欧洲电气化公路建设对中国交通碳中和的启示

2022-05-20何继江缪雨含

经济与管理 2022年3期

何继江 ,侯宇 ,缪雨含

(1.清华大学社会科学学院,北京 100084;2.全球能源互联网发展合作组织,北京 100053)

一、欧洲碳中和目标与交通减排

欧盟2021 年6 月颁布《欧洲气候法案》,宣布2050 年实现温室气体净零排放即碳中和,并规定2030 年减排55%(以1990 为基准),同时针对交通、能源等部门,发布名为“减碳55”的系列方案。交通减排对全面实现碳中和有着重要的意义。欧盟委员会在《可持续与智慧交通战略》中明确提出,2050 年欧盟交通温室气体减排90%,以及全体车辆尽可能实现碳中和的目标。该战略还强调,欧盟亟需推动交通系统的数字化转型和可持续发展,加速欧盟交通系统的智慧化和绿色化进程。

自1990 年以来,欧盟整体碳排放在逐步下降,能源、建筑、工业等部门碳排放都有减少,唯有交通部门碳排放仍在持续增长。2019 年欧盟交通碳排放在其总体碳排放中的占比已超25%,其中道路运输碳排放在交通碳排放中占比达72%,主要碳排放源为乘用车和重型车辆。目前,在乘用车减排方面欧盟已颁布实施诸多政策和措施,重型车辆成为欧盟交通减排的重点和难点。2019 年欧盟委员会通过首个重型车辆碳排放标准,要求欧盟2025 年重型车辆平均二氧化碳排放量较2019 年降低15%,并制订重型车辆的减排目标,即2030 年重型车辆的平均碳排放量较 2019 年降低至少30%。

为了实现碳中和目标,以瑞典、德国和英国为代表的欧洲国家积极制定各自的交通减排政策。

1.瑞典减排政策。瑞典承诺2045 年实现碳中和,并规定2030 年国内交通碳排放较2010 年减少至少70%。瑞典当前的能源结构中,化石能源占比仅为24.6%,瑞典的电力系统和供暖碳排放已大幅降低,交通部门减排是瑞典进一步减碳实现碳中和的重点。2020 年瑞典交通碳排放在总体碳排放中占比约33%,其中道路运输碳排放占交通碳排放高达90%。同年瑞典成立电气化委员会,为重型车辆脱碳提供解决方案。瑞典16 个区域的《货运电气化承诺》通过该委员会发布,承诺全面建设电气化公路以促进重型车辆减排。

2.德国减排政策。德国是欧洲国民生产总值最高且整体碳排放最高的国家。2021 年德国通过修订《联邦气候保护法》确立2045 年实现碳中和的目标,并规定2030 年交通碳排放较2019 年减少48%。21 世纪以来,德国工业、能源等部门的碳排放均持续减少,仅有交通部门碳排放在保持增长。2019 年德国交通碳排放占总碳排放比例约20%,重型车辆碳排放占交通碳排放的比例超过25%。为促进交通减排,德国环境部提议尽快在高速公路上建设架空式电气化公路。

3.英国减排政策。英国是首个立法宣布碳中和的国家,2019 年6 月通过立法制定2050 年碳中和的目标,并宣布2050 年实现交通部门碳中和。2019 年英国交通碳排放占总排放比例约27%,其中,道路运输碳排放在交通排放占比达91%,重型车辆碳排放约占16.4%。英国计划2030年停止销售新的柴油/汽油重型车辆,并率先承诺在2035 年全面淘汰26 吨及以下吨位的非零碳重型车辆,2040 年全部重型车辆实现碳中和。

总之,交通部门减排对欧洲国家实现碳中和目标至关重要。在当前欧洲国家交通减排政策和目标中,重型车辆减排已成为重点。

二、重型车辆减排与电气化公路的研究现状

重型车辆减排的核心思路是电气化。1911 年德国阿尔托纳港使用架空式电动牵引车替代传统燃油重型车辆。目前,重型车辆电气化在实践上主要有三种技术路径,即氢燃料电池车辆、纯电池电动车辆和电气化公路。其中,电气化公路被欧洲选为当前交通密集路段重型车辆减排的主要方案。电气化公路是指在车辆行驶时,通过预设配电网,将电力从道路动态传输到车辆以驱动车辆的道路。2011 年首条封闭电气化公路在德国柏林测试成功后,这项技术在世界多国开始试点推广。

相较于氢燃料电池车辆和纯电池车辆,现阶段电气化公路在技术、经济成本、兼容性和减排效益等方面具备优势:整体技术已较成熟,综合能源效率较高可达77%,电能转换效率可达85%;综合成本较低,车辆运营成本可较氢燃料电池车辆和纯电池电动车辆降低约50%;在交通密集路段经济性较强,具备高密度经济和范围经济的优势;技术兼容性与扩展性强,现阶段已可实现向纯电池、氢燃料电池等技术方案的转变;减排潜力高,若能提高配电网的绿色电力使用比例,则可大幅降低重型车辆能耗碳排放。2020 年瑞典、德国和英国三国的度电碳排放分别为13gCO/kWh、301 gCO/kWh 和209 gCO/kWh,远低于全球平均度电碳排放,三国电气化公路的减排效益都很显著,瑞典尤为突出。

氢燃料电池汽车和纯电池汽车同样是重型车辆电气化的重要技术路径。研究显示,氢燃料电池车辆在续航方面比纯电池汽车有显著优势,但其能源转换效率和全流程综合效率均低于其余两种技术,更适用于长距离运输;纯电池汽车则有着储能成本高、对充电车位容量要求高和续航焦虑等诸多问题,在现阶段更适用于短距离交通。

根据配电网与车辆交互方式的不同,电气化公路有三种技术方案,即架空式、导轨式和无线式。架空式电气化公路通过安装在车辆上方的电力接受装置即受电弓接受电力,受电弓在车辆行驶中沿路侧支柱上的架空导电线滑动,在车辆离开该路段时,自动与架空线脱离。导轨式电气化公路则是通过铺设在道路上的导电轨道,将电力顺着安装在车辆下方和轨道间的机械臂传输至车辆。无线式电气化公路则是通过安装在道路中的初级线圈和车辆下方的次级线圈交流感应来为重型车辆无线传输电力。

最先被实践应用的技术方案是架空式电气化公路,其在供电设置和车辆牵引等方面的技术已较为成熟,并有建设施工时间较短、对原有公路正常通行影响较小的优点。因此,尽管架空式电气化公路的基础设施建设成本较高,德国、英国等国家仍优先选择架空式技术作为其范围性电气化公路规划的建设方案。瑞典交通实验室推荐导轨式电气化公路作为本国电气化公路规划的技术方案,该方案的优势在于传输效率较高且整体能效较高,同时便于运维。虽然现阶段的无线式电气化公路技术难度和建设成本均较高,但因其适用车辆种类较多且相对成本效益从长期看来更高,被多国选择为城市内部公路电气化试点的技术方案。

基于电气化公路的综合效益,英国、德国和瑞典均将其作为本国重型车辆减排的主要措施来推行,并为此制定整体规划和试点建设方案。

三、欧洲国家电气化公路政策与方案

(一)瑞典的电气化公路

瑞典政府对建设电气化公路态度积极,电气化公路三种技术方案均在瑞典得到应用。2016 年6月,德国西门子公司在斯德哥尔摩E16 号公路上建设总长2 公里的架空式电气化公路(eHighway)。这是世界首条对外公开的电气化公路。随后瑞典协同多家企业开展多项导轨式电气化公路的试点,最具代表性的是eRoadArlanda 项目,测试路段位于斯德哥尔摩阿兰达机场货运站和Rosersberg 物流区之间的893 号公路,长2 公里,主要服务对象为18 吨级别货运卡车。该公路建成于2018 年4 月,是世界首条导轨式电气化公路,已正常投入使用。瑞典的无线式电气化公路试点(Smartroad Gotland)由以色列Electreon 公司负责,路段长1.6 公里,2020 年建成后成功通车。

2021 年瑞典交通管理局颁布《电气化公路规划》,提出2025 年修建完成首条永久性电气化公路。2021 年7 月,瑞典交通管理局宣布将E20公路的一段路段作为永久性电气化公路的试点路段。瑞典ABB 公司负责该项目的建设,采用导轨式技术方案,为私人车辆、卡车和公交车等车辆供电。

(二)德国的电气化公路方案

德国的电气化公路试点主要由西门子公司负责实施。2011 年,西门子公司在德国柏林建成世界首条封闭架空式电气化公路,长2 公里,由沃尔沃公司的车辆进行测试。在该路段成功试验后,西门子公司在德国多地开展架空式电气化公路的试点。以ELISA 黑森州联邦州A5 高速公路的电气化公路为例,该路段位于美因河畔法兰克福和达姆施塔特的交界处,全长10 公里,已于2019 年5 月投入使用。当车辆行驶至该路段时,车顶安装的受电弓升起并接入架空线接受电力传输;离开此路段后,车辆仍采用原先的供能方式(柴油、氢能或电动)。德国在无线式电气化公路上也有试点,Electreon 公司在卡尔斯鲁尔市内依托某公交车站建设一段长100 米的公交车无线充电道路,并已计划扩建500 米。

为实现德国2030 年全国重型车辆运输里程1/3 电气化的目标,2020 年海德堡能源与环境研究所受联邦政府委托,提交全面建设电气化公路的实施计划。该计划采用架空式技术方案,分三个阶段:试点阶段(现阶段至2025 年),通过开展100 公里以上的大型试点检验其成熟度和可行度,测试车辆长途运输的能力并完善相应政策;网络发展阶段(2025 年至2030 年),有计划地发展架空线网,推动当地车辆市场的发展,实现不同电驱系统(电池、架空线传输)、不同空间地理技术间的协同;巩固阶段(2030 年开始),实现全国性的推广和应用,形成完善的基础架空网络,探索后续优化的可能性。

(三)英国的电气化公路方案

英国2021 年开始电气化公路试点行动,拟对连接伊明汉港与汤卡斯特及其机场的M180 高速公路进行改造。该路段全长19 英里,将采用架空线技术,由西门子公司负责。

2020 年英国发布电气化公路白皮书,提出全国范围的电气化公路规划。该规划分前期试点和后期项目两个阶段:前期预计投资800 万英镑,2025年在南约克郡A156 和M18 之间的M180 区域建成40 公里的电气化公路。后期项目自2025 年起再分三个阶段,共拟投资193 亿英镑,累计建设电气化公路13 808 公里,全面覆盖英国主要道路并承担全国65%的货运量。

(四)其他国家的电气化公路方案

除了瑞典、德国和英国,其他国家如意大利、以色列、美国、日本等国也纷纷开展了电气化公路的试点建设。表1 展示了部分代表性国家的试点项目。以色列的Electreon 公司的无线式技术领先,在以色列、意大利和美国均被首选为项目实施方。该公司还计划在法国、比利时等进行无线式技术试点。

表1 部分国家电气化公路方案

四、欧洲主要国家电气化公路建设经验

瑞典、英国、德国不仅进行了多项试点项目,而且已经在国家层面对电气化公路进行整体规划与布局(见表2),电气化公路建设已成为这些国家交通领域的一项重要战略。

表2 英国、德国、瑞典电气化公路政策分解

对于建设电气化公路,三国均通过政府引导规划,设立相关法案与政策文件,组合采用自愿性、强制性和混合性三种政策工具。同时,他们都评估了电气化公路减排的潜力。据测算,瑞典电气化改造可直接使该公路的交通排放量降低20%。到2030 年,瑞典若有2/3 的车辆在电气化公路上行驶,将减少约10 GW/h 的能源消耗,相当于3 Mt 汽柴油燃料。实施电气化公路方案后,英国预计每年在交通领域减碳13.4 Mt,德国每年预计减碳9.2 Mt。他们还一致认为建设电气化公路能带动如电动汽车、电池、智能电网等产业的发展。

在技术选择上,三国均对技术创新持开放态度,实施鼓励政策创造全球开放式创新系统,吸引了如以色列Electreon 公司、德国西门子等企业开展各种创新试点。架空式技术在三国都得到了应用,瑞典还采用了导轨式和无线式技术,德国采用了无线式技术。这些国家电气化公路的建设成本都很高,前期耗资巨大,其融资模式有所不同,在二氧化碳税的征收模式上也略有差异。

三国在电气化公路的政策设计、整体布局思路、建设模式等经验值得中国借鉴和学习。

五、中国电气化公路探索

(一)无线充电技术与公路供能创新探索

2011 年中国便开始研发电动汽车无线移动充电技术。2014 年,第一条商用大功率无线充电公交车示范线在湖北襄阳正式启动。2015 年2 月,成都微循环公交线投入两辆无线充电公交车开展试运行。2017 年7 月,武汉建成电动汽车无线充电示范站。

2016 年,广西电科院建成一条33 米长的电动汽车无线充电小型试验车道。2018 年,苏州同里新能源小镇建成一条长500 米、宽3.5 米的“三合一”电气化公路,实现路面光伏发电、动态无线充电、无人驾驶三项技术的融合应用。该公路承重能力超过50 吨,车辆无线充电效率可达85%。该公路有效促进了车、路和交通环境的智能协同以及电力流、交通流、信息流的智慧交融。

中国在公路供能方面也做了创新尝试。2017年12 月,济南建成高速公路光伏试验段并通车。该路段全长1 120 米,光伏路面铺设长度1 080 米。这条光伏公路采用“透光混凝土+光伏发电组件+绝缘防护”的三层结构,中间层为光伏板,可利用路面吸收阳光发电。但由于重型货车碾压和雨水浸蚀,光伏电池组件屡遭损坏,该路段的光伏组件已于2018年拆除。可见,光伏公路技术在建设成本、可靠性和设备运维等方面还有很多问题需要克服。

(二)智慧公路探索

2018 年,交通运输部发布《关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知》,决定在北京、河北、吉林等九省(市)进行智慧公路试点,重点开展基础设施数字化、路运一体化车路协同、基于大数据的路网综合管理、“互联网+”路网综合服务和新一代国家交通控制网建设。

杭甬高速是中国智慧高速公路的一个典型,目前正在施工,计划今年正式通车。该高速公路全长161 公里,建设双向六车道,总投资1 000 亿元。该高速公路支持车联网技术,构建大数据驱动的智慧云控平台,通过智能系统、车辆管控,有效提升高速公路车行速度,最高时速将超过现有高速公路限速,预计可达150km/h。同时,该公路还通过构建人车路协同综合感知体系、路网综合运行监测与预警系统,提高运行效率。在安全保障方面,未来将依托高精定位、车路协同、无人驾驶等综合接入系统,实现零死亡愿景。

该公路在供能模式上设计了多项创新方式,包括路侧光伏发电、路面光伏发电和服务区的充电桩,为电动车提供清洁电力充电服务。公路还布设了综合感应设施,为远期实现车辆在行驶中充电打下了基础。

六、欧洲电气化公路建设对中国的启示

(一)发展电气化公路对中国有重要意义

1.电气化公路是中国交通碳中和的需要。2020年9 月22 日,中国确定了2060 年前实现碳中和的目标。2021 年10 月下旬《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》文件正式发布,作为碳达峰碳中和“1+N”政策体系中“1”发挥统领作用。该意见与国务院发布的2030 年前碳达峰行动方案共同构成贯穿碳达峰、碳中和两个阶段的顶层设计。“N”则包括能源、工业、交通运输、城乡建设等分领域分行业碳达峰实施方案。交通领域的碳达峰实施方案正在编制过程中。目前,交通领域的碳排放约占全国终端碳排放的15%左右,公路运输占全国交通运输碳排放总量的85%以上。国家碳达峰碳中和的实现,必须强力推动交通运输工具的低碳化发展,电动化被确定为主要发展方向。欧洲交通排放在总排放的比重高于中国,因此,欧洲对于交通碳中和的探索更加迫切。电气化公路是德国等国家交通碳中和的重要举措,对于中国的交通碳中和具有重要启发意义。

2.电气化公路是中国建设交通强国的需要。2017 年,中共十九大提出建设交通强国。2019 年和2021 年,中共中央、国务院先后印发《交通强国建设纲要》和《国家综合立体交通网规划纲要》,提出到2035 年基本建成交通强国,到本世纪中叶全面建成世界前列的交通强国。电气化公路对智能汽车、自动驾驶、车路协同等技术是很好的载体,对优化交通能源结构、推进清洁能源应用具有重要意义,能有效助力中国成为交通科技强国。

3.交通基础设施建设技术已有良好基础。中国交通基础设施建设技术已跻身世界先进行列,其高速公路、高速铁路、高寒铁路等技术达到世界领先水平。中国铁路电气化水平也处于领先地位,2012 年起铁路电气化里程便跃居世界第一,铁路电气化率也持续增长。2020 年,中国铁路电气化率达到74.9%,明显高于德国的61%、欧盟平均水平的54%。

电气化公路是一种与轨道交通相类似的创新交通基础设施,中国建设电气化铁路积累了丰富的经验。发展电气化公路,可充分借鉴电气化铁路建设中布设铁路路侧变电设施和配电设施的经验。

4.满足快速发展的电动汽车对充电的迫切需求。据统计,截至2021 年9 月,全国配置充电桩的高速公路服务区有2 318 个,每个服务区平均充电桩数量约4 个。随着电动车辆逐渐增多,服务区已出现充电排队甚至拥堵现象,中国京沪、京广等高速公路服务区正着手扩建充电桩,并提供移动充电车。然而,即便不断扩建充电设施,电动车充电依然受到停车位、充电时间、充电容量的约束。目前,一台充电桩的功率一般为120 kW。若同时给100辆车充电,该服务区需提供100 个固定车位,充电功率将超过120 mkW。以平均每辆车充电1 小时算,服务区每天能充电的车辆数仅约2 000 辆。中国电动汽车保有量至2021 年底已达800 万辆,当年新增电动汽车320 万辆。到2030 年中国电动汽车的数量将达到8 000 万辆,充电拥堵的问题会越来越严重。

电气化公路为车辆在行驶中充电提供了技术方案,车辆不必停留在服务区充电,从而节约时间、提高交通效率。未来,城市内通过布局电气化公路,为公共交通工具和物流配送车辆全部实现电动化提供一种解决方案。

(二)中国应积极推进电气化公路的研究和试点

1.开展电气化公路的研究和规划。作为欧洲的工业强国,德国、瑞典、英国都制定了全国性电气化公路规划并开展试点,美国、以色列也在积极尝试。中国应对这些国家进行深入的对标分析,将电气化公路纳入交通强国和交通碳中和战略。

2.积极开展试点。可考虑四类不同情景的试点。一是矿区公路。在一些货运重卡沿规定路线行驶的矿区、运煤专线试点电气化公路。二是城市货运干线。在中心城市的机场、火车站和城市物流中心之间货运干线试点。三是交通主干道。在京广、京沪等交通繁忙的主干线进行局部路段试点。四是清洁能源走廊。西北地区如京藏、京新等高速公路路侧有大量土地资源,可建设清洁能源走廊,其所发风电光伏电力,可直接为电气化公路供能。