城市规划与发展战略
城市综合交通
公共交通与非机动化出行
活力街区、街道与城市设计
量化城市与大数据
原文 | Cambridge Systematics (Christopher Porter; Martin Milkovits; Xiao Yun Chang; Scott Boone)
翻译 | Jayne C、杨绿野、孙玉婷、邓吉浩、朱结好、
林中朴、刘艺玺、小考拉、胡玥、苗雪琪、杨志威
编辑 | 众山小 校核 | 相欣奕
文献 | 杜振宇 排版 | 杨骏
微博 | weibo.com/
波士顿一直居于美国最适合步行和骑行城市之列,当前三分之一城市出行采用公共交通。气候变化大敌当前,波士顿的碳中和计划主要着力点在于交通。即便公交基础已然如此强大, “碳中和”交通系统的构建仍需要城市交通的巨大变革。着眼于此,波士顿拟采用三种方式来构建“碳中和”的交通运输系统:①小汽车出行向公共交通、骑行和步行扭转;② 鼓励在便捷公交覆盖街区高密度开发和建设经济适用房,从而减少小汽车出行;③ 替换为低碳或零碳燃料的清洁车辆。上篇包含内容如下所列:首先,剖析波士顿的交通系统现状以及现下与交通体系碳减排相关的各层级规划和政策。其次,对2016年至2050年之间的交通温室气体排放量进行基线统计与预测。第三,使用两个模型对低碳交通政策进行分析。调整输入数据,可以计算各种政策情境的影响。基于以上分析,提出重点关注领域的相关政策以及策略建议。此外,本篇最后提供了基于行业预测和政策建模的电力驱动车辆情境分析。
对于波士顿的工作者、居民和游客,交通把他们与生计、医疗、教育、休闲、文化以及其他生活设施相连。在城市里,公交是决定社会流动性的一个关键因素。然而,包括波士顿在内的许多城市交通系统都不能完全满足市民这些方面的需求。即便如此,波士顿仍可以扩大所有居民的移动性,同时减少因交通运输产生的温室气体排放,而这需要改变以汽车为主的交通系统。取缔化石燃料,加上更多的公共交通、步行和骑行,将有效减少空气污染和交通事故,并大大减少交通对公共健康的影响。波士顿政府在这方面已经有相当的优势。波士顿一直被评为美国最适合步行和骑自行车的城市之一,城市中已经有三分之一的乘客选择乘坐公共交通工具出行。
波士顿采用了三种方式来构建“碳中和”的交通运输系统:
即使波士顿拥有强大的公交基础,构建“碳中和”的交通系统也需要对城市的交通文化进行大规模改变。该项目的成功取决于新技术的采用,并通过强有力、公平和明确的计划和投资,以及与各州和地区合作伙伴的有效合作来影响实施行为与举措。
大量进出波士顿以及波士顿内部的交通造成了每年约200万吨的温室气体排放。波士顿75%的温室气体排放来自于载客车辆,另外15%来自卡车,10%来自公共交通。温室气体排放受三种因素影响——驾驶总量、车辆的燃油效率以及所用燃料的碳燃烧强度。如果不进一步采取行动,波士顿的交通温室气体排放量预计到2030年将下降28%,到2050年将下降40%,这主要是由于目前采用的联邦和州的油耗标准。尽管这看起来有着明显的改善,但还不足以实现2050年波士顿实现碳中和的目标。
在不影响移动性的前提下,使用低碳或者零碳燃料的清洁车辆是实现碳中和的基石。当前最可行的方案似乎是在清洁能源网发展的环境下车辆的电气化转变。实现广泛的电气化将需要当地的政策支持和激励措施,例如对家庭、工作地和公共充电基础设施的投资,以作为电动汽车技术的进一步发展和成本降低的补充。然而,2050年完全电气化可能会使电力需求在2016的基础上增加25%。
假如保持现状,尽管人口会进一步增多,车辆出行里程(VMT)将保持稳定,因为人口增长主要发生在位于中心位置的公交丰富的街区。实施清洁的交通投资和政策,包括出行收费、公交投资、慢行设施改进以及其他减少传统汽车出行的措施,最多可将VMT降低约30%,同时减少温室气体排放。清洁的交通投资将对提升移动性、构建宜居社区、创造更加公平的交通方式以及促进城市的经济增长带来重大利好。运力、效率和可靠性的提高对于适应城市的人口和就业增长至关重要,加之由于人们通常居住在靠近城市中心和交通效率高的地区,这将有效降低区域VMT以及减少温室气体的排放。减少VMT还将减少对为电动汽车提供动力的新清洁能源的需求。
智能交通方式,例如网约车服务和自动驾驶车辆,可能会以尚不明朗的方式改变交通发展。在当今的政策环境中,网约车和自动驾驶可能主要服务于单乘客出行,这样反而会增加VMT和温室气体排放。因此,我们需要城市政策来对这些新兴的交通出行方式进行管制,增加合乘出行。
进出波士顿的交通造成了波士顿四分之三的交通温室气体排放。加强与邻近城市的合作,并且加深与邻近州和地区政策的联系,才能让实施清洁交通政策和激励措施的好处充分展现出来。
波士顿市及其地方、区域和州合作伙伴的政策行动包括:
通过年度资金计划和预算计划来达到革新机动车辆(例如购买电动汽车、建造公共充电站以及一些推广项目)和促进清洁基础设施发展的目的(例如单设自行车道、建立快速可靠的中转换乘等)。
实施短期土地使用政策以影响建成环境,为未来的清洁出行创造条件(例如,电动汽车充电前期整备,为新发展领域扩展TDM要求)。
随着时间的推移,制定试验和推行政策以引导新兴的出行方式发展(例如,基于合乘率的出行定价、限制空间管理措施等),因为当这些技术得到更广泛的应用后便可以评估政策带来的影响。
对长期政策进行开发、分析和试验,例如拥堵收费、停车收费或内燃机运行限制等政策。
本研究的着眼于两种一般性的减排方法:通过出行方式转移来减少低乘载量汽车的使用,以及汽车电气化。可以想象,电气化战略本身可以在没有任何出行模式改变的情况下实现碳中和。乐观来说,如果给电动汽车充电就像给普通汽车加油一样简单,这种过渡很容易发生。另一种情况下,城市中电动汽车充电设施可能受到限制,这种情况下对燃油汽车的持续依赖将使波士顿成为美国最拥挤的城市之一。虽然在这种情况下电气化仍然可以实现碳中和,但城市环境的吸引力会降低,导致更多的居民和企业选择在城市核心之外生存,从而造成在郊区的生活和经济活动的碳强度更高。低收入人群则继续承受着漫长而昂贵的出行。
因此,我们将分析重点放在了更广泛的系统解决方案上,这些解决方案有利于促成一个更加高效、经济和公平的交通系统,也使系统更容易实现电力化。实现这一目标需要采取策略来减少城市地区的车辆需求,以及快速可靠服务的现代化公交系统作为基础。电动汽车带来的效率增长导致车辆需求下降,道路与边侧空间可以重新分配为公共汽车专用道和自行车道。拥堵减少也让骑行者和行人更安全。
这种完整系统解决方案还可以促进减排并带来更广泛的效益。我们下面的分析首先评估单一战略的影响,然后分析如何将这些战略整合在一起,以实现更高层次的温室气体减排目标,同时改善波士顿交通的移动性和可达性。
相比于美国大多数社区,波士顿的城市结构和交通系统实现了更低的人均温室气体排放量。波士顿有六条快速公交线路,多条高频公交线路以及渡轮线路;波士顿的大多数街区都是步行街,被认为是全美最好的步行城市之一。不到一半的波士顿居民开车上班。近年来,波士顿还投资骑行设施建设,骑自行车的通勤人数增加了3%以上。波士顿居民平均每年行驶约4300英里,大约是全美平均8800英里的一半。
尽管如此,波士顿因交通运输排放的温室气体量仍然很大。2013年,因交通运输排放的温室气体占城市温室气体排放总量的27%,几乎整个交通系统都使用化石燃料。与电力部门相比,交通运输减少排放的速度要慢得多,而电力部门已经转向使用更清洁的燃料。若要到2050年波士顿实现碳中和的目标,企业和居民需要大幅减少或消除使用产生碳排放的所有能源用途,包括交通运输。
波士顿的交通运输状况受到来自州、区域、城市本身制定的政策、计划和资金决策的影响。以下将详细阐述这些计划中提到的温室气体排放和削减战略,以及区域和州机构开展的以温室气体为重点的研究。现有计划通常着眼于鼓励使用公交、步行、自行车、清洁车辆、以及交通运行的改进来减少城市及其周边城镇的温室气体排放。然而,最近对州和地区机构的分析表明,在当前资金和政策的限制下,交通机构独自采取的措施对减排效果近乎于零。本报告考虑了波士顿及其合作伙伴为实现碳中和目标需要实施的其他措施。
波士顿为提高城市交通移动性的远景方案是《2030波士顿愿景及行动计划》(以下简称《波士顿2030》)。
《波士顿2030》是一项由居民驱动的计划,它既可以确定目标,也可以确定具体项目。它关注的议题有:更加可靠和可负担的交通选择,工作地点的可达方式,步行和骑行条件的改善等等。该计划的愿景框架包括三项指导原则之一的“气候响应”(包括减少排放),同时也包括了创造公平和经济的机会。
《波士顿2030》设定了令人向往的目标:公共交通出行增加三分之一,步行出行增加一半,非机动车出行增加四倍,同时减少一半的开车出行。该计划还设定,到2030年交通运输产生的温室气体减少到2005年水平的50%,并指出这将需要与周边社区合作,通过低排放车辆和合乘来影响波士顿周边的交通出行。
《波士顿2030》2030是一项理想的计划,需要其他合作伙伴(如MBTA)的支持和资金才能全面实施。通过波士顿市每年更新的五年资本计划,可以实施诸如改善当地街道和道路等资本项目。2017年,波士顿推出了《Imagine Boston Capital Plan》,投资于《波士顿2030》的核心目标和其他计划。《2019—2023财年投资计划》确定为实施《波士顿2030》中的核心计划提供9.67亿美元的联邦、州和地方的资金,包括建设更安全的街道、可靠和可预测的出行和优质的交通选择,以及使系统保持良好维修的状态(state of good repair)。《Imagine Boston 2030: A Plan for the Future of Boston》要求提供大量的混合用途住房,并鼓励在现有社区周边的交通可达区域增加就业机会。《Housing a Changing City: Boston 2030》旨在于2030年建设53000套新住房的计划。它要求波士顿“优先考虑公共交通的新设施并增加其他交通方式的选择”,包括探索停车标准的改革以适应非汽车化的发展,并加速实施波士顿的《慢行完整街道指南》。
波士顿的交通系统必须着眼于整个区域。波士顿地区大都会规划组织(MPO)负责该地区的远景交通规划和资本规划,包括使用联邦资金的所有项目和计划。《Charting Progress to 2040》(2015年采用)是最近实施的长期计划,它为未来25年内联邦公路基金的28.5亿美元计划制定了一个长期愿景。该计划代表了以前计划的重点转移,将大约一半的MPO资金用于支持公交系统,自行车、步行项目。该计划提出了以下愿景:
一个公平、安全、快速的现代交通系统,采用新技术,提供多样化的交通选择 —— 以支持可持续,健康,宜居和经济活跃的波士顿区域。
2018年2月,MPO发布了一份题为《波士顿地区温室气体减排战略展望》的报告。本报告对建立于波士顿地区MPO 发布的《温室气体减排战略备选方案:成本效益分析报告》的基础上,并详细说明了东北和中大西洋各州其他交通机构和MPO采用的具有成本效益战略的结果。该报告确定了九项具有相对较高的成本效益和/或温室气体减排潜力的“可行性战略”:
工作场所出行需求管理
远程办公
交通服务的个性化营销
合乘
汽车共享
步行设施改善
骑行设施改善
车辆购买信息(主要是促进电动车购买的政策)
停车管理
《WeMove Massachusetts》是马萨诸塞州交通局(MassDOT)于2013年采用的远景交通计划。该计划引入了基于绩效的全州投资方法。该计划指出,温室气体减排是一项重要的绩效衡量指标,MassDOT将致力于制定和完善各种目标的可量化指标。MassDOT的资本投资计划每年更新一次,它通过确定特定项目的资金来实施《WeMove Massachusetts》。近年来,MassDOT已开始估算与CIP项目相关的温室气体减排量,包括共用道路、完整街道、公交项目和智能交通系统(ITS)项目。
《GreenDOT》是MassDOT的全面倡议,旨在通过减少温室气体排放,使该机构成为“绿化”国家交通系统的全国领导者,以及促进步行、骑自行车和公共交通的健康交通选择并支持智能增长发展。GreenDOT的目标是设计一个多式联运系统,包括增加骑行设施和改善交通性能;发展健康的交通选择和宜居社区;慢行交通模式份额增加三倍绿色道路行动的全州温室气体减排潜力估计在2020年为100万公吨(吨)二氧化碳当量(CO2e),占该州1990年库存的1.1%。据估计,2020年智能增长将贡献额外的40万吨二氧化碳当量。随后,MassDOT为MPO提供了有关温室气体排放评估和报告的指导。
2015年,MassDOT开展了一项研究,使用联邦EERPAT模型对交通温室气体减排政策进行建模。2030年全州温室气体排放量将可能再减少2%至5%,2到050年减少3%至5%。
根据2008年全球变暖解决法案,《马萨诸塞州2020年清洁能源和气候计划》符合州的要求,有助于解决温室气体排放问题。2010年初CECP以及2015年的修订版确定了“到2020年实现温室气体减排量至少比1990年水平低25%”的政策,并进一步努力实现到2050年减排80%的长期目标。2015年CECP更新要求波士顿制定2030年和2040年的临时目标。
马萨诸塞州环境政策法案(MEPA)也涵盖拟议开发项目的温室气体排放。修订后的MEPA温室气体排放政策和议定书要求某些类型的项目来估算项目的温室气体排放,包括车辆出行的温室气体,以及确定和承诺减缓措施。
最后,马萨诸塞州已采取政策措施来支持零排放车辆。该州是九个东北和西海岸州之一,采用加州的零排放车辆(ZEV)法规,要求到2025年增加零排放车辆的销售。为了支持ZEV法规的实施,2018年6月,该州加入了八个州。其他东北和西海岸各州在2018 - 2021年发布了新的零排放车辆(ZEV)行动计划。该行动计划以2014年ZEV行动计划为基础,为各州政府、汽车制造商、经销商、公用事业、收费和加油公司以及其他主要合作伙伴提供80项市场支持行动建议,以加速消费者采用零排放车辆,包括插电式混合动力车和电池电动车和氢燃料电池车。联邦实施的行动包括购买或租赁电动汽车(EV)的回扣、充电站设备的奖励以及EV的试驾活动。
对2016年至2050年之间的交通温室气体排放量进行基线统计与预测的结果表明,进出波士顿与波士顿内部的出行造成了每年约两百万吨的温室气体排放,75%的排放来自客车,15%来自货运,10%来自公共交通。
基线数据来源涵盖的交通方式包括轻型车辆、重型车辆、轨道交通、水陆交通,排除了城际客运轨道交通(Amtrak)、空运、城际水陆交通(长途游轮等),以及一般交通路网以外的活动(如机场的地面车辆、施工现场的起重机)。
基线统计只包括至少一端在波士顿范围内(“起始点”计算法)的出行,与波士顿2016年的《社区温室气体统计》采用的使用波士顿境内全部排放(“境内”计算法)计算方法不同,两种都被美国地方政府永续发展理事会所接受,而前者因其与城市内导致出行的活动直接相关而被推荐。该计算方法如下:
起始点都在波士顿的出行:纳入所有排放
只有一端在波士顿的出行:纳入一半的排放
经过波士顿不停留的出行:不纳入计算
由于数据局限性,这种计算方法只用于轻型汽车与卡车,而公交的排放量按照其路网在波士顿内部的比例计算。
尽管电动车目前只占市场一小部分,但未来会有显著的增长,因此我们的基线统计也包括为电动车提供电力时发电所产生的排放,而这部分排放又可能被算在本项目建筑部分中,可能导致重复计算。现阶段无法将为电动车充电使用的电力与其他电力区分开,因此难以统计这部分的电力使用并实施相应的政策手段。
我们主要的数据来源是:
CTPS出行需求模型:CTPS隶属波士顿MPO,使用四步模型对整个区域的交通需求进行建模,我们使用2016年数据作为模型的基准年,以及2040年包含了人口增长与就业变化的模型结果。
用于MOVES模型的数据:该数据使用马萨诸塞州的车辆管理局的车辆登记信息,经过州环保局的分析处理,一般用于美国国家环境保护局开发的MOVES机动车排放仿真模型。
国家公共交通数据库(National Transit Database,NTD)与公交GTFS数据。
美国国家能源局的AEO(年度能源展望):用于估算不同排量种类的汽车占比以及耗能,包括2018年的AEO参考案例和2050年的预测。
波士顿市的2015年车辆数据(如市政车辆、校车等)
我们还使用了一系列数据估算不包括在CTPS模型内的网约车、出租车、共享车、租赁车的行驶里程与排放。城际巴士数据来自CTPS模型。
波士顿MPO下属的MAPC(Metropolitan Area Planning Coucil)也建立了登记车辆的行驶里程与能耗数据,本报告使用了2009-2014年的分析结果,其中车辆被分为家用与商用两种,主要目的是统计“常驻“于波士顿车辆的行驶里程与排放。MAPC也对网约车比例进行了统计,结果显示3.6%起始于波士顿与3.9%去往波士顿的旅次使用网约车。
其他数据包括:
图1显示了波士顿市人口与就业的增长预估,这些数据也用于CTPS模型。2016年至2040年就业预计增长7%,其中服务业将增长20%,零售与教育业缓慢增长(4-8%),基础行业下降9%;人口预计增长13%至74.4万,家庭数增长16;将上述数据外推,将得到2050年的人口与就业总数,分别比2016年高出22%与11%。
图一. 波士顿市人口与就业2016年与2040年预估
相比整个CTPS模型区域包含的164个城镇,波士顿拥有整个区域24%的就业与14%的人口。图2显示预期的每平方英里人口与就业增长,其中波士顿市中心与South End增长最明显,其次是South Boston Waterfront,、North End、 West End、Back Bay、Fenway、Longwood等。
图3显示基于CTPS模型不同类型汽车的VMT预测值,2040年比2016年只高出2%,人口与就业增长导致轻型汽车VMT增长3%。VMT增长低于人口与就业增长,说明未来的增长可能位于交通效率高的地区。轻型与中型卡车VMT预期下降10%,可能主要由于经济转型,需要卡车运货的行业就业减少;重型卡车VMT保持不变。我们假设2016年与2040年的VMT增长率持续不变至2040年。不过需要注意的是,CTPS模型的基础数据之一是2011年的家庭出行调查,因此不包括后来出现的网约车。
图三. 2016年与2040年起/始于波士顿出行的VMT
图4是每种汽车的预期每加仑英里数当量(miles per gallon of gasoline equivalent),其中汽车与卡车的数据来自2018年AEO报告,其中包括2017-2025模型年轻型汽车的温室气体排放与能耗标准、重型汽车2014-2018年第一阶段与2019-2017年第二阶段的标准,假设现有的政策不变。图5是预期的公共交通车辆燃油效率,基于2016年MBTA向NTD报告时提供的数据。校车的数据来自于美国能源局的Alternative Fuels Data Center,按照MBTA的公交巴士效率调整参数下调约10%,以适应波士顿的驾驶情况。城际巴士数据来自M.J. Bradley Associates。公交、校车、城际巴士均按照AEO的预期未来效率提升进行了调整。轨道与轮渡在2016年的基础上预期于2030年增加3%,于2050年增加10%。
电动车的温室气体排放(以二氧化碳当量为单位)取决于电网本身的碳强度。基线的排放预测与本项目电力部分保持一致,如图6所示,在2016年与2050年间下降75%;图中也比较了传统汽油与“2050年零碳”和“2030年零碳”的路径。虽然2016年电力的单位能量碳强度仍高于汽油,电动车的效率比燃油车辆高3倍,因此总体排放仍然降低,电动车的优势也会随电网的碳强度减低而更加明显。生物燃料不在本项目的考虑范围内。由于美国环保局的可再生能源保准(RFS2),现今汽油当中包括最高10%的乙醇。由于生物燃料源自可以吸收碳的植物,可能会减少总体生命周期碳排放,但本数据统计只包括尾气排放。
预测的年度温室气体排放如图7所示。2016年的排放约二百万吨二氧化碳当量,其中轻型汽车占150万吨(75%),卡车占30万吨(15%),公交占20万吨(10%)。2025年的总量将下降到120万吨,各项占比大致不变。当2035年汽车新旧更替、现在的排放标准效果完全显现时,会有显著的下降。图8按照排放来源提供2016年的细节信息。
根据MAPC马萨诸塞州汽车普查,2015年居民车辆出行里程(VMT)为28亿,温室气体排放约111万吨,其中约四分之三来自家用车辆,四分之一来自商用车辆。与上述轻型车辆的2016年CTPS模型结果相比,居民车辆占72%VMT和温室气体排放的69%。基于车辆普查中报告的所有车型温室气体排放估算平均为21.2英里/加仑,而2016年轻型车辆的平均值为22.4英里/加仑(2015年为21.8)。由于车辆种类与操作条件的差异,车辆实际油耗可能不同。
图9比较了几年前对波士顿市社区VMT概估及温室气体的排放量的估算,以及CTPS模型统计汇总和预测以及居民车辆统计汇总数据(VMT不是CTPS模型本身的一部分)。2016年CTPS模型结果的VMT及温室气体的概估值比境内旅程的温室气体排放大约高21-22%。
统计汇总数据可能不具可比性。居民统计汇总数据包括在波士顿登记不论行驶地点的车辆温室气体排放。但是,它不包括在波士顿结束行程的所有非居民车辆(例如,从其他社区到市中心的通勤者)。车辆普查包括在波士顿登记的所有大型卡车及轻型车辆。境内统计汇总数据包括经过波士顿而不停车的车辆(不在行程末统计汇总数据中)的VMT,但它不包括波士顿开始或结束的长途旅行中的大部分里程和温室气体排放(例如,通勤往返于Worcester或Portsmouth,NH)。结束在波士顿的长途旅行的VMT的影响似乎超过了不在波士顿停留的旅行的影响。
图九. 波士顿”境内”、”起始点”计算法、和居民的VMT及温室气体排放量
图10证实了较长行程的巨大影响,图10显示了由波士顿到另一处位置行驶的VMT。在波士顿境内的行程不到统计中每日超过1000万里程的四分之一。I-95环形公路内的周边城镇行程占VMT总量的四分之一。I-95和I-495之间城镇的VMT占统计量的40%,I-495以外的行程占近10%。这说明波士顿大幅减少温室气体排放将需要与邻近社区实体合作,实施清洁交通方案,包括电动汽车所有权激励措施以及改善公共交通和共享交通方案。只有在城市范围内适用的政策才能实现城市的零碳交通未来。地理位置如图11所示。
图十. 波士顿地区其他行程结束位置的行程里程
资料来源:(CTPS出行需求模型(2016年),由Cambridge Systematics分析。)
VMT也可以由波士顿邻近社区预测。图12示出了由CTPS模型预测的人均家庭VMT。图13显示了每平方英里产生(来自于家庭)的日均VMT。图14显示了每个社区按出行目的产生的旅客出行里程(PMT)。波士顿市中心因其高度集中的就业机会创造了每平方英里最多的VMT,但是在偏远社区(West Roxbury,Roslindale,Hyde Park)的家庭比城市其他地区的家庭产生更多的VMT。West Roxbury,Hyde Park,Roslindale和Mattapan的偏远社区人均步行里程最高,行走距离比中心地区更长。然而,除前文提及四个街区,地理位置与人均步行里程之间没有明显的关系。这表明土地利用政策引导发展成更集中的街区应有助于减少温室气体排放,但是城市的大片地区土地使用模式和交通选择已经支持低碳旅行。
图十二. 基于家庭的人均每日VMT
资料来源:CTPS出行需求模型(2016年),由Cambridge Systematics分析。
图十三. 每平方英里生成的每日VMT总量
资料来源:CTPS出行需求模型(2016年),由Cambridge Systematics分析。
图十四. 以地区和目的划分的人均每日步行距离
资料来源:CTPS出行需求模型(2016年),由Cambridge Systematics分析。
步行里程还可能受到社会经济和人口因素的影响,例如收入和学生数,以及交通选择的可用性。此外,模型推算的VMT或步行里程与实际状况可能有差距。
图15展示了波士顿区域行程和每次旅行温室气体排排放之间的区域关系。该双色地图显示往返波士顿的每日行程和每次行程的平均温室气体排放量。 距离波士顿较远的社区进入波士顿的行程次数较少,但出行时间较长,因此每次出行都会对温室气体排放产生不成比例的影响。
图十五. 单次行程温室气体排放与基于波士顿邻近城镇的行程
假设当前政策和趋势延续,即可预测波士顿温室气体排放的潜在未来。然而,许多因素可能导致未来的排放量与预测不同,一些关键因素包括:
1.能源价格:远高于AEO(年度能源展望)预测的价格应导致消费者购买更高效的车辆或减少驾驶,从而减少温室气体排放。AEO包括“高油价”情境,到2025年汽油价格每加仑汽油价格上涨至5美元以上,到2050年每加仑汽油价格上涨6美元,显示2030年轻型汽车能源使用量减少11%,到2050年减少24%。图16显示了基准预测能源价格;考虑到新英格兰和美国之间的历史价格差异(也基 AEO数据),AEO的全国电价预测被放大了50%。图17显示了AEO模型如何预测轻型车辆出行里程,燃油效率和能源使用将对更高的油价做出反应。大多数响应都表现在减少行驶而不是提高燃油效率。这是因为现有的联邦温室气体标准已经将效率提升到了较高水平,最具成本效益的效率改进已经应用于满足这些标准。
2.总人口和就业的变化:预测基于波士顿人口和就业,其增长可能以比预期更高或更低的速度发生。波士顿市最近制定了经修订的人口预测,反映了最近的趋势。预测表明到2050年人口可能增加到841000,比2016年水平高出30%,比2016-2040年预测高出13% ,增加了城市产生的旅行和温室气体排放量。工作增长率高于预测率也会增加波士顿统计数据中的温室气体排放量。这些增加并不一定表明该州或国家的温室气体排放总体增加,可通过将人口和工作安置在具有良好旅行选择的中心地区减少开车机会来减少温室气体,其生产的温室气体少于住房或在偏远郊区的工作。然而,人口增加仍会使温室气体增加到波士顿的统计数据。
3.人口变化:即使对人口和就业的基线预测相同,居民和工作性质的变化也可能会增加或减少温室气体。例如,高污染工作岗位的增长可通过吸引更有可能拥有汽车和驾驶的人来增加温室气体排放量。年轻的工作者的较高增长也可能增加温室气体,而退休年龄或学生人口的较高增长可能会减少温室气体。
4.改变出行模式:CTPS模型预测基于工作、学校、购物、娱乐和其他目的的出行数据。诸如身兼数职、家庭办公、基于互联网的购物等变化已经改变了出行行为的格局,也产生了如拼车和自动驾驶车辆等新的交通选项。这些变化还将影响卡车运输,增加轻型和中型卡车商业运输量。
5.技术进步:与过去的水平相比,电池技术的改进在过去几年中逐渐进步,从而为2020 - 2030年期间快速电动汽车市场渗透的乐观预测提供了更多可信度。电动汽车或其他清洁能源汽车技术的持续发展将有可能减少温室气体排放。然而,联邦温室气体/燃料效率标准设定了包括电动汽车在内的全车标准,因此目前尚不清楚该技术在当前监管方面取得多大的短期环境效益。从长远来看,引入非化石燃料汽车对于实现碳排放的大幅削减至关重要。
6.联邦和州政策变化:预测假设2025年轻型燃油效率标准,以及2018年的重型标准将继续实施。截至2018年8月,特朗普政府提议修改2022-2025年模型的轻型标准。根据“清洁空气法”第177条,加利福尼亚州和其他州拥有自己的标准,以制定与加利福尼亚州一致的标准,而马萨诸塞州过去也是这样做的。但是,第177条的权威也受到特朗普政府的质疑。如果燃油经济性标准的改变和加利福尼亚州自行设定标准都成功,那么轻型车辆的温室气体排放量将高于基线预测。联邦和/或州政策也可能影响低碳燃料的混合。例如,采用加利福尼亚州实施的低碳燃料标准可以降低即使在传统技术车辆中消耗的燃料的碳强度。联邦政府或马萨诸塞州联邦政府可能实施的许多其他政策可能会影响交通排放,例如VMT、燃料或碳定价,扩大零排放车辆要求或电动奖励,以及在2025年以后继续提高燃油效率和温室气体标准。
图十七. 燃油效率和能源使用将对更高的油价做出反应
我们使用两个模型对低碳交通政策进行分析:
概化模型:可对关键参数和不确定性进行测试,用于对诸如电动汽车、公交、慢行交通等措施的减排效果进行初步估计,以及对车辆和燃料技术等不涉及空间模型的措施进行数据分析。
精细模型:包含来自CTPS区域出行需求模型的关于出行方式和出行时间的空间信息以及行为信息,用于建模分析影响减排政策对出行行为的影响。
概化模型在Excel中实现。它并非真正的行为模型,而是通过减排策略、出行行为、排放之间的大致关系来评估各策略的潜在影响。模型评估时间段为2030年和2050年。输出数据包括总体VMT、温室气体排放总量、每种燃料的使用量。
精细模型基于CTPS出行需求模型,在Python中实现。CTPS模型通过以下四个步骤来估计公路和公共交通网络的状况:
出行生成:根据出发地家庭的属性(规模、就业、收入等)按出行目的(工作、学校等)估计出行次数;
出行分布:为出行分配目的地;
方式选择:估计各行程的出行方式;
路径分配:将行程"加载"到高速公路和交通网络,确定路线和拥堵水平。
精细模型按照CTPS的出行方式分类,简单地实施了第三步“方式选择”:
除了 CTPS 模型中的出行方式外,精细模型还扩展到两种"智能出行"模式:单独乘车模式代表按需 TNC 类型服务,一次只服务一个行程;共享乘车服务表示可同时聚合行程的按需服务。
使用精细模型时,需要输入区域中交通分析区 (Traffic Analysis Zone,TAZ)之间不同出行目的的出行量、家庭汽车保有量,以及每种出行方式的属性(如距离、时间、费用),得到每种出行目的与方式的出行量。这些输出汇总为行程、VMT、PMT、主动交通PMT和出行方式比例,通过2040年的数据进行外推得到2030年与2050年的数值,经过Excel后续处理估算温室气体排放。
在精细模型中,通过调整输入数据,可以计算各种政策情境的影响。例如,可以更改两个波士顿社区之间的出行时间和/或出行成本,以及汽车保有量的比例。CTPS模型系数取决于家庭汽车保有量,因此更改汽车保有量会影响整体的出行模式选择。
本研究主要侧重于波士顿城市范围内的交通和投资策略,尽管一些政策(如碳定价、公共交通投资和网约车服务监管)可能需要州与区域政府采取行动。表6列出了重点政策领域和策略示例,以及在模型中相应的分析方法。
虽然未来可能会应用到多种清洁能源机动车的技术,如氢燃料电池、先进生物燃料,但本项目参与者认为电池电动车(BEV)是最有可能普及适用的。电池电动车的温室气体(GHG)减排量取决于在由每种机动车型的市场渗透率、与内燃机动车相比较的运行效率、及电力供应的碳强度。
在过去的十年里,电池电动车技术发展迅速。由于电池电动车技术未得到广泛的应用,因此可预见其市场渗透率或因不同政策刺激影响所带来的数据非常有限,而未来影响市场渗透率的技术因素(特别是电池成本)并不确定。因此多种电动车市场渗透的情境分析得以开发。这些都基于最新的行业预测与CFB咨询团队开发研究的模型应用上。
年度能源展望报告(AEO)提供了参考案例和高油价情况下轻型电动车市场渗透率的预测。这些预测与其它近期行业预测相比,显得较为保守,它显示了在2030年约10%的市场销售额,且销售额在2050年时不会超过20%。图18比较了不同来源的轻型电动车的预测销售率。包括彭博社和能源创新机构在内的数据来源认为,2030年电池电动车的销售市场渗透率将在20%至35%之间,2050年时则在50%至70%之间。国家可再生能源实验室(NREL)及电气化未来研究机构(EFS)显示,在“中水平”和“高水平”电气化情境下,市场渗透率会更乐观,在2030年前会达到60%,2050年前达到70%-90%(国家可再生能源实验室的“低水平”情境可与AEO报告相当)。这些数据都是美国或全球的预测,并不完全反映波士顿的具体情况。
有较少的来源提供了轻型电动车(库存)或其车辆出行里程(VMT)的预测,这些是温室气体排放的主要组成部分。由于车辆一般有较长的使用寿命,故车队和车辆出行里程市场渗透率将滞后于销售。图19展示了公开来源的车队或车辆出行里程的市场渗透率预测。尽管据国家可再生能源实验室和国际能源机构的高政策情境反馈,由于电动车更乐观的销售曲线,其渗透率会超过25%,但许多行业源认为2030年车辆出行里程将低于10%。
图十八. 轻型电动车市场渗透率预测(销售量)
资料来源:年度能源概览、彭博社新能源财经、Rissman、Mai et al. 、 Eichenberg ,国际能源机构。
图十九. 轻型电动车市场渗透率预测(车队或机动车行驶里程)
资料来源:AEO报告、彭博社新能源财经、Mai et al. 、 及国际能源机构。
只有国家可再生能源实验室开展的未来电动化研究提供了中型电动货车市场渗透率的预测。图20显示了电动中型货车的预期市场渗透率(机动车行驶里程份额)。
图二十. 中型电动车市场渗透率预测(车队/机动车行驶里程)
资料来源:年度能源概览、彭博社新能源财经、Rissman、Mai et al. 、 Eichenberg ,国际能源机构。
为了说明波士顿特有因素和政策带来的潜在影响,项目团队应用了Oak Ridge国家实验室开发的先进汽车技术市场接受度模型(MA3T)。此模型可在Excel中实施,用来分析各种汽车动力合成技术的需求场景、以应对技术、基础设施、能源价格、消费者喜好及政策上的变化。它对美国消费市场的1458个细分部分采用了离散选择模型方法,它开发于2010年,最近一次更新是在2015年,故可能无法反映关于技术和消费者偏好的最新信息。但是,它是项目团队能够识别的唯一能评估电动车实施相关的各种政策的公开模型。国家可再生能源实验室也拥有一种公开实用工具即ADOPT,但它主要关注点在技术特性上,且未包含对本研究所需的政策范围的研究。MA3T模型涵盖了许多机动车技术类型,但此研究的分析重点在于插电式混合动力汽车和电动车。
项目团队首先调整了MA3T模型以反映波士顿的特定人口(大多数家庭集中在市中心区域)及新英格兰的能源价格。调整所带来的变化在一定程度上减少了电动车的销售量,因为市中心的条件不甚理想(充电可行性有限,电动车驾驶距离的缩短降低了经济效益),且新英格兰州虽然石油价格相对较低但其电费比美国平均水平还高,这使得电动汽车经济竞争力有所降低。
接着项目团队测试了模型中与机动车技术成本、消费者财务及非财务的刺激因素、在住所、工作场所和公共收费可用性相关的不同政策。图21展示了在插电式混合动力汽车和电动车销售量影响下的示例情境的结果(这些情境是独立计算的,并未叠加)。
情境计划描述:
波士顿基线:在MA3T模型中嵌入所有的假设,按地区类型调整人口,以反映波士顿的具体情况(90%在市中心,10%在郊区)及紧贴交通分析的其它因素的新英格兰州能源价格(电价比全国平均水平要高50%)。
降低充电成本:家用充电器的费用从7000美元降至2500美元(无车库的家庭),从1000美元降至500美元(有车库的家庭)
公用充电:在2025年前,其普及率从5%增加至100%。
降低机动车成本:从2018年开始将机动车技术成本分别降低10%(插电式混合动力汽车)和25%(电动车)。
持续到2030年的即时补贴:2030年前提供5000美金的补贴(其中插电式混合动力汽车的补贴为2500美元)
最大化家庭和工作场所的充电适用性:2025年前,将家庭充电可行性分别从市中心的29%或郊区的43%提升至100%;将工作场所的充电可行性从5%提升至100%。
以下观察结果可从图21中读取:
“波士顿基线”的情境显示,电动车销售量会从2030年的25%增长至2050年的50%。与图15相比,这是行业预测的较低值,考虑到以多户家庭为主的住宅楼的环境充电的困难因素,这相对来说是较合理的数值。只有40%的波士顿城区市民拥有私人车库。
与AEO报告和当前趋势相比,该模型的数值略高于2017-2020年的预测销售额,可能反映了近期精确数据的缺失。
从2018年开始,分别降低插电式混合动力汽车和电动车技术成本10%和25%,以达到Wolfram和Lutsey估计的水平,并将曲线推进到明显不现实的水平,电动车将在2025年实现超过50%的销售额。
2030年前提供5000美元的即时补贴(插电式混合动力汽车则为2500美元)政策会对推进曲线产生重大影响。然而,即时市场渗透率扩大后,其收益也会随着补贴政策的消失而消失,这表明需要永久的成本节约手段制度来维持市场渗透率。
仅推行公共充电设施会收效甚微。这与研究表明,大多数充电需求将会出现家庭住所里,在工作场所和其它地方的充电需求作补充之用。
2026年前把家庭和工作场所的充电可行性从预测水平提高到100%全面覆盖会产生显著的影响,与5000美元的即时补贴效果相当,在2030年将电动车销售量提高近60%,在2050年则超过50%。这表明了城市在支持家庭和充电场所充电的政策中所发挥的重要作用。
将家庭充电设施成本从7000美元降低至2500美元(无车库的家庭),从1000美元降低至500美元(有车库的家庭)也将会有效增加销量,使之分别在2030年和2050年达到80%。
图22展示了3个情境中电动车销售量与电动车+插电式混合动力汽车总销量的比值。插电式混合动力汽车分数从长远来看是会增加的,并往往高于AEO报告里的预测值(AEO报告预测插电式混合动力汽车长期会只占电动车市场的15%)。然而国家可再生能源实验室和未来电力研究所显示了插电式混合动力汽车的较高市场份额,在“中等水平”情境中,插电式混合动力汽车成为电动车的主体。在MA3T模型中,插电式混合动力汽车占的市场份额较高,可能反映出了市场渗透率较高时对充电范围及循环充电的可用性问题的考虑。这是很重要的一点,因为如果插电式汽车是插电式混合动力汽车,而不是全电动车的话,波士顿通过清洁能源技术来实现碳中和的能力将会减弱。
即使加快引入与图16所示的最大充电可行性情境一致的电动车时,轻型电动车的行驶里程部分在2030年也预测仅略高于10%。到2080年,它的长期增长率将近80%。这表明了制定相关政策的重要性,以迅速将机动车升级为清洁技术,以实现短期的温室气体减排目标。
图二十二. MA3T模型:电动车销售量与电动车和插电式混合动力汽车的销售总和
图一. 轻型电动车销量、人口数、车辆出行里程分数-从MA3T模型来最大化波士顿充电可行性的情境
基于行业预测和MA3T的模型结果,来创建如表7所示的电动车情境说明。情境0(基准线)和情境1来源于2018年的年度能源概览报告。情境2则位于彭博社和美国能源创新机构预测的范围内。情境3则反映了具有波士顿特性的MA3T模型的基本运行状况。情境4,“MA3T模型波士顿的高度影响”,对MA3T模型中的最大充电可用性进行了假设,同样包括AEO里的电动车/插电式混合动力汽车的分支。情境5则是“全电动的”,包含了与2030年情境4一样的假设。但是是在假设波士顿市的所有轻型汽车在2050年都换为电动车的情况下进行的。假定中型汽车在每种情境下的电动化率与轻型汽车相同,这些情境会随着公交电动化趋势而出现变化。在情境2或以上的情境中,公共交通和校巴将在2030年分阶段试行电动化,并在2050年实现全面电动化。在情境4和5下,通勤铁路系统也会在2050年实现全面电动化。
由于这些机动车最有可能受到城市特定的政策影响,且非波士顿调整率是符合基准的,故小汽车和卡车的比例只适用于常驻波士顿的机动车。波士顿产出的(即波士顿家庭)只占波士顿终端库存的所有机动车行驶里程的28%;其余的机动车行驶里程则来自外地进波士顿的车辆。一场敏感性分析也用来苹果采纳电动车政策后对电动情境市场渗透率对整个区域的影响。虽然机动车拥有权在某种程度上的差异存在于城内城外,但看似不太能反映出波士顿居民所拥有的私家车都是电动汽车,但其它城市社区依旧以常规汽车代步。
由于这些机动车最有可能受到城市特定的政策影响,且非波士顿调整率是符合基准的,故小汽车和货车的比例只适用于常驻波士顿的机动车。波士顿产出的(即波士顿家庭)只占波士顿终端库存的所有机动车行驶里程的28%;其余的机动车行驶里程则来自外地进波士顿的车辆。一场敏感性分析也用在采纳电动车政策后对电动情境的市场渗透率对整个区域的影响。虽然机动车拥有权在某种程度上存在于城内城外的差异,但看似不太能反映出波士顿居民所拥有的私家车都是电动汽车,其它城市社区依旧以常规汽车代步。
情境0到情境4,均推测了2050年时,电网温室气体排放情况能实现与马萨诸塞州的清洁能源标准的一致。情境5则推测了在2050年实现零温室气体排放的发电技术。本报告其它部分会全面地展示电网强度背后的推测。图5显示了各种电力情境的温室气体排放强度,并将其与每加仑汽油中的温室气体强度进行了比较。
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