輸行業碳排放涉及建設、運營維護、報廢拆除等階段。 本文主要研究各交通方式運營期間產生的碳排放，包括消耗化石能源產生的直接碳排放和在發電端供電時產生的間接碳排放。 根據運營期各交通方式碳排放過程，交通碳排放因子的影響因素包括以下兩方面。

1） 能源結構，尤其是清潔能源占比。研究表明，能源強度對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，將影響該運輸方式因燃燒化石能源產生的直接碳排放。 目前我國能源結構中煤電發電量占比較高，約占60%以上[12]，而煤電發電的碳排放系數遠高于其他（如氣電、核電等）方式。 發電結構、發電端能耗效率將引起電力碳排放系數的變化，從而影響以電力驅動的交通方式運營時產生的間接碳排放。

2）運輸工具的效率。交通碳排放因子是通過完成的運輸工作量與該過程產生的碳排放量測算的。 生產效率越高，一定碳排放量情景下完成的客貨運輸量越大，碳排放因子越低。 一般來說，營運性公共運輸車輛的效率普遍高于非營運性車輛，其排放因子更低。

2 交通碳排放因子測算模型

2.1 測算模型構建

本文以交通方式單位周轉量產生的碳排放量作為不同方式的碳排放因子。 基于自上而下法構建的交通碳排放因子模型可分別測算運營期間客運和貨運不同運輸方式交通碳排放因子。

1） 碳排放因子。 交通運輸行業客、貨運不同運輸方式碳排放因子測算方法如下

式中：Ti1為第i 種運輸方式的貨運周轉量，t·km；Ti2為第i 種運輸方式的旅客周轉量， 人·km；Ei1，Ei2分別為第i 種運輸方式的貨運和客運碳排放量，kgCO2。

2） 客貨運碳排放量。在客運和貨運碳排放量兩項數據未知的情況下，由于換算周轉量與各運輸方式運營期間的碳排放量呈正相關關系[15]，可利用各種運輸方式的換算周轉量和運營期間碳排放數據測算客貨運碳排放量，測算方法如下

式中：αik為第i 種運輸方式的客貨換算系數；Tih為第i 種運輸方式的換算周轉量，t·km；Ei為第i 種運輸方式的總碳排放量，kgCO2，測算方法如下

式中：Wij為第i 種運輸方式的第j 種化石能源的碳消耗量，t；Wid為第i 種運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kgCO2/t；fd為電力碳排放系數，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 種化石能源燃燒過程的碳氧化率。

3） 客貨換算系數。我國現有統計制度規定的客貨換算系數多基于運輸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算。 排放視角下的客貨換算系數應根據客、貨單位工作量產生的排放量比值來確定。 由于我國部分數據不完備，這里以美國的客貨運數據為參照，考慮中、美客貨運輸部分參數的差異， 對美國客貨換算系數α'ik按折算值γi修正后作為我國客貨換算系數αik，方法如下

式中：α'ik為美國第i 種運輸方式的客貨換算系數， 即貨運和客運第i 種運輸方式碳排放因子的比值。 γi為折算值， 與美國和我國交通工具單位排放、運載能力等因素有關。 假設美國客運和貨運發動機技術水平一致，我國的技術水平雖低于美國，但客貨運技術水平差距較小，客貨換算系數折算值為兩國客運和貨運載運量之比，測算方法如下

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

2.2 數據來源與處理

參照能源基金會《2020 能源數據》中各運輸方式能源消耗量數據以及2006 年IPCC 國家溫室氣體清單指南（表1）的化石能源碳排放系數，測算以2018 年我國交通運輸行業碳排放為研究對象，我國電力排放系數取0.637 kg/（kW·h）。 各運輸方式周轉量數據來源于國家統計局。

表1 碳排放系數計算參數值Tab.1 Carbon emission coeffcient calculation parameter value

我國和美國換算系數折算值根據載運量之比計算，數據如表2 所示，其中美國各方式碳排放因子數據來源于美國環境保護署官方報告。 根據相關統計數據，同一運輸方式的載運率應采用相同計算方法和統計口徑。 美國鐵路和公路客運、貨運載運率可通過人英里、噸英里、車英里測算；我國公路客運、貨運載運量可通過總噸位與載客、載貨汽車數量測算；我國鐵路客運載運量可通過普速鐵路、高速鐵路車廂數量、定員、平均客座率測算。 對于航空運輸， 中美航空運輸折算值根據客座利用率和貨郵載運率 （收入客公里或貨運噸公里與可用座公里或貨運噸公里的比值）計算。 此外，由于船舶的載運量較大，約為萬噸級以上，水運載運能力近似，折算值接近于1。 我國客貨換算系數測算結果如表3 所示。

表2 中美換算系數折算值Tab.2 Conversion coefficient converted value

表3 碳排放系數計算參數值Tab.3 Carbon emission coeffcient calculation parameter value

3 交通碳排放因子測算與比較分析

3.1 我國單位周轉量交通碳排放因子計算結果

按前述方法和數據， 表4 給出2018 年我國各方式碳排放因子測算結果。 不難看出，我國航空貨運碳排放因子顯著高于其他方式， 約為鐵路的128倍；公路貨運亦為鐵路的11.5 倍；鐵路和水運最低，為0.008 kgCO2/（t·km）。 客運各方式碳排放因子差距相對較小，航空運輸最高，約為水運的9.6 倍；其次是鐵路和公路運輸，約為水運的3.4 和2.6 倍。

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

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

3.2 交通碳排放因子對比分析

為分析既有碳排放因子研究結果的合理性，表5 給出了本文測算的交通碳排放因子、 美國環境保護署交通碳排放因子與文獻[8]和文獻[16]的結果。

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

表5 不同文獻各交通方式碳排放因子對比Tab.5 Comparison of carbon emission factors of different transportation in different literatures

1） 我國客貨運交通統計基于客貨商業運營體系， 效能較美國全行業平均水平及非營運系統更高。 若以每公里線路承擔的換算周轉量作為換算運輸密度，2018 年我國鐵路換算運輸密度約為6 757×104（t·km）/km，美國約為1 525×104（t·km）/km，我國是美國的4.4 倍， 貨運和客運鐵路碳排放因子分別為美國的57%和75%。 同理，我國公路換算運輸密度約為美國的1.8 倍， 公路貨運和客運碳排放因子分別為美國的70%和26%。我國交通工具效能高于美國，單位周轉量交通碳排放因子較小。

2） 統計口徑的差異?？拓涍\輸單位排放統計原則上應基于全部車輛。 我國公路運輸統計時未包含非營運的個人運輸車輛[14]，這部分在我國占有較大比重。 我國機動車包括汽車、掛車、無軌電車、農用運輸車、摩托車、機動三輪車和運輸用拖拉機（包括帶掛車的輪式拖拉機） 以及輪式專用機械車等種類，但不包括任何在軌道上運行的車輛。 2020 年全國機動車保有量為3.72 億輛，其中汽車2.81 億輛。我國營運汽車1 171.54 萬輛，僅占汽車數量的4%。統計口徑的差異可能會導致對我國公路運輸排放因子的低估。

3） 航空機型規模不同。 航空貨運中，采用全貨機運輸可提高單次載運量，降低單位周轉量碳排放因子。 從我國航空貨運現狀來看，全貨機數量規模小，僅有160 架，約70%的貨運是通過客機腹艙完成的，這部分貨運導致的排放增量如何分批計算需要細化研究。 我國全貨機數量在運輸機隊中占比約4.4%，低于美國的15.1%，航空貨運碳排放因子高于美國。

航空客運中，支線航空飛行距離短、機型相對較小， 單位周轉量碳排放因子較高。 美國航空客運中63%的定期客運服務由支線航空公司提供，支線客機數量占運輸機隊的33%以上。 我國支線客機僅占運輸機隊的5.1%左右，支線航空規模小于美國，航空客運碳排放因子較低。

文獻[8]基于百公里能耗和交通工具載客定員（實際上假設全部滿載） 測算了百公里人均碳排放量， 其結果未考慮實際載客量對碳排放因子的影響，鐵路客運碳排放因子結果低于本文；文獻[8]測算公路碳排放因子時并未區分營運性車輛和非營運性車輛， 本文僅測算了營運性車輛碳排放因子，公路客運碳排放因子較低；本文測算碳排放因子時考慮了運輸周轉量的影響，在一定碳排放量情景下完成的客運周轉量越大，碳排放因子越低，由于我國航空客運周轉量較高，本文航空碳排放因子測算結果較低。

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

4 結論

通過自上而下分析法研究了我國客貨運不同方式交通碳排放因子，得出以下結論。

1） 從貨運排放因子看，鐵路與水運較低，民航最高。 不過，由于貨運量規模大，公路成為我國運輸排放的主要貢獻者，碳排放占比達74%。 從客運看，由于高速鐵路客運在鐵路客運中占比較大，排放因子略高于公路，這與目前我國電力結構中煤電占比高達68.5%有關。

2） 碳排放因子與運輸效率密切相關，我國的統計數據主要以客貨營運車輛為主。 我國鐵路、公路營運車輛運輸效率（如滿載率）高，鐵路換算運輸密度是美國的4.4 倍、公路是美國的1.8 倍，因而單位周轉量排放因子除航空貨運外較美國普遍低。 我國航空貨運碳排放因子高于美國，原因可能與我國航空全貨機機隊規模較小有關，我國全貨機數量占比僅為美國的30%左右。

3） 我國公路運輸車輛統計中未包含非營運的個人運輸， 而這部分車輛在我國的占比高達96%，由于其載客數少，單耗單排較大，這可能導致對我國公路運輸排放因子的低估。