歐洲電氣化公路建設對中國交通碳中和的啟示

何繼江 ,侯 宇 ,繆雨含

(1.清華大學 社會科學學院,北京 100084;2.全球能源互聯網發展合作組織,北京 100053)

一、歐洲碳中和目標與交通減排

歐盟2021 年6 月頒布《歐洲氣候法案》,宣布2050 年實現溫室氣體凈零排放即碳中和,并規定2030 年減排55%(以1990 為基準),同時針對交通、能源等部門,發布名為“減碳55”的系列方案。交通減排對全面實現碳中和有著重要的意義。歐盟委員會在《可持續與智慧交通戰略》中明確提出,2050 年歐盟交通溫室氣體減排90%,以及全體車輛盡可能實現碳中和的目標。該戰略還強調,歐盟亟需推動交通系統的數字化轉型和可持續發展,加速歐盟交通系統的智慧化和綠色化進程。

自1990 年以來,歐盟整體碳排放在逐步下降,能源、建筑、工業等部門碳排放都有減少,唯有交通部門碳排放仍在持續增長。2019 年歐盟交通碳排放在其總體碳排放中的占比已超25%,其中道路運輸碳排放在交通碳排放中占比達72%,主要碳排放源為乘用車和重型車輛。目前,在乘用車減排方面歐盟已頒布實施諸多政策和措施,重型車輛成為歐盟交通減排的重點和難點。2019 年歐盟委員會通過首個重型車輛碳排放標準,要求歐盟2025 年重型車輛平均二氧化碳排放量較2019 年降低15%,并制訂重型車輛的減排目標,即2030 年重型車輛的平均碳排放量較 2019 年降低至少30%。

為了實現碳中和目標,以瑞典、德國和英國為代表的歐洲國家積極制定各自的交通減排政策。

1.瑞典減排政策。瑞典承諾2045 年實現碳中和,并規定2030 年國內交通碳排放較2010 年減少至少70%。瑞典當前的能源結構中,化石能源占比僅為24.6%,瑞典的電力系統和供暖碳排放已大幅降低,交通部門減排是瑞典進一步減碳實現碳中和的重點。2020 年瑞典交通碳排放在總體碳排放中占比約33%,其中道路運輸碳排放占交通碳排放高達90%。同年瑞典成立電氣化委員會,為重型車輛脫碳提供解決方案。瑞典16 個區域的《貨運電氣化承諾》通過該委員會發布,承諾全面建設電氣化公路以促進重型車輛減排。

2.德國減排政策。德國是歐洲國民生產總值最高且整體碳排放最高的國家。2021 年德國通過修訂《聯邦氣候保護法》確立2045 年實現碳中和的目標,并規定2030 年交通碳排放較2019 年減少48%。21 世紀以來,德國工業、能源等部門的碳排放均持續減少,僅有交通部門碳排放在保持增長。2019 年德國交通碳排放占總碳排放比例約20%,重型車輛碳排放占交通碳排放的比例超過25%。為促進交通減排,德國環境部提議盡快在高速公路上建設架空式電氣化公路。

3.英國減排政策。英國是首個立法宣布碳中和的國家,2019 年6 月通過立法制定2050 年碳中和的目標,并宣布2050 年實現交通部門碳中和。2019 年英國交通碳排放占總排放比例約27%,其中,道路運輸碳排放在交通排放占比達91%,重型車輛碳排放約占16.4%。英國計劃2030年停止銷售新的柴油/汽油重型車輛,并率先承諾在2035 年全面淘汰26 噸及以下噸位的非零碳重型車輛,2040 年全部重型車輛實現碳中和。

總之,交通部門減排對歐洲國家實現碳中和目標至關重要。在當前歐洲國家交通減排政策和目標中,重型車輛減排已成為重點。

二、重型車輛減排與電氣化公路的研究現狀

重型車輛減排的核心思路是電氣化。1911 年德國阿爾托納港使用架空式電動牽引車替代傳統燃油重型車輛。目前,重型車輛電氣化在實踐上主要有三種技術路徑,即氫燃料電池車輛、純電池電動車輛和電氣化公路。其中,電氣化公路被歐洲選為當前交通密集路段重型車輛減排的主要方案。電氣化公路是指在車輛行駛時,通過預設配電網,將電力從道路動態傳輸到車輛以驅動車輛的道路。2011 年首條封閉電氣化公路在德國柏林測試成功后,這項技術在世界多國開始試點推廣。

相較于氫燃料電池車輛和純電池車輛,現階段電氣化公路在技術、經濟成本、兼容性和減排效益等方面具備優勢:整體技術已較成熟,綜合能源效率較高可達77%,電能轉換效率可達85%;綜合成本較低,車輛運營成本可較氫燃料電池車輛和純電池電動車輛降低約50%;在交通密集路段經濟性較強,具備高密度經濟和范圍經濟的優勢;技術兼容性與擴展性強,現階段已可實現向純電池、氫燃料電池等技術方案的轉變;減排潛力高,若能提高配電網的綠色電力使用比例,則可大幅降低重型車輛能耗碳排放。2020 年瑞典、德國和英國三國的度電碳排放分別為13gCO/kWh、301 gCO/kWh 和209 gCO/kWh,遠低于全球平均度電碳排放,三國電氣化公路的減排效益都很顯著,瑞典尤為突出。

氫燃料電池汽車和純電池汽車同樣是重型車輛電氣化的重要技術路徑。研究顯示,氫燃料電池車輛在續航方面比純電池汽車有顯著優勢,但其能源轉換效率和全流程綜合效率均低于其余兩種技術,更適用于長距離運輸;純電池汽車則有著儲能成本高、對充電車位容量要求高和續航焦慮等諸多問題,在現階段更適用于短距離交通。

根據配電網與車輛交互方式的不同,電氣化公路有三種技術方案,即架空式、導軌式和無線式。架空式電氣化公路通過安裝在車輛上方的電力接受裝置即受電弓接受電力,受電弓在車輛行駛中沿路側支柱上的架空導電線滑動,在車輛離開該路段時,自動與架空線脫離。導軌式電氣化公路則是通過鋪設在道路上的導電軌道,將電力順著安裝在車輛下方和軌道間的機械臂傳輸至車輛。無線式電氣化公路則是通過安裝在道路中的初級線圈和車輛下方的次級線圈交流感應來為重型車輛無線傳輸電力。

最先被實踐應用的技術方案是架空式電氣化公路,其在供電設置和車輛牽引等方面的技術已較為成熟,并有建設施工時間較短、對原有公路正常通行影響較小的優點。因此,盡管架空式電氣化公路的基礎設施建設成本較高,德國、英國等國家仍優先選擇架空式技術作為其范圍性電氣化公路規劃的建設方案。瑞典交通實驗室推薦導軌式電氣化公路作為本國電氣化公路規劃的技術方案,該方案的優勢在于傳輸效率較高且整體能效較高,同時便于運維。雖然現階段的無線式電氣化公路技術難度和建設成本均較高,但因其適用車輛種類較多且相對成本效益從長期看來更高,被多國選擇為城市內部公路電氣化試點的技術方案。

基于電氣化公路的綜合效益,英國、德國和瑞典均將其作為本國重型車輛減排的主要措施來推行,并為此制定整體規劃和試點建設方案。

三、歐洲國家電氣化公路政策與方案

(一)瑞典的電氣化公路

瑞典政府對建設電氣化公路態度積極,電氣化公路三種技術方案均在瑞典得到應用。2016 年6月,德國西門子公司在斯德哥爾摩E16 號公路上建設總長2 公里的架空式電氣化公路(eHighway)。這是世界首條對外公開的電氣化公路。隨后瑞典協同多家企業開展多項導軌式電氣化公路的試點,最具代表性的是eRoadArlanda 項目,測試路段位于斯德哥爾摩阿蘭達機場貨運站和Rosersberg 物流區之間的893 號公路,長2 公里,主要服務對象為18 噸級別貨運卡車。該公路建成于2018 年4 月,是世界首條導軌式電氣化公路,已正常投入使用。瑞典的無線式電氣化公路試點(Smartroad Gotland)由以色列Electreon 公司負責,路段長1.6 公里,2020 年建成后成功通車。

2021 年瑞典交通管理局頒布《電氣化公路規劃》,提出2025 年修建完成首條永久性電氣化公路。2021 年7 月,瑞典交通管理局宣布將E20公路的一段路段作為永久性電氣化公路的試點路段。瑞典ABB 公司負責該項目的建設,采用導軌式技術方案,為私人車輛、卡車和公交車等車輛供電。

(二)德國的電氣化公路方案

德國的電氣化公路試點主要由西門子公司負責實施。2011 年,西門子公司在德國柏林建成世界首條封閉架空式電氣化公路,長2 公里,由沃爾沃公司的車輛進行測試。在該路段成功試驗后,西門子公司在德國多地開展架空式電氣化公路的試點。以ELISA 黑森州聯邦州A5 高速公路的電氣化公路為例,該路段位于美因河畔法蘭克福和達姆施塔特的交界處,全長10 公里,已于2019 年5 月投入使用。當車輛行駛至該路段時,車頂安裝的受電弓升起并接入架空線接受電力傳輸;離開此路段后,車輛仍采用原先的供能方式(柴油、氫能或電動)。德國在無線式電氣化公路上也有試點,Electreon 公司在卡爾斯魯爾市內依托某公交車站建設一段長100 米的公交車無線充電道路,并已計劃擴建500 米。

為實現德國2030 年全國重型車輛運輸里程1/3 電氣化的目標,2020 年海德堡能源與環境研究所受聯邦政府委托,提交全面建設電氣化公路的實施計劃。該計劃采用架空式技術方案,分三個階段:試點階段(現階段至2025 年),通過開展100 公里以上的大型試點檢驗其成熟度和可行度,測試車輛長途運輸的能力并完善相應政策;網絡發展階段(2025 年至2030 年),有計劃地發展架空線網,推動當地車輛市場的發展,實現不同電驅系統(電池、架空線傳輸)、不同空間地理技術間的協同;鞏固階段(2030 年開始),實現全國性的推廣和應用,形成完善的基礎架空網絡,探索后續優化的可能性。

(三)英國的電氣化公路方案

英國2021 年開始電氣化公路試點行動,擬對連接伊明漢港與湯卡斯特及其機場的M180 高速公路進行改造。該路段全長19 英里,將采用架空線技術,由西門子公司負責。

2020 年英國發布電氣化公路白皮書,提出全國范圍的電氣化公路規劃。該規劃分前期試點和后期項目兩個階段:前期預計投資800 萬英鎊,2025年在南約克郡A156 和M18 之間的M180 區域建成40 公里的電氣化公路。后期項目自2025 年起再分三個階段,共擬投資193 億英鎊,累計建設電氣化公路13 808 公里,全面覆蓋英國主要道路并承擔全國65%的貨運量。

(四)其他國家的電氣化公路方案

除了瑞典、德國和英國,其他國家如意大利、以色列、美國、日本等國也紛紛開展了電氣化公路的試點建設。表1 展示了部分代表性國家的試點項目。以色列的Electreon 公司的無線式技術領先,在以色列、意大利和美國均被首選為項目實施方。該公司還計劃在法國、比利時等進行無線式技術試點。

表1 部分國家電氣化公路方案

四、歐洲主要國家電氣化公路建設經驗

瑞典、英國、德國不僅進行了多項試點項目,而且已經在國家層面對電氣化公路進行整體規劃與布局(見表2),電氣化公路建設已成為這些國家交通領域的一項重要戰略。

表2 英國、德國、瑞典電氣化公路政策分解

對于建設電氣化公路,三國均通過政府引導規劃,設立相關法案與政策文件,組合采用自愿性、強制性和混合性三種政策工具。同時,他們都評估了電氣化公路減排的潛力。據測算,瑞典電氣化改造可直接使該公路的交通排放量降低20%。到2030 年,瑞典若有2/3 的車輛在電氣化公路上行駛,將減少約10 GW/h 的能源消耗,相當于3 Mt 汽柴油燃料。實施電氣化公路方案后,英國預計每年在交通領域減碳13.4 Mt,德國每年預計減碳9.2 Mt。他們還一致認為建設電氣化公路能帶動如電動汽車、電池、智能電網等產業的發展。

在技術選擇上,三國均對技術創新持開放態度,實施鼓勵政策創造全球開放式創新系統,吸引了如以色列Electreon 公司、德國西門子等企業開展各種創新試點。架空式技術在三國都得到了應用,瑞典還采用了導軌式和無線式技術,德國采用了無線式技術。這些國家電氣化公路的建設成本都很高,前期耗資巨大,其融資模式有所不同,在二氧化碳稅的征收模式上也略有差異。

三國在電氣化公路的政策設計、整體布局思路、建設模式等經驗值得中國借鑒和學習。

五、中國電氣化公路探索

(一)無線充電技術與公路供能創新探索

2011 年中國便開始研發電動汽車無線移動充電技術。2014 年,第一條商用大功率無線充電公交車示范線在湖北襄陽正式啟動。2015 年2 月,成都微循環公交線投入兩輛無線充電公交車開展試運行。2017 年7 月,武漢建成電動汽車無線充電示范站。

2016 年,廣西電科院建成一條33 米長的電動汽車無線充電小型試驗車道。2018 年,蘇州同里新能源小鎮建成一條長500 米、寬3.5 米的“三合一”電氣化公路,實現路面光伏發電、動態無線充電、無人駕駛三項技術的融合應用。該公路承重能力超過50 噸,車輛無線充電效率可達85%。該公路有效促進了車、路和交通環境的智能協同以及電力流、交通流、信息流的智慧交融。

中國在公路供能方面也做了創新嘗試。2017年12 月,濟南建成高速公路光伏試驗段并通車。該路段全長1 120 米,光伏路面鋪設長度1 080 米。這條光伏公路采用“透光混凝土+光伏發電組件+絕緣防護”的三層結構,中間層為光伏板,可利用路面吸收陽光發電。但由于重型貨車碾壓和雨水浸蝕,光伏電池組件屢遭損壞,該路段的光伏組件已于2018年拆除。可見,光伏公路技術在建設成本、可靠性和設備運維等方面還有很多問題需要克服。

(二)智慧公路探索

2018 年,交通運輸部發布《關于加快推進新一代國家交通控制網和智慧公路試點的通知》,決定在北京、河北、吉林等九省(市)進行智慧公路試點,重點開展基礎設施數字化、路運一體化車路協同、基于大數據的路網綜合管理、“互聯網+”路網綜合服務和新一代國家交通控制網建設。

杭甬高速是中國智慧高速公路的一個典型,目前正在施工,計劃今年正式通車。該高速公路全長161 公里,建設雙向六車道,總投資1 000 億元。該高速公路支持車聯網技術,構建大數據驅動的智慧云控平臺,通過智能系統、車輛管控,有效提升高速公路車行速度,最高時速將超過現有高速公路限速,預計可達150km/h。同時,該公路還通過構建人車路協同綜合感知體系、路網綜合運行監測與預警系統,提高運行效率。在安全保障方面,未來將依托高精定位、車路協同、無人駕駛等綜合接入系統,實現零死亡愿景。

該公路在供能模式上設計了多項創新方式,包括路側光伏發電、路面光伏發電和服務區的充電樁,為電動車提供清潔電力充電服務。公路還布設了綜合感應設施,為遠期實現車輛在行駛中充電打下了基礎。

六、歐洲電氣化公路建設對中國的啟示

(一)發展電氣化公路對中國有重要意義

1.電氣化公路是中國交通碳中和的需要。2020年9 月22 日,中國確定了2060 年前實現碳中和的目標。2021 年10 月下旬《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》文件正式發布,作為碳達峰碳中和“1+N”政策體系中“1”發揮統領作用。該意見與國務院發布的2030 年前碳達峰行動方案共同構成貫穿碳達峰、碳中和兩個階段的頂層設計。“N”則包括能源、工業、交通運輸、城鄉建設等分領域分行業碳達峰實施方案。交通領域的碳達峰實施方案正在編制過程中。目前,交通領域的碳排放約占全國終端碳排放的15%左右,公路運輸占全國交通運輸碳排放總量的85%以上。國家碳達峰碳中和的實現,必須強力推動交通運輸工具的低碳化發展,電動化被確定為主要發展方向。歐洲交通排放在總排放的比重高于中國,因此,歐洲對于交通碳中和的探索更加迫切。電氣化公路是德國等國家交通碳中和的重要舉措,對于中國的交通碳中和具有重要啟發意義。

2.電氣化公路是中國建設交通強國的需要。2017 年,中共十九大提出建設交通強國。2019 年和2021 年,中共中央、國務院先后印發《交通強國建設綱要》和《國家綜合立體交通網規劃綱要》,提出到2035 年基本建成交通強國,到本世紀中葉全面建成世界前列的交通強國。電氣化公路對智能汽車、自動駕駛、車路協同等技術是很好的載體,對優化交通能源結構、推進清潔能源應用具有重要意義,能有效助力中國成為交通科技強國。

3.交通基礎設施建設技術已有良好基礎。中國交通基礎設施建設技術已躋身世界先進行列,其高速公路、高速鐵路、高寒鐵路等技術達到世界領先水平。中國鐵路電氣化水平也處于領先地位,2012 年起鐵路電氣化里程便躍居世界第一,鐵路電氣化率也持續增長。2020 年,中國鐵路電氣化率達到74.9%,明顯高于德國的61%、歐盟平均水平的54%。

電氣化公路是一種與軌道交通相類似的創新交通基礎設施,中國建設電氣化鐵路積累了豐富的經驗。發展電氣化公路,可充分借鑒電氣化鐵路建設中布設鐵路路側變電設施和配電設施的經驗。

4.滿足快速發展的電動汽車對充電的迫切需求。據統計,截至2021 年9 月,全國配置充電樁的高速公路服務區有2 318 個,每個服務區平均充電樁數量約4 個。隨著電動車輛逐漸增多,服務區已出現充電排隊甚至擁堵現象,中國京滬、京廣等高速公路服務區正著手擴建充電樁,并提供移動充電車。然而,即便不斷擴建充電設施,電動車充電依然受到停車位、充電時間、充電容量的約束。目前,一臺充電樁的功率一般為120 kW。若同時給100輛車充電,該服務區需提供100 個固定車位,充電功率將超過120 mkW。以平均每輛車充電1 小時算,服務區每天能充電的車輛數僅約2 000 輛。中國電動汽車保有量至2021 年底已達800 萬輛,當年新增電動汽車320 萬輛。到2030 年中國電動汽車的數量將達到8 000 萬輛,充電擁堵的問題會越來越嚴重。

電氣化公路為車輛在行駛中充電提供了技術方案,車輛不必停留在服務區充電,從而節約時間、提高交通效率。未來,城市內通過布局電氣化公路,為公共交通工具和物流配送車輛全部實現電動化提供一種解決方案。

(二)中國應積極推進電氣化公路的研究和試點

1.開展電氣化公路的研究和規劃。作為歐洲的工業強國,德國、瑞典、英國都制定了全國性電氣化公路規劃并開展試點,美國、以色列也在積極嘗試。中國應對這些國家進行深入的對標分析,將電氣化公路納入交通強國和交通碳中和戰略。

2.積極開展試點。可考慮四類不同情景的試點。一是礦區公路。在一些貨運重卡沿規定路線行駛的礦區、運煤專線試點電氣化公路。二是城市貨運干線。在中心城市的機場、火車站和城市物流中心之間貨運干線試點。三是交通主干道。在京廣、京滬等交通繁忙的主干線進行局部路段試點。四是清潔能源走廊。西北地區如京藏、京新等高速公路路側有大量土地資源,可建設清潔能源走廊,其所發風電光伏電力,可直接為電氣化公路供能。

(三)深化技術創新,建設智慧電氣化公路

應繼續探索創新技術以及不同技術之間的協同,在電氣化公路基礎上逐步實現公路智慧電氣化。

1.加大對公路清潔供能技術的研究。公路使用電力供能的減排效果較明顯。中國應大力開發可再生能源,降低電力碳排放。德國可再生能源法鼓勵在公路兩側200 米內建設光伏電站。路側光伏、隔音屏光伏、服務區屋頂和停車場光伏已有嘗試,可繼續探索路面光伏及光伏廊道。

2.探索電氣化公路、充換電站和氫能基礎設施的協同互補。電氣化公路在配建光伏電站時,需要新建一定數量的充換電站設施進行消納和儲能。當路側光伏電站規模足夠大時,還可建設制氫裝置,促進公路光伏、電氣化公路、充換電站、加氫站實現源網荷儲一體化。

3.開發基于5G 等通信技術的智慧公路技術。電氣化公路實現了全路段的電力供應,通過應用5G技術實現各種智慧公路技術的升級,未來將極大普及無人駕駛技術。這不僅有助于提高車輛速度,還能有效保障公路交通安全。

建設智慧電氣化公路,可為能源、交通、信息三網融合提供良好的應用場景。此外,智慧電氣化公路還將帶動一系列產業的發展,如電動汽車制造業、電池、智能電網等。智慧電氣化公路對中國實現交通碳中和、成為全球交通強國有重要意義,還將為全球碳中和作出重要貢獻。