基于全生命周期评价的铁路物流基地碳排放测算及减排策略研究

Carbon Emission Calculation and Emission Reduction Strategies for Railway Logistics Base Based on Full Life Cycle Assessment

摘要

为落实党中央、国务院环保政策部署，推动铁路领域碳达峰、碳中和目标，需积极开展铁路物流基地碳排放测算工作，识别主要碳排放源。基于全生命周期理论分析铁路物流基地碳排放，分为建造施工、运营管理2个阶段，重点考虑现场施工、货运装卸、运转等场景，明确碳排放测算对象及范围。运用排放因子法，构建铁路物流基地各阶段碳排放测算模型。以某铁路物流基地为例，计算其全生命周期碳排放为301.41万tCO_2e，设计能源转型、能效升级、增加碳汇3种减排情景，模拟不同情景下碳排放变化趋势，结果表明，能源转型情景减排效果最佳，共减少碳排放17.91万tCO_2e。提出绿色集约、能源转型、能效升级、增加碳汇4方面减排策略，促进铁路物流基地向可持续发展方向转型，实现我国铁路现代物流的可持续发展。

Abstract

In order to implement the environmental protection policies and deployments of the Party Central Committee and the State Council and promote the goals of achieving carbon peaking and carbon neutrality in the railway sector, it is necessary to actively carry out carbon emission calculation work for railway logistics bases and identify the main carbon emission sources. Based on the theory of full life cycle assessment, the carbon emissions of railway logistics bases were analyzed and divided into two stages: construction and operation management. The focus was on on-site construction, freight loading and unloading, and operation scenarios, and the object and scope of carbon emission calculation were clarified. Using the emission factor method, this paper constructed a carbon emission calculation model for each stage of the railway logistics base. With a railway logistics base as an example, the carbon emissions throughout its full life cycle were calculated to be 3.014 1 million tons of CO_2e. Three emission reduction scenarios were designed, including energy transformation, energy efficiency upgrading, and carbon sink increasing. The trends in carbon emissions under different scenarios were simulated. The results show that the energy transformation scenario has the best emission reduction effect, reducing carbon emissions by 179 ‍100 tons of CO_2e. Emission reduction strategies are proposed in terms of four aspects: green intensification, energy transformation, energy efficiency upgrading, and carbon sink increasing, so as to promote the transformation of railway logistics bases towards sustainable development and achieve sustainable development of modern railway logistics in China.

Graphical abstract

0　引言

近年来，过量温室气体排放引起的气候变化问题日益严重，碳排放已成为制约人类可持续发展的关键因素。为应对温室气体的过量排放，实现可持续发展，2020年我国明确提出“碳达峰、碳中和”发展目标。2024年2月，国家铁路局印发《推动铁路行业低碳发展实施方案》，鼓励铁路各领域进行碳排放测算工作，进一步加快新时代铁路绿色低碳发展。铁路物流基地作为铁路发展现代化物流服务的重要组成部分，在“公转铁”政策引导^[1]和积极推动多式联运发展战略的导向下，开展铁路物流基地碳排放测算，推动其绿色低碳转型，不仅对落实“双碳”战略目标、推进生态文明建设起到促进作用，也是铁路现代物流发展的重要方向。

目前，在铁路碳排放研究方法方面，学者们基于系统动力学^[2]、碳排放因子法^[3]、全生命周期理论^[4]、LEAP模型^[5]等方法开展铁路碳排放趋势、控制策略等方面研究，均取得较多研究成果。在物流基地碳排放测算方面，已有学者提出集装箱港口^[6]、物流中心^[7]、铁路物流基地运营阶段^[8]碳排放测算模型。综合以上文献分析，目前碳排放测算方法已较为成熟，关于铁路碳排放研究主要集中在铁路线路、工程建设、运输企业等方面，对于铁路物流基地碳排放测算研究较少，尤其对于铁路物流基地全生命周期碳排放的测算方法，尚未有学者开展相关研究。

随着我国铁路物流基地建设规模的进一步加速，从全生命周期视角，提出铁路物流基地碳排放测算方法，定量分析主要碳排放场景，并结合情景分析法，模拟分析不同情景减排效果，提出具体减排策略，促进我国铁路现代物流的可持续发展。

1　铁路物流基地全生命周期碳排放分析

1.1　理论框架

全生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)是一种分析产品(设施)从资源获取、加工、使用等生命周期全过程对环境影响的定量分析方法。根据国际标准化组织(ISO)^[9]提出的评价框架，分析过程可分为4个阶段。

（1）目的与范围的确定，明确研究范围、系统边界等内容。

（2）完成清单分析，对系统边界内能耗和排放等相关数据进行收集、分析输入和输出。

（3）影响评价，对清单分析阶段的数据进行分类，建立模型定量分析各阶段对环境影响。

（4）结果解释，根据前3个阶段的研究结论，分析研究对象整个生命周期内减少对环境影响的途径，并提出改进措施。

1.2　碳排放测算范围

碳排放指人类活动排放的温室气体，常见温室气体有二氧化碳、甲烷等。由于二氧化碳对温室气体贡献率高达63%^[10]，并且根据中国政策制定部门对碳排放强度定义为单位GDP的二氧化碳排放量。因此以下对于碳排放的定量分析，特指二氧化碳排放，计量单位为二氧化碳当量(CO_2e)。

由于铁路物流基地为大型基础设施，建设投入较高，当多数铁路物流基地规模不满足需求时，会在原有基础上进行改造扩建，因此将铁路物流基地全生命周期界定在从项目建设开工至下一次改造扩建开始为止，划分为建造施工与运营管理2个阶段。以下对全生命周期内各阶段碳排放主要场景进行分析，得到铁路物流基地全生命周期碳排放清单如图1所示。

（1）建造施工阶段。建造施工阶段完成物流基地内仓库、集装箱堆场、场内道路硬化、综合办公楼等基础设施的建设，计算时间边界从项目开工至竣工验收通过为止。该阶段可细分为材料物化、现场施工2部分，其中材料物化阶段碳排放场景包括混凝土、水泥等建筑材料的生产、加工、运输过程中能源消耗产生的碳排放；现场施工阶段碳排放场景包括推土机、混凝土搅拌机等施工设备使用产生的碳排放。由于施工过程使用材料及设备种类繁多，统计收集所有材料用量数据难度较高并且计算繁琐。结合物流基地基础设施主要为混凝土框架结构，根据文献^[11]研究结果，混凝土及钢筋混凝土工程、砌筑工程占混凝土框架结构施工过程碳排放的95%以上，因此该阶段仅考虑砌筑、混凝土、钢筋以及土石方工程中主要材料消耗与设备使用产生的碳排放，主要材料与施工设备如图1所示。

（2）运营管理阶段。铁路物流基地是集聚多种服务的基础设施平台^[12]，运营管理阶段为不同品类的货物提供装卸、仓储等物流服务，计算时间边界从项目验收通过投入运营至下一次改造扩建为止，运营年限为其设计年限。该阶段可细分为铁路货运生产、铁路物流服务部分，其中，铁路货运生产阶段包括货运装卸、运转环节各类设备使用产生的碳排放；铁路物流服务阶段包括仓储环节照明、制冷产生的碳排放以及综合管理区办公楼、营业大厅等基础设施日常运营中空调、照明、给排水等配套设施使用产生的碳排放。此外，若物流基地安装光伏发电等可再生能源系统、种植绿化植物会产生碳汇，抵消一部分碳排放。对于货运装卸环节，由于各功能区货物品类不同，装卸作业要求有所差异，对铁路物流基地各功能区主要设备列举如图1所示。

2　铁路物流基地全生命周期碳排放测算模型

2.1　碳排放计算方法

目前，常用的碳排放量化方法有实测法、物料平衡法和排放因子法。其中，实测法利用仪器设备直接测量二氧化碳浓度或流量数据，结果精确但不易于实际操作；物料平衡法计算碳排放需明确系统中物质的流入和流出，所需数据量较大；排放因子法计算碳排放思路为将各能源的碳排放因子与碳排放源的能源消耗量相乘，边界明确，并且能源排放因子已有较多研究，易于实际操作，应用最为广泛，计算公式如下。

E={\displaystyle \sum _i^n}{A}_i\times E{F}_i⑴

式中：E为碳排放量；A_i为第i种能源的消耗量；E{F}_i为第i种能源的碳排放因子。

利用排放因子法，将铁路物流基地全生命周期分为建造施工、运营管理2阶段进行计算，计算公式如下。

E_{qz}=E_{js}+E_{yg}⑵

式中：E_{qz}为全生命周期碳排放，kgCO_2e；E_{js}为建造施工阶段碳排放，kgCO_2e；E_{yg}为运营管理阶段碳排放，kgCO_2e。

2.2　建造施工阶段碳排放测算模型

建造施工阶段包括材料生产、加工、材料运输至施工现场过程以及施工设备消耗能源产生的碳排放，计算公式如下。

E_{js}=E_{cs}+E_{cy}+E_{xs}⑶

式中：E_{cs}为材料生产加工碳排放，kgCO_2e；E_{cy}为材料运输碳排放，kgCO_2e；E_{xs}为施工设备碳排放，kgCO_2e。

（1）材料生产、加工。该场景碳排放来源于混凝土、砂石等主要建筑材料的生产、加工过程消耗能源产生的碳排放，可通过材料使用量与单位材料用量碳排放因子计算，计算公式如下。

E_{cs}={\displaystyle \sum _{l=\mathrm{1}}^p}{m}_{l}E{F}_l⑷

式中：p为材料总类别；m_l为第l种材料的消耗量，t；E{F}_l为第l种材料的单位材料用量碳排放因子，kgCO_2e/t。

根据碳排放测算边界划分，仅计算混凝土、钢筋、砌筑工程中材料生产、加工过程的碳排放，材料用量可查询技术图纸、采购清单等工程建设材料获取，各类材料碳排放因子可查询《建筑碳排放计算标准GB/T 51366—2019》获取。

（2）材料运输。该场景碳排放来源于材料运输至施工现场过程中，运输工具消耗能源产生的碳排放，与运输方式、运距、运量有关，考虑到运输工具从施工现场返回为空载，引入空车修正系数\delta，计算公式如下。

E_{cy}={\displaystyle \sum _{l=\mathrm{1}}^p}{\displaystyle \sum _{s=\mathrm{1}}^f}{m}_{ls}\times d_{ls}\times \delta \times E{F}_s⑸

式中：f为运输方式总类别；m_{ls}为第l种材料利用第s种运输方式的运量，t；d_{ls}为第l种材料利用第s种运输方式的运输距离，km；\delta为空车修正系数；E{F}_s为第s种运输方式的单位周转量碳排放因子，kgCO_2e/(t·km)。

根据已有研究，材料运输时空载环境负荷为满载的0.67倍^[13]，故\delta取1.67。各类运输方式单位周转量碳排放因子可通过《建筑碳排放计算标准GB/T 51366—2019》查询，运距根据实际项目追溯确定，当无法实际追溯时，采用《建筑碳排放计算标准GB/T 51366—2019》提出的默认运距，混凝土类材料取40 km，其他材料取500 km进行估算。

（3）施工机械设备使用。该场景碳排放主要来源于施工设备消耗能源产生的碳排放，可通过各类设备使用台班数(一台班为设备连续工作8 h)、设备单位台班能源消耗量计算设备能源消耗，计算公式如下。

E_{xs}={\displaystyle \sum _{x=\mathrm{1}}^a}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{r}_{ix}\times n_{ix}\times E{F}_i⑹

式中：a为施工设备总类别；m为使用能源总类别；r_{ix}为使用第i种能源的第x种设备的使用台班数；n_{ix}为使用第i种能源的第x种设备的单位台班能源消耗量，kg/台班、kW·h/台班；E{F}_i为第i种能源碳排放因子，kgCO_2e/kg，kgCO_2e/(kW·h)。

各类施工设备单位台班能源消耗量可通过《建筑碳排放计算标准GB/T 51366—2019》查询；设备台班数可根据施工预算表查询，若缺少此数据，可根据材料用量，结合住建部2019年发布的《房屋建筑与装饰工程消耗量定额》推算施工设备台班数。

2.3　运营管理阶段碳排放测算模型

运营管理阶段包括货运装卸环节、运转环节、仓储环节以及综合管理环节中配套设施使用产生的碳排放，同时可再生能源系统、绿色植物产生的碳汇可抵消一部分碳排放，计算公式如下。

E_{yg}=E_{hx}+E_{yz}+E_{cc}+E_{rc}-G_{th}⑺

式中：E_{hx}为货运装卸环节碳排放，kgCO_2e；E_{yz}为运转环节碳排放，kgCO_2e；E_{cc}为仓储环节碳排放，kgCO_2e；E_{rc}为综合管理环节碳排放，kgCO_2e；G_{th}为产生碳汇，kgCO_2e。

（1）货运装卸环节。该场景碳排放主要包括货物到达装卸区后，门吊、正面吊、叉车等装卸设备将货物卸下或装车过程中产生的碳排放，可根据各设备单位作业量能耗系数与作业量计算^[7]，计算公式如下。

E_{hx}={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^g}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^b}{w}_{ij}\times m_{ij}^k\times E{F}_i⑻

式中：g为铁路物流基地生命周期总年份；b为装卸设备总类别；w_{ij}为使用第i种能源的第j种设备的单位货物能源消耗量，kg/t，kW·h/t；m_{ij}^k为使用第i种能源的第j种设备第k年作业量，t。

（2）运转环节。该场景碳排放主要包括取送车作业消耗能源产生的碳排放，分为取车作业与送车作业。其中，送车作业指将待卸重车或空车由车站送往物流基地卸车或装车过程；取车作业是指将装完的重车或卸后空车由物流基地取回车站内集结编组过程^[14]。该场景碳排放可根据机车单位周转量能耗系数、作业量与作业距离计算，考虑到取送车作业多采用单取单送作业模式，实际取送距离为作业距离2倍，计算公式如下。

E_{yz}=\mathrm{2}\times {\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^g}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{n}_i\times m_i^k\times s_i\times E{F}_i⑼

式中：n_i为消耗第i种能源的取送车的单位货物周转量能源消耗量，kg/(t·km)，kW·h/(t·km)；m_i^k为消耗第i种能源的机车第k年作业量，t；s_i为消耗第i种能源机车的平均作业距离，km。

（3）仓储环节。该场景碳排放主要包括仓库照明、制冷设施使用过程消耗电能产生的碳排放，与该设施单位面积能耗量、配置该设施的建筑面积有关，计算公式如下。

E_{cc}={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^g}{\displaystyle \sum _{a=\mathrm{1}}^r}{\eta }_a\times c_a^k\times EF⑽

式中：r为仓库设施总类别；c_a^k为第a种仓库第k年的建筑面积，m²；{\eta }_a为第a种仓库的单位建筑面积能源消耗量，kW·h/m²；EF为电力碳排放因子，kgCO_2e/(kW·h)。

（4）综合管理环节。该场景碳排放主要包括综合管理区综合办公楼、营业大厅中空调、照明、给排水等设施消耗电能产生的碳排放，计算公式如下。

E_{rc}={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^g}{\displaystyle \sum _{e=\mathrm{1}}^t}{\eta }_e\times s_e^k\times EF⑾

式中：t为办公设施总类别；s_e^k为第e种办公楼第k年的建筑面积，m²；{\eta }_e为第e种办公楼的单位建筑面积能源消耗量，kW·h/m²；EF为电能碳排放因子，kgCO_2e/(kW·h)。

（5）碳汇。该场景主要包括可再生能源系统与绿色植物产生的碳汇，例如太阳能光伏发电系统产生清洁能源、绿化植被光合作用时会吸收大气中的二氧化碳。可再生能源系统产生碳汇可根据产品参数进行计算，绿色植物碳汇参考《中国绿色低碳住区技术评估手册》，计算公式如下。

G_{th}={\displaystyle \sum _{k=\mathrm{1}}^g}{\displaystyle \sum _{u=\mathrm{1}}^q}G{e}_u{Z}_u^k⑿

式中：q为绿色植物总类别；G{e}_u为第u类绿色植物单位面积年固碳量，kgCO_2e/m²；Z_u^k为第k年第u类绿色植物面积，m²。

3　算例分析

3.1　项目背景及参数选取

选取某一级铁路物流基地作为算例，定量分析其全生命周期碳排放。该物流基地为18个铁路集装箱中心站之一，是西北地区最大的铁路物流枢纽，于2016年开始改扩建工程，2018年正式投入运营，设有集装箱、快运、成件包装、长大笨重、冷链鲜活等8大功能区。基地内建筑面积58.48万m²，设有集装箱作业区货区面积14.21万m²，基地内配备JR21型门式起重机、CPCD10等型号内燃叉车。

对于建设阶段，结合技术图纸、采购清单等工程材料以及《建筑碳排放计算标准GB/T 51366—2019》《房屋建筑与装饰工程消耗量定额》等标准规范，主要材料用量、排放因子、运输方式及距离如表1所示，主要施工设备能源消耗率及台班数如表2所示。

假设该铁路物流基地设计年限为20年，根据文献^[15-16]并结合增长系数法计算得出该铁路物流基地各年份不同功能区到发量，节点年份不同功能区到发量如表3所示。

该铁路物流基地全生命周期内消耗能源类型主要为柴油、汽油和电力，各类能源碳排放因子依据《IPCC国家温室气体清单指南》提出方法计算，主要能源碳排放因子^[13]如表4所示。

该铁路物流基地运营管理阶段主要使用门式起重机、叉车进行货物装卸，使用内燃机车进行取送车作业，考虑到模型计算的可操作性，选取各功能区主要装卸设备进行计算，运营管理阶段设施设备能源消耗率如表5所示。

3.2　碳排放测算

结合各阶段碳排放测算公式以及以上参数，计算该铁路物流基地全生命周期碳排放为301.41万tCO_2e，其中，建造施工阶段碳排放为2.86万tCO_2e，仅占全生命周期碳排放的0.95%；运营管理阶段碳排放为298.55万tCO_2e，占全生命周期碳排放比例高达99.05%，为主要碳排放来源。建造施工阶段材料生产、加工环节碳排放占比最高，为81.3%；运营管理阶段装卸环节占碳排放比例最高，为59.7%；其次为运转环节，占比为27.06%。建设施工阶段各场景碳排放占比如图2所示，运营管理阶段各场景碳排放占比如图3所示。

由于全生命周期内运营管理阶段碳排放占主要部分，存在较大的减排潜力，针对运营管理阶段构造不同的减排情景，模拟分析不同减排情景下未来碳排放变化趋势。基准情景下只考虑运量变化，以基准情景为基础，设计能源转型、能效升级、增加碳汇3个减排场景，定量分析铁路物流基地的节能减排路径。参考《推动铁路行业低碳发展实施方案》及文献[5]等内容，设置节点年份情景指标变化率如表6所示。

（1）能源转型情景。该情景侧重于运营管理阶段的新能源与清洁能源应用，运转环节内燃机车电力替代与装卸设备电力替代。

（2）能效提升情景。该情景侧重于通过优化运输组织过程，减少作业量，提高设备作业效率，降低单位作业量产生的碳排放，主要包括运转作业量下降、装卸设备效率提升。

（3）增加碳汇情景。该情景侧重于物流基地仓库、办公室屋顶安装光伏发电设备，获取清洁能源供应，减少碳排放。

不同情景运营阶段各年份碳排放趋势如图4所示。对比基准情景，全生命周期内能源转型情景减少碳排放17.91万tCO_2e，能效提升情景减少碳排放14.21万tCO_2e，增加碳汇情景减少碳排放7.23万tCO_2e。因此从碳减排效果来看，能源转型效果大于能效提升效果大于增加碳汇效果。

3.3　减排策略

根据铁路物流基地全生命周期碳排放测算结果，针对碳排放占比较大的场景，提出绿色集约、能源转型、能效升级、增加碳汇4方面减排策略。

（1）绿色集约，遵循集约布局与节能设计理念。一是集约化布局，对于新建铁路物流基地，综合考虑国家战略、地方经济产业规划以及土地利用情况，综合考虑干线运输、两端取送车、装卸、短驳等环节，科学布局物流基地位置；对于既有铁路物流基地，优化整合既有小散弱货场。二是遵循节能设计理念，对于材料物化阶段，提高可再生材料、预制件材料在铁路物流基地建设过程中的使用，降低材料生产、加工阶段消耗能源产生碳排放；对于综合管理区配套设施运营阶段，通过变频改造、供配电节能、智能控制等技术，对空调、给排水、照明设备等配套设施进行节能优化控制，减少能源消耗。

（2）能源转型，大力推进新能源设备使用。根据碳排放计算结果，装卸、运转环节碳排放占比最高，可借鉴上海洋山港建设LNG加油站、大力推广清洁能源在多环节覆盖的经验，积极推动铁路物流基地各类设备的清洁能源替代，推广使用电动叉车、AGV、正面吊等新能源设备，减少装卸、运转环节的碳排放。

（3）能效升级，提高物流整体作业效率。可借鉴京东物流“亚洲一号”通过自主研发玄武、地狼AGV系统提高仓储、分拣效率，实现高度自动化的“黑灯”作业模式，积极推动大数据、物联网、人工智能等新技术在铁路物流基地的应用，建立数字孪生智慧基地。一是通过智慧化手段实现门吊远控、箱区箱位智能指派等功能，对运转环节、装卸环节的工作流程进行优化，减少不必要的往返作业，提高工作效率。同时，对物流数据进行挖掘和分析，预测推演未来一段时间内的运量及车辆调度情况，帮助管理者做出合理的决策和调度安排，提高管理的可靠性。二是淘汰高能耗设备，定期对运营设备进行能效评估，淘汰能耗高、效率低的设备，确保各设备高效运行，提高能源利用效率，减少不必要的碳排放。

（4）增加碳汇，构建绿色多元的能源供应。充分挖掘太阳能、风能等清洁能源在铁路物流基地运用的潜力，减少对化石能源的依赖。新建铁路物流基地，可考虑设计光伏一体式仓库、办公楼；既有铁路物流基地，可在符合条件的仓库、办公楼的屋顶配备分布式光伏发电系统，利用风力发电路灯，实现对太阳能、风能的使用，产生清洁能源抵消一部分碳排放。

4　结束语

铁路物流基地的绿色低碳转型是保护生态环境、响应国家政策的重要举措，也是铁路发展现代物流的重要方向。本研究提出铁路物流基地全生命周期碳排放测算方法，并结合情景分析法定量分析各情景下碳排放变化趋势，提出绿色集约、能源转型、能效升级、增加碳汇4方面减碳策略，有助于促进铁路物流基地的可持续发展。未来应进一步开展绿色低碳铁路物流基地评价、认证等相关研究，促进铁路领域碳达峰、碳中和战略目标的达成，推动新时代铁路的可持续发展。

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