将伊斯坦布尔的公交快速交通系统转换为使用绿色氢能：一项环境与经济分析

《Environmental Impact Assessment Review》：Transitioning Istanbul's bus rapid transit system to green hydrogen: An environmental and economic analysis

绿色氢能公交替代柴油的环境影响与经济性评估研究。通过集成GCM气候模型与XGBoost机器学习算法预测可再生能源产出，结合MILP优化确定光伏-风电系统配比，运用LCA/LCCA评估显示氢能公交碳排放仅为柴油的5.2%，运营成本降低至$0.68/km，并建立碳定价与政策激励的协同分析模型。

　　研究者Denizhan Guven来自土耳其伊斯坦布尔技术大学的欧亚地球科学研究所，他的一项研究聚焦于评估将伊斯坦布尔的快速公交系统（BRT）从柴油动力转换为绿色氢动力公交车的环境和经济影响。这项研究在应对全球温室气体排放问题上提供了新的视角，尤其是在城市交通领域。

交通行业是全球温室气体（GHG）排放的主要来源之一，约占二氧化碳（CO?）排放总量的25%。其中，公路运输贡献了大约76.6%的排放，这主要是由于对柴油和汽油等化石燃料的依赖。这些燃料的燃烧不仅释放大量的CO?，还会产生其他污染物，加剧全球变暖，并导致海平面上升、极端天气事件频发以及极地冰盖融化等严重后果。尽管BRT系统相较于私人汽车使用更为高效，且在缓解交通拥堵方面具有显著优势，但多数BRT线路仍依赖柴油动力，成为温室气体排放的重要来源。

随着城市化进程的加快，公众对公共交通的需求不断上升。因此，向更清洁、可持续的能源转型变得尤为迫切。绿色氢气作为一种潜在的替代能源，其生产过程利用可再生能源进行水电解，不产生排放，而使用氢燃料电池为公交车提供动力时，唯一的副产品是水蒸气。这种零排放特性使得绿色氢气成为减少公共交通碳足迹的理想选择。此外，绿色氢气的使用还能提升能源安全，促进氢相关产业和技术创新的发展。然而，实现这一转型仍面临诸多挑战，包括高昂的初始成本、基础设施建设需求以及可再生能源在特定地区的可用性限制。

全球范围内，公交车的碳排放量持续增长。据国际能源署（IEA）2023年的数据显示，2022年全球公交车的碳排放量达到4.52亿吨，比前一年增长了1.1%。这一增长趋势突显了推动可持续交通政策和投资的紧迫性。尽管电动汽车和混合动力公交车技术取得了显著进展，但它们的普及率仍然不足以抵消传统柴油车队的排放。因此，绿色氢气公交车作为一种清洁替代方案，可能在减少温室气体排放、改善城市空气质量以及支持全球气候行动方面发挥关键作用。

绿色氢气在公共交通中的应用也得到了多项研究的支持。例如，欧洲联盟的一个联合体正在部署1000辆氢动力公交车，其中600辆计划在2023年投入使用。这一举措表明，绿色氢气正在成为全球可持续交通转型的重要组成部分。预计未来公交车将占全球氢气需求的4%以上，进一步凸显了氢气在城市交通领域的重要性。已有大量研究表明，氢燃料电池相较于传统内燃机在减少温室气体排放方面具有显著优势。例如，一项研究指出，氢燃料电池公交车可减少至少70%的温室气体排放，而另一项研究则发现，氢气公交车的全球变暖潜力低于柴油和压缩天然气（CNG）公交车。这些发现强调了清洁氢气生产方法在推动可持续交通方面的重要性。

然而，关于氢气在高容量BRT系统中的应用研究仍存在不足，尤其是在新兴经济体中。本研究填补了这一空白，通过一个全面且创新的生命周期评估（LCA）和生命周期成本评估（LCCA）框架，分析将伊斯坦布尔BRT系统中286辆柴油公交车替换为配备先进锂离子电池化学技术的氢燃料电池公交车的环境和经济影响。本研究的一个重要创新在于其动态建模方法：不同于以往研究中对可再生能源可用性的静态假设，本研究利用全球气候模型（GCM）的多模型集合（MME）与XGBoost机器学习算法相结合，预测未来风速、太阳能辐射和温度等关键变量，这些变量直接影响氢气的生产。通过这种方式，研究能够更准确地模拟氢气生产的环境条件，并结合混合整数线性规划（MILP）优化模型，确定最适合当地环境和空间限制的浮动光伏（PV）和风能系统容量组合。

本研究还首次将技术、环境和经济因素整合在一个统一的框架中，评估不同碳定价机制和财政激励政策对绿色氢气在公共交通中经济可行性的潜在影响。以往的研究通常将这些因素孤立分析，而本研究则通过综合模型，为政策制定者和投资者提供了更具操作性的见解。这种集成方法不仅有助于提高研究的全面性，还为其他城市地区在推动其公共交通系统脱碳方面提供了可复制和可调整的方法论支持。

研究结果表明，绿色氢气公交车在每公里的二氧化碳当量排放方面显著低于柴油公交车（173.91 gCO?-eq./km vs. 3335.34 gCO?-eq./km），并且在经济成本上更具优势（$0.68/km vs. $0.825–$1.095/km）。此外，研究还估算了电力和氢气的平准化成本，分别为$29.95/MWh和$4.51/kgH?。这些数据为政策制定者提供了重要的参考，帮助他们权衡环境效益与经济成本，制定更为合理的可持续交通发展战略。

在方法论部分，本研究首先对十三个全球气候模型（GCMs）的每日数据进行了处理，将其统一转换为1°×1°的网格格式。随后，这些标准化数据与ERA5数据进行了比较，采用Kling-Gupta效率（KGE）、修改后的同意指数（md）和归一化均方根误差（nRMSE）等指标评估其准确性。最终，研究确定了排名前四的GCM模型，以确保气候预测的可靠性。这些模型的多模型集合（MME）是通过XGBoost机器学习算法生成的，以提高预测的精度和稳定性。

在案例研究部分，本研究以伊斯坦布尔的BRT线路作为研究对象。该线路由六条独立但路线相同的线路组成，其中最长的线路长达52公里，最短的则为11.5公里。截至2023年，该线路共有646辆公交车在运营，但由于燃料数据的限制，研究仅考虑了其中的286辆公交车。这些286辆公交车的年燃料消耗量为18,391,194升，这一数据对于评估氢气替代方案的可行性至关重要。

在气候预测部分，本研究基于Guven（2023）的研究成果，选取了四个GCM模型用于预测研究区域的未来气候变量。经过严格的筛选过程，ACCESS-CM2、ACCESS-ESM-1-5、INM-CM4–8和INM-CM5–0模型被确定为最能准确反映研究区域气候特征的模型。这些模型的多模型集合（MME）是通过XGBoost算法生成的，以提高预测的准确性和可靠性。研究结果表明，这些模型能够有效预测风速、太阳能辐射和温度等关键变量，为氢气生产的优化提供了坚实的科学基础。

研究的结论部分指出，本研究是首个系统评估将柴油公交车转换为绿色氢气公交车在伊斯坦布尔BRT系统中的环境和经济影响的研究。通过结合全球气候模型的预测数据，本研究为伊斯坦布尔的交通系统提供了量身定制的分析框架。将GCM与LCA/LCCA方法结合，不仅提高了氢气生产与使用过程中环境和经济评估的准确性，还为其他城市地区在推动公共交通脱碳方面提供了可借鉴的经验。

在研究过程中，作者使用了ChatGPT 4.0来提升文章的可读性和语言表达。在利用该工具后，作者对内容进行了仔细的审阅和编辑，并对研究成果的准确性和完整性承担全部责任。此外，作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本研究的发表。

综上所述，本研究不仅在理论层面为绿色氢气在公共交通中的应用提供了新的视角，还在实践层面为城市交通系统的可持续转型提供了可行的路径。通过综合考虑环境、经济和技术因素，本研究为政策制定者和投资者提供了科学依据，助力实现更加清洁、高效和可持续的城市交通体系。