新能源在城市公共交通应用的相关问题研究以上海市为例硕士学位论文 精品

上海海事大学硕士学位论文新能源在城市公共交通应用的相关问题研究—以上海市为例
学校代码：10254
密级：
论文编号：
上海海事大学SHANGHAI MARITIME UNIVERSITY
硕士学位论文
MASTER DISSERTATION
论文题目：新能源在城市公共交通应用的
相关问题研究—以上海市为例学科专业：交通运输规划与管理
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摘要
目前，全球能源日益短缺、国际油价持续上涨、环境恶化不断加剧，传统的、以石油为主要能源投入品的粗放型交通运输业受到资源和环境的双重约束，这不符合我国走可持续发展道路的总体方向。

上海市作为国际化大都市，城市交通服务量的不断上升加剧了能源消耗和污染物排放，城市公共交通是上海市民出行的主要方式之一，开发新型动力、环保节能的新能源和替代燃料公共交通工具有利于保障国民经济健康持续发展，提高汽车工业自主创新能力，解决能源和环保问题，是先进城市交通的发展方向。

本文首先分析目前国内外发展交通新能源的现状和趋势，介绍车用新能源技术的发展途径、相关特点及我国交通领域清洁能源的发展战略和产业政策，从能源、环境、经济方面设定能源强度、排放强度、成本经济三大比较指标。

以上海市道路公共交通为例，借助LEAP系统模型(Long-range Energy Alternatives Planning System)计算分析实施交通新能源利用战略的能源需求和环境影响。

LEAP模型系统以2008年为基准年，将上海市道路公共交通系统分为地面公交、出租车、轨道交通三个子部门，建立上海市道路公共交通未来（2010-2030年）发展的数据库结构，涵盖汽油、柴油、液化石油气（LPG）、压缩天然气(CNG)、二甲醚、氢气、电力等能源载体和CO2、CO、HC、NOx和PM五种排放污染物，设定社会经济因素（GDP、人口）、交通需求量模型参数。

根据上海市相关规划和政策等背景，设计上海市城市道路公共交通的参考方案和新能源利用方案，重点对规划年（2010年、2015年、2020年和2030年）两种对比方案下的能源消耗和污染物排放进行分析比较，得出结论。

最后，本文在研究的基础上，从交通新能源利用角度对我国实施交通能源发展战略和上海市的公共交通发展提出建议。

研究结果表明，从终端利用层次来看，不同能源技术的能源消耗强度和排放强度有所不同，相比之下，以电力为能源的车辆在这两方面具有很大优势。

从持有者角度的车辆全生命周期成本来看，除氢燃料电池车的全生命周期成本相对过高，其余能源车辆的全生命周期成本和传统车辆相当或低于传统车辆，交通新能源的应用在能源、环境、经济方面可行，有利于缓解石油压力，降低环境污染。

关键词：交通新能源，LEAP模型，能源需求，污染物排放，成本经济
ABSTRACT
With the steady shortage of energy, oil price rising and air pollution deteriorating today, the current petroleum based transportation which is traditional and extensive is under the dual constraints of resources and the environment, this is not in line with our overall direction of sustainable development. As an international metropolis, Shanghai has a higher demand for energy consumption and more environmental emissions with its increasing volume of transport. Shanghai urban public transport is one of the main ways people travel, the development of new power, environmental protection, new energy and alternative energy fuels in public transport will help protect the health and sustainable development of the national economy, improve the ability of independent innovation automotive industry ,address energy and environmental problems, it is an advanced urban transport development.
Based on this ground, this dissertation analyses the status and trends in new energy sources of transport, also introduces the approach to development of new energy technologies, the relevant characteristics, the development strategy and industrial policies in the field of China's transport clean energy .It sets three major indicators of energy intensity, emission intensity, cost from energy, environmental and economic aspects.This dissertation chooses LEAP (Long-range Energy Alternatives Planning System) model simulate scenarios of energy alternative in transportation and studying the energy demand and environmental impacts. It establishes Transportation-Energy-Environment model of Shanghai road public transport from year 2008 as the initial year to year 2030.At first, it is divided into bus sector, taxis sector and rail transit sector. Model covers energy resources of gasoline, diesel, LPG, CNG, DME, hydrogen, electricity and emission factors of CO2, CO, HC, NO x and PM. And furthermore, model parameters are created by analyzing driving factors such as socio-economic factors (GDP, population), transport demand volume, vehicles and so on. Reference plan and new energy plan are designed according to the
relevant planning and policy in Shanghai. Compare energy consumption and pollutant emissions of planning years (2010, 2015, 2020 and 2030) under the two scenarios. Finally, the dissertation gives advice about implementing transport energy strategy of China and developing of Shanghai's public transport from the view of energy alternative.
The results show that, from the end-use level, different energy technologies have different energy consumption intensity and emission intensity, electric vehicles have significant advantages in both. From the life-cycle costs of vehicle owners, in addition to hydrogen fuel cell, other energy-typical vehicles are equal or lower than conventional vehicles.The application of new energy transportation is feasible and helps ease the oil pressure, reduce environmental pollution.
Xu Rongrong(Transportation Palnning and Management)
Directed by Professor Hou Ronghua
KEYWORDS：Transport new energy, LEAP model, Energy demand, Environmental emissions, Cost
目录
1引言 (1)
1.1研究背景与意义 (1)
1.1.1研究背景 (1)
1.1.2研究目的与意义 (2)
1.2 研究方法与主要内容 (3)
1.2.1研究方法 (3)
1.2.2研究内容 (3)
1.3国内外相关研究现状 (4)
1.3.1理论研究现状 (4)
1.3.2 LEAP模型研究现状 (5)
2国内外交通新能源利用与发展现状 (7)
2.1发展交通新能源的必要性与可行性 (7)
2.2交通新能源技术发展途径 (8)
2.2.1 直接燃料发展途径 (10)
2.2.2 间接燃料发展途径 (12)
2.3我国交通新能源的发展战略与政策 (13)
2.3.1发展战略 (13)
2.3.2产业政策 (14)
3交通能源需求与环境影响分析 (17)
3.1交通新能源应用的比较指标 (17)
3.1.1能源消耗强度 (17)
3.1.2污染物排放强度 (17)
3.1.3成本经济性 (18)
3.2交通能源需求的影响因素分析 (18)
3.2.1 宏观社会经济 (19)
3.2.2能源短缺与能源价格 (19)
3.2.3能源利用效率水平 (20)
3.2.4运输量与机动车保有量 (20)
3.2.5政策因素 (20)
3.3 LEAP模型在能源需求与环境影响分析的应用 (21)
3.3.1 LEAP模型的结构 (21)
3.3.2能源需求量模型算法 (22)
3.3.3污染物排放量模型算法 (23)
3.3.4 LEAP模型的比较方案设计 (23)
4 LEAP模型在上海市公共交通新能源分析的应用 (25)
4.1上海市城市公共交通现状分析 (25)
4.1.1上海市公共交通发展现状 (25)
4.1.2上海市公共交通能源消耗现状 (28)
4.1.3上海市公共交通新能源利用现状 (28)
4.2 LEAP模型系统构建 (29)
4.2.1数据库结构 (30)
4.2.2参数设置 (30)
4.3 LEAP模型的比较方案设计 (34)
4.3.1参考方案设计 (34)
4.3.2新能源方案设计 (35)
5 上海市公共交通新能源应用的计算分析 (37)
5.1能源需求分析 (37)
5.1.1能源消耗强度分析 (37)
5.1.2能源需求量分析 (38)
5.2环境影响分析 (41)
5.2.1污染物排放强度分析 (41)
5.2.2污染物排放量分析 (42)
5.3成本经济性分析 (46)
5.3.1新能源公共汽车成本经济性分析 (46)
5.3.2新能源出租车辆成本经济性分析 (50)
6结论与建议 (52)
6.1结论 (52)
6.2建议 (52)
6.3本文创新与不足 (53)
致谢 (55)
参考文献 (56)
附录 (59)
1引言
1.1研究背景与意义
1.1.1研究背景
能源是国民经济发展的基础，目前，我国成为仅次于美国的世界第二能源生产与消费国。

石油短缺状况的加剧，世界石油价格的飙升，石油市场的不稳定，以及我国石油需求量迅速增加，导致我国进口量猛增，1993年我国已从石油出口国变为进口国。

根据国研中心的研究报告，预计到2020年，每年将有约2.5亿吨石油缺口，中国能源安全问题已成为国家十分棘手和亟待解决的问题。

当今，交通领域的能源消费比30年前翻了一倍，其排放的污染物和温室气体占到全社会排放总量的30%[1]。

从国内交通领域的角度来看，我国交通行业能源消费量约占全国总能量的10%左右，能源消耗较为单一，以油气为主，占全国石油消耗量的40%左右，其中大约95%的汽油，60%的柴油和80%的煤油被各类交通运输工具所消耗，而汽车保有量和使用率的迅猛提高，致使交通工具的石油需求占石油总消耗量的比例呈逐年增长的趋势。

根据有关部门的预测，2010年、2020年和2030年汽车的燃料需求分别为1.3亿吨、2.3亿吨和3.7亿吨，分别为当年全国石油总需求的43%、57%和70%[2]。

交通运输业造成的环境污染问题越来越受到世界上许多国家的关注，而我国城市中的汽车尾气排放远远高于发达国家。

根据国家环保总局检测，我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率达到了79%左右。

据统计，上海市机动车排放的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物已分别占总排污负荷的86％、90％和56％，而北京市的相应比例为63%、73%、28%。

在能源短缺、油价上涨、环境恶化的背景下，目前以石油为主的交通运输系统是不可持续的，发展低碳交通与可持续交通逐渐被世界各国提上议程。

低碳交通运输是低碳经济的主要组成部分，是一种以高能效、低能耗、低污染、低排放为特征的交通运输发展方式，其核心在于提高交通运输的能源效率，改善交通运输的用能结构，优化交通运输的发展方式，目的是使交通基础设施和公共运输系统最终减少以传统化石能源为代表的高碳能源的高强度消耗[3]。

可持续交通系统是指交通系统在满足人们出行等需求的同时不危害社会健康和生态系统，对可再生能源的利用速度不超过其再生速度，对不可再生能源的利用速度不超过其相
应的可再生替代能源的再生速度[4]。

无论是低碳交通系统的发展还是可持续交通系统的发展，寻求清洁的、可持续的新能源是实施交通运输业可持续发展的一项重要战略，是确保能源、经济、环境协调发展的有效手段。

中国在实行交通低碳化中，发展新能源汽车和电气轨道交通现已成为交通低碳化的重要途径[5]。

目前新能源汽车主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、氢能和燃料电池汽车、乙醇燃料汽车、生物柴油汽车、天然气汽车、二甲醚汽车等类型。

努力发展电气轨道交通是交通低碳化的又一重要途径，电气轨道交通是以电气为动力，以轨道为走行线路的客运交通工具，已成为理想的低碳运输方式。

1.1.2研究目的与意义
1.研究目的
本文利用LEAP模型对上海市城市公共交通新能源应用进行研究，进行能源需求、环境影响及成本经济性分析。

应用中长期能源可选择规划模型，研究在确保交通需求增长的前提下，发展不同的交通替代燃料产生的效果和大气污染物排放的影响，旨在为城市交通环境可持续发展提供决策依据。

2.研究意义
2006年发布的《中国石油替代能源发展概述》将发展替代能源列入“十一五”规划，目前我国替代能源占整个能源消耗的7%，2010年将达到10%，2020年则要达到15%。

国家相关部门积极研究并组织实施石油替代战略，保障国家能源安全。

我国对交通运输能源的需求不断上升，引起的环境问题越来越严重，要解决石油短缺与环境问题不是减少运输需求，而是要减少交通运输业对石油的依赖，提高运输效率、开发使用清洁替代燃料。

交通工具新能源燃料对我国可持续的能源供应至关重要，我国经济迅速发展、汽车保有量高速增长、汽车能源需求扩大、大气环境保护、能源安全保障的多重压力要求我们必须针对我国自然条件和能源资源特色，逐步改变汽车能源结构，降低汽车对石油燃料的依赖性，发展汽车清洁代用燃料，控制有害气体排放，建立有效可行的交通运输业能源性投入品替代战略。

能源消费中过度依赖石油的模式必然使经济承受成本逐渐加大的压力，严重时导致经济发展受到石油的攻击的刚性约束，这也从侧面说明，用其他能源替代石油是极其必要的。

1.2 研究方法与主要内容
1.2.1研究方法
经过长期发展，国内外在能源研究领域已经积累了大量的数学模型，选择合适的模型对本文的探讨与研究至关重要，本文采用LEAP模型的方法。

LEAP模型即长期能源可选择规划系统模型(Long-range Energy Alternatives Planning System)。

它是由瑞典斯德哥尔摩环境研究所及美国波士顿大学((SEI-Boston)共同研究开发的一个自下而上的计量经济模型。

LEAP模型是以能源需求、消费和环境影响为研究对象，通过数学模型来预测各部门的能源需求、消费及环境影响。

该模型实现了对能源消费系统的仿真，通常称为“终端能源消费模型”[5]。

它可以根据终端用能的变化设置不同方案进行预测分析。

具体而言，模型使用者可以基于目前状况以及对未来社会、经济和能源发展的不同理解，设定一系列的方案，并将相应的量化指标输入到模型当中，最后对不同方案的结果进行分析比较，为决策者提供参考。

如对城市交通而言，模型使用者可以引入诸如：如果未来出现更多的交通高效燃烧技术，结果会怎么样；如果交通车辆能够使用洁净燃烧技术，那么未来能源需求会有什么变化；如果未来公共交通占主体，它会对交通能源需求以及排放产生什么影响，等等。

根据研究需要，还可以综合方方面面的考虑，再设计出几种方案进行敏感性分析。

LEAP模型有以下优点：
1.LEAP模型结构性强，可与一般的经济模型、终端消费、能源供应模型相结合。

2.LEAP模型数据输入透明，而且比较灵活，经过模型计算可得到不同开发方案下的能源需求和环境效益。

3.LEAP模型可以对一些研究领域的重要部门进行分子部门的详细分析。

1.2.2研究内容
本论文共分六章内容来撰写，各部分内容结构安排如下：
第一章，引言。

本章介绍论文研究的背景、目的和意义，研究方法和内容，回顾国内外相关研究现状，并给出整篇论文的内容结构安排。

第二章，国内外交通新能源利用与发展现状。

本章分析发展交通新能源的必
要性和可行性，介绍目前存在的车用清洁燃料（天然气、煤基燃料、电力等）及我国新能源汽车的发展战略和产业政策。

第三章，交通能源需求与环境影响分析。

本章设定交通能源比较指标，分析影响能源需求的相关因素，重点对LEAP模型在能源需求和环境排放应用的方法进行详细介绍，包括模型结构、算法等。

第四章，LEAP模型上海市城市公共交通新能源分析的应用。

本章通过分析上海市城市公共交通发展、能耗、新能源发展现状构建数据库结构，根据上海市相关规划及历史数据进行模型的参数设置，设计基于LEAP模型的两种比较方案。

第五章，上海市城市公共交通新能源应用的计算分析。

本章计算分析不同能源技术的能源强度、排放强度、成本经济三大指标，对参考方案和新能源方案两种比较方案的能源需求和污染物排放进行比较分析。

第六章，结论与建议。

总结论文研究成果，结合成果给出相关建议。

1.3国内外相关研究现状
1.3.1理论研究现状
从世界交通运输业发展的实践来看，各国政府、交通运输主管部门及专家学者们对交通运输行业的能耗、环保工作高度重视，围绕依靠行政、经济、技术等手段指导和推动交通运输业节能环保、新能源应用和可持续发展进行了诸多富有成效的研究和探索，并取得了一系列成功的经验。

对新能源利用战略研究，从经济视角看，Wood和Berndt(1975)提出工业对投入品的引致需求取决于最终产量水平、生产技术所允许的投入品间的替代性以及所有投入品间的相对价格[7]；Halvorsen(1977)、Pindayck(1979)研究出能源价格的相对变化也会影响用户或产业的需求结构[8]-[9]；Jones(1995)、Longva和Olsen(1983)、Osten(1987)指出能源需求及其相互间的替代性可用需求的价格弹性、交叉价格弹性以及替代弹性衡量；Groth(1985)提出政府可以和应该通过能源政策影响供需双方从而影响能源价格，而不是简单地放松规制。

从技术视角看，学者们的共识是，Falbe、Solbett和Thomas(1981)，Schobert和Song(2002)认为煤炭转化为焦炭、电和气作为化工原料的技术已经成熟[10]，但大规模产业化取决于成本经济性(Grainger，1974；Lumpkin，1988)以及未来市场供求关系(Petrakis，1981；Perry，1988)。

我国的能源替代实证研究较晚，大多数讨论能源需求与能源强度的变化问题，对能源替代方面的问题尤其是交通运输能源替代问题关注较少。

张建民等(1996)对我国发展新能源的经济环境成本进行了分析，对各种新能源在考虑环境控制、保护成本与不考虑环境控制、保护成本两种情况下分别的建设成本与运行成本进行了分析，认为把环境控制成本与环境保护成本考虑进去，从长远的观点看煤炭的资金投入较高，但是没有考虑到煤炭的高效清洁利用[11]。

吴宗鑫，吕应运(2000)指出解决我国运输燃料巨大需求尤其对石油的依赖的根本途径应是煤的液化和煤制氢等清洁燃料，提出了我国未来能源可持续发展的以煤为主多元化的清洁能源战略，而非直接燃烧煤炭[12]。

魏晓平，谢钰敏(2001)运用数学模型对资源的替代问题进行定量分析，从经济角度推导出了矿产资源耗竭及替代发生的条件及特殊情况下矿产资源的最佳配置[13]。

马驰和胡应得(2003)从经济学角度分析可再生能源必然替代常规能源的原因及影响替代进程的因素，认为我国未来能源战略势必调整能源结构，大力发展可再生能源[14]。

周世秀(2005)探索了巴西的交通运输与新能源燃料的开发利用，指出巴西利用热带农业的优势进行能源替代，以含水酒精为燃料的酒精汽车的二氧化碳排放量是同类汽油汽车的11%，巴西的经验对加强我国在相关领域的研究和应用，对我国交通运输业具有重要现实意义[15]。

张林鹤和张晓刚(2005)指出煤制甲醇是交通运输中的一种清洁新能源能源，分析了甲醇及其性能分析，作者认为无论将甲醇作为过渡性混合燃料还是成为将来燃料电池的重要原料，均有较好的发展前景[16]。

Shen zhongyuan（2006）分析了中国政府对于各种新燃料的态度、政策以及各种替代燃料的普及现状。

分析结果显示，在各种汽车清洁燃料中，煤炭液化和生物燃料是最有希望的两种燃料[17]。

鲁成军，周端明(2008)利用ALLEN 替代弹性模型对中国工业部门的能源替代问题进行研究，发现劳动与能源之间存在明显的替代关系，资本与能源之间呈现间或的互补关系，为交通运输业能源替代研究提供了研究方法[18]。

1.3.2 LEAP模型研究现状
LEAP模型在能源需求预测、交通领域的能耗情景、能源对环境的影响等各个方面已经得到了很广泛的应用。

高虎等借助于湖南和新疆两个省(区)的可再生能源规划工作，对省级规划的工作步骤做了探讨，并应用LEAP对规划进行了定量计算[19]。

迟春洁等应用情
景分析法和LEAP模型的计算，对中国未来能源发展前景进行了研究[20]。

张颖、王克等人采用LEAP模型对我国电力行业和钢铁行业CO2的排放情景和节能减排进行了研究[21]-[22]。

王晓华利用LEAP模型和情景分析法对北京市物流发展对节能减排的影响进行研究[23]。

Baolei Gu应用LEAP模型研究了未来中国能源系统的发展情景及能源需求。

Amit Kuma等应用LEAP模型对不同情景下越南能源系统中各种生物能技术对C02的减排效果和潜力进行评价。

HO-Chul Shi等应用LEAP模型分析了韩国增加天然气发电容量对能源市场、发电成本和温室气体排放的影响。

Ranjan Kumar Bose等应用LEAP模型环境数据库分析了影响印度德里交通部门能源消费模式和排放标准的因素，并预测了总的能源需求和交通工具(不包括货车)的尾气排放量[24]。

B.K.Bala针对孟加拉国农村生物能的传统燃烧方式的弊端，应用LEAP模型研究了农村能源的供应和需求状况，并评价了其对全球气候变暖的影响。

Ranjan Kumar Bose教授利用LEAP模型研究在满足印度四大城市交通运输需求时交通部门的能源需求与环境排放，该研究分析了在发展不同的交通出行以及使用替代燃料时，各城市的节能以及减排潜力。

国家发展与改革委员会能源研究所朱松丽、姜克隽根据北京市交通现状以同样的方法，利用LEAP模型研究了北京城市客运交通未来的能源需求与环境排放[25]。

陈长虹、黄成等以上海为例，应用LEAP模型研究了在确保交通需求增长的前提下,发展不同的交通出行方式对能源需求和大气污染物排放的影响[26]。

王冰妍等利用LEAP 模型对低碳发展情景下的能源消费及大气污染物排放量进行了预测[27]。

我国国家发展和改革委员会能源研究所从1990年以来，先后在“青岛能源规划项目”，“与AIT合作研究的案例城市交通部门温室气体减排分析项目”以及“与UNEP合作的能源环境区域规划项目”中应用了LEAP模型[28]。

LEAP 属于中长期能源替代规划系统模型，着重考虑强化节能和环境保护影响力方面的问题。

中国能耗高，污染严重，节能和强化环境保护是今后中国发展的必由之路和重点之一，选用LEAP模型符合我国未来的发展变化。

2国内外交通新能源利用与发展现状
2.1发展交通新能源的必要性与可行性
能源资源作为经济、社会、人民生活发展的基础和命脉，其重要性不言而喻。

能源问题是一个全球性问题，对我国来说，这一问题具有更强的紧迫性，近年，我国在能源资源的生产、消费、利用效率以及对环境的破坏等各方面都面对越来越多的问题，承受越来越大的压力，已经对我国可持续发展构成威胁。

从消费增长角度看，各产业对能源资源的需求与消耗逐年上升，中国能源供应面临很大的挑战，能源资源供需不平衡将导致我国对外能源依赖度逐年增加，最为突出的是石油。

按照目前石油探明储量和各大油田的生产能力估算，今后国内原油增产能力有限，约为每年1.8亿～2.0亿吨，而2020年我国石油消费量却可能增至5亿吨[29]。

以国际通用口径估计，目前我国交通行业能源消费量约占全国总用能量10%[30]，根据《中国统计年鉴2009》[31]、《中国能源统计年鉴2009》[32]统计，2007年我国交通运输、仓储和邮政业共消费能源20643万吨标准煤，其中用能以油气为主，占全国石油消耗量的40%左右；大约95%的汽油、60%的柴油和80%的煤油被各类交通工具所消耗，见表2-1。

数据来源：根据《中国统计年鉴2009》、《中国能源统计年鉴2009》整理
能源资源具有可耗竭性、稀缺性、不可逆性和可替代性等特征，前三种特性使得能源对于经济发展构成一种刚性约束，而可替代性使得这种约束的刚性有可能被软化，使得人类有可能通过能源替代战略的有效实施，来保证经济发展的可持续性。

实施能源替代可行性的大小或其效应的空间依赖于以下三个主要因素：。