中国城市公交系统脱碳的扩展生命周期评估框架

《Sustainable Production and Consumption》：An extended life cycle assessment framework for decarbonizing urban bus systems in China

　　摘要：本研究构建了一个扩展的生命周期评估框架，从资源、环境和经济层面评估九种城市公交燃料方案。该框架将生命周期评估与多目标优化相结合，用于在以环境优先、经济优先以及均衡发展为不同场景下确定最优的公交车队配置。生命周期评估结果显示，燃气电动混合动力公交车的全周期能耗最低，仅为传统柴油公交车的82.2%。电池电动公交车和绿色氢燃料电池公交车的全球变暖潜力最低，而液化天然气公交车的全周期成本则最低。优化结果表明，不同场景及城市下的公交车队结构存在差异：在环境优先的前提下，北京以燃气电动混合动力公交车和灰氢燃料电池公交车为主，上海则以燃气电动混合动力公交车为主，广州则是电池电动公交车和燃气电动混合动力公交车占主导；在经济优先的前提下，北京更倾向于使用柴油电动混合动力公交车和电池电动公交车，重庆则偏好电池电动公交车，西安则以燃气电动混合动力公交车和柴油电动混合动力公交车为主，沈阳则以燃气电动混合动力公交车占据主导地位。在均衡发展场景下，由于当地能源资源、基础设施、地形条件及气候因素的影响，会出现多种多样的多元燃料组合。这些研究结果将生命周期评估的应用从单纯的路径比较拓展到了针对特定地区和场景的公交车队决策支持。

引言：城市公交系统是公共服务体系的重要组成部分，但其规模的持续扩大使得降低碳排放的难度日益增加。作为高使用频率的交通工具，公交车是交通运输领域中排放量较大的来源之一。截至2024年，中国的城市公交和无轨电车总量已达658,100辆，每天承载的客流量超过1亿人次（Ju等人，2025；Li等人，2025a；Mahmoudi等人，2025；Gong等人，2025）。如此庞大的规模带来了巨大的碳足迹。例如，仅北京市的一家主要公交运营企业，在2024年就产生了950,000吨的二氧化碳排放量（Yan等人，2025；Wang等人，2025a；Wang等人，2023）。从全国范围来看，公交车的排放问题已成为实现碳中和目标的重要障碍，这凸显出有必要对各种替代燃料进行系统评估，以实现深度脱碳（Lubecki等人，2025；Brancaleoni等人，2025）。许多国家都在采取措施减少公共交通领域的排放，包括推行电气化要求、零排放公交车计划以及提供财政激励措施（Pan和Shittu，2025；Mu?oz等人，2022；Iannuzzi等人，2021；Di Matteo和Guadagno，2024；Hensher等人，2022）。与此同时，中国自2015年起也加强了相关政策体系的建设，出台了多项战略规划及补贴政策（补充材料A，表S1）。通过这些共同努力，过去十年间中国新能源公交车的普及率已达到98.8%，行业碳排放量则减少了70%（Lubecki等人，2023）。到2025年，已有74个城市被列为国家公交都市示范城市（中华人民共和国交通运输部运输服务司，2023）。图1根据中国交通运输部发布的官方信息，展示了这些城市的地理分布情况。目前，公交车所使用的动力系统技术越来越多样化（Mahmoudi等人，2025；Nie等人，2022；Kuyumcu等人，2024；Karaca等人，2022）。中国的公交系统已从以柴油为主逐步转变为涵盖天然气、电池电动、混合动力、生物柴油以及氢燃料电池等多种技术的混合动力架构（Mao等人，2020；Chang等人，2019；Ge等人，2025；Zhang等人，2022；Hu等人，2024a）。为便于直观对比不同类型公交车的结构差异，图2在一个统一的框架下展示了各类替代燃料公交车的核心组成部分。图2下方的组件列表明确了每种公交车类型的结构组合，表1则总结了九种燃料方案的生产流程。不同类型公交车对应的组件组合如下：•柴油动力公交车：2–3–5–7–8–9–10–14–15–16–17–18–19–20–23；•天然气公交车：2–3–4–5–7–8–9–10–14–15–16–17–18–19–23；•混合动力公交车：1–2–3–5–7–8–9–10–12–13–14–15–16–17–18–19–20–21–23；•电池电动公交车：1–2–3–5–6–7–10–11–12–15–16–21–23；•氢燃料电池公交车：1–2–3–4–5–7–8–9–10–12–18–19–20–21–22–23。这九种燃料方案被选为能够代表中国城市公交转型进程且具有可比性的研究对象，其中包括传统基准方案（柴油动力）、过渡性方案（压缩天然气、液化天然气以及柴油电动和燃气电动混合动力）、可再生液体燃料方案（生物柴油），以及零尾气排放技术方案（电池电动和氢燃料电池公交车）。压缩天然气和液化天然气因其在生产、储存、运输及加注方面的要求存在差异，故被单独评估；同样，柴油电动和燃气电动混合动力，以及灰氢和绿氢方案也因初级能源来源、上游排放及成本方面的不同而被分别分析。这些方案各自存在明显的权衡关系：压缩天然气和液化天然气公交车虽能降低运行过程中的排放，但受制于加注基础设施的发展状况（Lv等人，2023；Zhang等人，2025a）；混合动力公交车虽然在走停频繁的行驶条件下能提升燃油效率，但会增加动力系统的复杂性并提高维护成本（Kuyumcu等人，2024；Karaca和Dincer，2021）；电池电动公交车虽然能消除尾气排放，但其全周期性能取决于电力供应状况（Wang等人，2025a；Chen等人，2025a）；生物柴油目前还难以实现大规模应用（Zhang等人，2025b；Hu等人，2025）；而灰氢和绿氢在生产排放、成本及基础设施需求方面也存在显著差异（Li等人，2025b；Yin等人，2025）。这些挑战都表明，需要一个能够同时评估全周期性能、经济可行性以及区域特点的整合型框架，为城市公交的脱碳工作提供决策依据。鉴于中国城市公交系统存在的多样性，本研究构建了一个扩展的生命周期评估框架，该框架结合了生命周期评估与多目标优化技术，从资源、环境和经济三个维度对九种燃料方案进行评估。该框架被应用于六大地理区域内的代表性城市，在环境优先、经济优先以及均衡发展三种政策场景下，用于确定特定场景下的最优公交车队配置，并分析区域特征对技术转型进程的影响。本研究的主要贡献如下：•构建了一个扩展的生命周期评估框架，将该框架与多目标优化相结合，从而能够在考虑燃料使用周期和车辆全周期状况的前提下，对各类替代城市公交技术进行评估与优化；•建立了一个统一的生命周期评估框架，可用于量化九种替代燃料公交车方案在能源消耗、水资源使用、环境影响及经济成本等方面的表现；•确定了不同场景下的最优车队配置，并分析了区域资源状况、能源结构以及政策优先级等因素对技术转型路径的影响；•所提出的框架为城市公交的脱碳规划提供了一种可推广的决策支持方法，有助于制定符合各地实际情况的低碳转型策略，而非采用统一的技术应用路径。

文献综述：现有研究中，针对替代燃料公交车的评估大多采用基于生命周期评估的模型。这些研究从三个主要维度分析能源消耗、环境影响及经济成本（Zhao等人，2024a；García等人，2022；Pourahmadiyan等人，2021）。大多数研究遵循ISO 14040/14044生命周期评估框架（Li等人，2025a；Tam等人，2022），不过对于评估体系的深度和范围，不同研究之间存在差异。

方法论：本研究旨在通过同时最小化三个与车队相关的生命周期目标，来确定城市公交车队的最佳构成：即整个车队的全周期能源消耗、整体车队的全球变暖潜力值以及整个车队的全周期成本。这些目标并非彼此相互矛盾，该模型能够反映不同燃料方案以及在不同政策场景下这些目标的相对表现差异。决策变量为每种燃料技术类型在车队中所配备的车辆数量。

结果与讨论：本部分介绍了生命周期评估及多目标优化的结果，并结合每种燃料方案的资源、环境、经济以及部署方面的权衡关系对这些结果进行了解读。

政策建议：生命周期评估与多目标优化的结果表明，不存在一种适用于所有城市及所有政策优先级的最佳技术方案。因此，城市公交转型政策应当将技术方案的生命周期性能与当地的资源状况、基础设施完善程度以及财政能力相匹配。(a)环境优先的部署策略：那些以降低全球变暖潜力值为目标的城市，应当基于技术的完整生命周期而非仅考虑尾气排放情况来选择合适的技术。广州可以加快电池电动公交车的推广速度，并进一步完善充电设施。

结论：本研究构建了一个将生命周期评估与多目标优化相结合的扩展框架，用于评估九种城市公交燃料方案，进而确定适合不同地区和不同场景的公交车队配置。主要结论如下：(1)从资源利用的角度来看，燃气电动混合动力公交车的全周期能耗最低，仅为传统柴油公交车的82.2%。而由于灰氢生产带来的上游成本问题，灰氢燃料电池公交车的能耗则是传统柴油公交车的11.76倍。电池电动公交车的能耗则处于中间水平。

作者贡献声明：郑晓阳：撰写原始稿件、可视化处理、数据调研；李成江：撰写审阅稿件与编辑工作、可视化处理、方法设计；蒋金宇：撰写审阅稿件与编辑工作、正式分析；郝倩文：方法设计、正式分析；杨静：验证工作、项目监督、正式分析；张伟：撰写审阅稿件与编辑工作、方法设计、概念构建。

关于写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明：在撰写本文时，作者们使用了ChatGPT来提升文本的语言表达质量和清晰度。在使用该工具之后，作者们对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表的内容承担全部责任。

资金支持：本研究得到了中国国家自然科学基金的支持（资助编号为72564011、72464005以及MS[2026]162）。

未引用参考文献：中国国家统计局能源统计司，2025；中国国家统计局城市社会经济调查司，2025；He等人，2022；Lajunen和Lipman，2016；Lee等人，2023；Liu等人，2021；Rogge等人，2018。

利益冲突声明：作者们声明自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

作者名单：郑晓阳|李成江|蒋金宇|郝倩文|杨静|张伟

单位：中国贵州大学管理学院，贵阳，550025