以下文章来源于交通节能与环保 ,作者付志坚,王磊明等
本刊由中华人民共和国交通运输部主管,人民交通出版社股份有限公司和交通运输部公路科学研究院共同主办。针对交通领域,以交通建设和发展过程中环境保护和能源节约方面的宣传报道为主,重点报道科研生产过程中节能减排技术的推广及应用。
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原文题目:
“双碳”背景下电气化公路运输系统绿色低碳效益探析
原文作者:
付志坚,王磊明,刘继永,孙海鹏
论文DOI:
doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2024.04.001
摘要
电气化是公路货运节能减排的核心路径,文章首先分析了公路货运的排放现状,指出重型货车是交通运输行业减污降碳的“牛鼻子”。然后,提出了重型货车电气化的三大路径:电动化、氢燃料电池和电气化公路,并对电气化公路的技术、经济、能效等进行了阐述。最后,以49吨重型货车、100公里运输场景为例,推演了重型货车的减污效益、降碳效益以及其他绿色效益。
01
公路货运与减污降碳
公路货物运输是综合交通运输体系的重要组成部分,以载货汽车为主要运输工具,相较铁路、航空和水运具有机动灵活、可以实现“门到门”运输等优势。载货汽车以柴油为主要动力,根据能源与交通创新中心(iCET)数据,重型货车呈现出“高油耗、长里程”的特征:重型货车燃油消耗量平均约40L/100km,仅次于半挂牵引车(约44L/100km),中型货车平均约20L/100km(与大型客车相近),轻型货车平均不到10L/100km(与出租车、私家车相当);另外,重型货车往往进行百公里以上的跨城跨省中长途运输,需要更多燃料提供动力。虽然重卡的保有量仅占汽车保有总量的3%左右,但柴油消耗量在国内柴油总消耗量中的占比仍超过40%。
在公路运输碳排放中,重型货车的排放量最大,占公路运输碳排放总量的54%,中型货车、轻型货车分别占1.7%、5.5%,货运碳排放合计占比61.2%,如图 1 所示。为此,主管部门提出了系列举措支持和推动公路货运节能降碳,如《交通运输部 国家铁路局中国民用航空局 国家邮政局贯彻落实〈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〉的实施意见》提出了“推动城市绿色货运配送示范工程创建”“积极发展新能源和清洁能源运输工具”“加强交通电气化替代”等战略措施。
图1 公路运输各类车型CO2排放情况(2019年)
载货汽车在运输过程中会产生大量污染物,加剧雾霾、酸雨等恶劣天气的形成。根据生态环境部发布的数据,2022年全国货车一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)排放量分别为191.4万吨、40.5万吨、435.4万吨、4.6万吨,占汽车排放总量的28.6%、23.5%、84.4%、91.2%。其中,重型货车是交通领域NOx和PM的主要排放源,占汽车排放总量的76.1%、50.7%,如图2所示。《中共中央、国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》将柴油货车污染治理列为“蓝天保卫战”的三大标志性战役之一,生态环境部等15个部门专门印发了《深入打好重污染天气消除、臭氧污染防治和柴油货车污染治理攻坚战行动方案》。
图2 2022年各类型汽车四项污染物排放量占比
02
重型货车电气化方案
2.1
新能源方案
当前,推广应用新能源是构建绿色低碳交通运输体系的首选。《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》提出以纯电动汽车、插电式混合动力(含增程式)汽车、燃料电池汽车为“三纵”,到2035年纯电动汽车成为新销售车辆的主流,公共领域用车全面电动化,燃料电池汽车实现商业化应用。在能源安全和“双碳”目标驱动下,我国新能源汽车产业发展迅猛,新能源汽车产销量连续8年保持全球第一。目前我国新能源汽车行业基本建成完备且有国际竞争力的产业体系,在产业化、市场化的基础上,正迈入规模化、全球化的高质量发展的新阶段。在道路重载货运新能源车辆领域,自2019年以来国务院、工信部、生态环境部等相继出台了一系列与道路重载货运新能源替代相关政策,推进了新能源重卡产业落地与产业链发展。数据显示,2022年我国新能源重卡共销售25,477辆,占比3.8%,同比增长142.34%,渗透率从2020年的0.15%提升至3.74%,新能源重卡行业呈现出迅猛的发展势头。目前新能源重卡存在纯电动(充电/换电)、燃料电池等几种技术路线。
纯电动分为充电和换电两种方式。重型货车通常需要长时间连续运行,受制于电池的能量密度、充放电速度和成本等因素,充电方案在重型货车中难以推广,换电方案更具优势。2021年10月,工业和信息化部出台了《关于启动新能源汽车换电模式应用试点工作的通知》,在包头、唐山和宜宾进行重卡换电试点;2023年1月,工业和信息化部等8个部门联合印发了《关于组织开展公共领域车辆全面电动化先行区试点工作的通知》,提出支持换电、融资租赁、“车电分离”等商业模式创新。在国家及地方政府的政策推动下,换电重卡迎来井喷式发展,占新能源重卡销量的比重由2020年的0%左右攀升至2022年的近50%。
燃料电池商用车被认为是氢能应用的突破口,而氢能重卡(占比约50%)是燃料电池商用车的“主角”。根据波士顿咨询公司(BCG)预测,到2030年,用于城际运输的中卡和所有重卡,燃料电池动力系统将占据主导地位:长途运输使用的重卡,33%为新动力系统(包括电池、氢燃料电池、液化天然气),其中氢燃料电池占比20%;封闭环境使用的重卡,19%为新动力系统,其中氢燃料电池占比11%。
目前,新能源充/换电重卡仍被其“续航短、自重大、价格高、充/换电不便、应用场景单一”的硬伤所局限。对于充电重卡,其适宜应用场景为充电基础设施完备、间歇性使用的短途运输;对于换电重卡,其适宜应用场景为换基础设施完备、路线固定的专线运输。氢燃料电池重卡处于市场应用探索期,受限于其技术不成熟和市场尚未形成规模等因素,因此产品成本、使用成本居高不下,当前氢燃料商用车使用主要为政府补贴性质的示范性应用。
2.2
电气化公路运输系统方案
在交通能源互联网背景下,加强交通网与能源网之间互通互动,提高交通能源的整体利用效率,成为公路货运电气化一个发展方向。2022年,交通运输部、国家铁路局等部委联合发文提出“加强交通电气化替代”。电气化公路运输系统为重型货车电动化提供了一个现实可行的技术途径。
电气化公路运输系统的组成结构如图3所示。
图3 电气化公路运输系统组成
电气化公路运输系统的概念最早由德国西门子公司提出。西门子自2012年就开始在德国测试其“未来的电子高速公路”概念,研发形成了eHighway方案,将商用车改装为柴油或电动动力总成,从架空电缆中获得电力,可仅依靠电力动力行驶。2017年首次在德国高速公路上进行电气化货运系统的公开实地测试。目前,西门子公司已在瑞典、德国、美国等地建立了高架线移动供电网络,证明了电气化公路改造的可行性。电气化公路利用电网电力驱动车辆,减少了储能转化环节,综合能源效率较高。德国环境部的数据显示,电气化公路能源利用效率高达77%,高于电动车的 66%和氢燃料电池汽车的29%。
国内外电气化公路运输系统相关研究及应用仍处于测试、验证与示范应用阶段,没有大的技术差距。中车株洲、中车大同在2023年先后发布了电气化公路运输车辆原型产品,填补了我国在电气化公路领域的空白。国内学者在技术、经济等方面产生了一些成果。考虑受电弓及供配电设施综合成本,电气化公路车辆运输成本比传统柴油车辆和蓄电池车辆分别降低32%和28%;每年运量按1,500万吨计算,电气化公路总成本比传统柴油车辆和氢能重卡分别降低39%和 61%。
03
电气化公路运输系统的绿色低碳效益
3.1
减污效益
按照1m3的柴油燃烧排放的主要大气污染物:氮氧化8.57kg/m3,二氧化硫10kg/m3,烟尘1.8kg/m3计算,35L柴油燃烧排放氮氧化物、二氧化硫、烟尘分别为0.29kg、0.35kg、0.06kg。按照1kWh 的火电/电力生产排放的主要大气污染物:氮氧化物133mg/kWh和87.6mg/kWh,二氧化硫83mg/kWh和54.7mg/kWh,烟尘17mg/kWh和11.3mg/kWh,二氧化碳824g/kWh和541g/kWh计算,170kWh电力生产排放如表1所示。
表1 电力生产主要大气污染物排放量
若以火电为来源,相比传统燃油重型货车,电气化公路车辆氮氧化物、二氧化硫、烟尘减排率分别达到92.4%、95.9%、95.5%;若以全国平均电力计算,电气化公路车辆氮氧化物、二氧化硫、烟尘减排率更是高达95%、97.3%、96.9%。由此可见,采用电气化公路运输系统,每年能源替代可减少大量污染物排放,生态环境效益非常可观。
3.2
降碳效益
燃油重型货车满载时的单位货运周转量排放因子按0.049kgCO2/(t ⋅ km)取值,柴油生产过程排放因子按0.67kg/kg 取值,则35L(约29.4kg)柴油消耗排放二氧化碳259.7kg。而170kWh火电/电力生产排放二氧化碳分别为140.08kg和91.97kg。因此,若以火电为来源,相比传统燃油重型货车,电气化公路车辆二氧化碳减排率达到46%;若以全国平均电力计算,电气化公路车辆二氧化碳减排率更是高达64.5%。
对于电气化公路的减污降碳效益,减排强度因电力来源而异,电力含“绿”量越高,减排率就越高。极端情况下,如电力全部来源于水电、风电或光伏发电,则电气化公路的大气污染物排放量(仅考虑电力生产环节)为0,碳减排率分别为99.1%、98.2%、94.1%,如表2所示。
表2 不同类型电力的二氧化碳排放量及碳减排率
(按 170kWh 计算)
3.3
其他绿色效益
随着西部大开发的推进和“一带一路”的建设,西部地区公路货运前景广阔,能源需求持续攀升。同时,西部地区作为我国重要的清洁能源基地,一直存在着“弃水、弃风、弃光”现象。国家能源局数据显示,2022年全国水电、风电、光伏发电利用率分别为98.7%、96.8%、98.3%,其中蒙东、蒙西、青海、甘肃弃风率仍高达10%、7.1%、7.3%、6.2%,青海弃光率高达8.9%,大渡河流域弃水率高达5%。
电气化公路可将风电、光伏等新能源电力直接接入供电网,实现新能源的就地消纳,有助于解决弃风弃光等问题,减少可再生能源并网引起的电网波动和远距离输送带来的电能损耗。
(本文为节选,点击“阅读原文”可获取全文)
文章转自微信公众平台“交通节能与环保”
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