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碳中和系列观点博客

“绿色燃料”三步走:如何实现2060交通碳中和

作者:刘琦宇、王喆



2060年之前实现碳中和这一历史性目标的提出,为各行业在低碳发展路径和发展方式上提出了更高的要求。根据落基山研究所推算,在交通行业,通过节能增效,交通方式转型等方式能够实现大约30%的碳减排量。但是,交通行业实现碳中和,则需要更为全面的能源转型,特别重要的是用清洁能源替代传统的化石能源。

与电力、工业和建筑行业不同,交通运输行业多数情况下难以直接使用风、光等清洁能源,必须将清洁能源转换成可以储存、运输的形式,使其成为交通行业能够直接使用的“绿色燃料”,才能满足深度减排以及净零排放的目标。

交通行业主要包括道路、铁路、航空和船运这四种交通方式,每一种方式对“绿色燃料”的要求都不尽相同。在完善的电力基础设施和电池技术快速进步的推动下,电能在交通行业已经得到了大规模的应用,并成为了道路和铁路交通最主要的清洁能源替代方式。然而动力电池体积大、重量大,并不适用于部分航空和船运场景,这两种交通方式需要更多地依靠氢能、氨气和生物质等其他新能源来满足供能需求。

鉴此,在2060年碳中和的情景下,交通行业将根据不同交通方式的特征,依托多种清洁能源实现净零碳发展:

·以清洁电力为基础的动力电池应用于以道路交通为主的小型、轻型交通和铁路;
·氢能(或氨气)应用于重型道路交通和海运等;
·生物质能源(或合成燃料)则主要应用于远程航空领域。 

本文针对不同的交通方式,结合以上几种清洁能源的特点和现状,为中国的交通碳中和初步设立了短、中、长期三个阶段的目标。

短期目标:电气化稳固道路和铁路交通等碳中和基本盘

交通电气化是几种清洁交通方案中实现难度最小、成本最低且能量转化效率最高的。过去几年中,得益于动力电池的快速发展,交通电气化的范围已经从原本的铁路逐步拓展到轻型机动车、小型船舶甚至飞机。考虑到中国道路和铁路出行的巨大体量,2060年电气化交通能耗超过2万亿度,相当于替代了合2.68亿吨标煤的化石燃料,占整个交通部门能耗的一半。因此,短期内,加速道路交通的电气化转型是实现交通行业低碳甚至零碳发展的核心,需要政策、技术、市场和基础设施等多方面相互配合。

在政策层面,一方面可以通过明确中长期燃油车退出时间表,并结合更为完善的新能源汽车产业规划,实现整体产业的发展转型;另一方面,也可以通过逐步提高燃油汽车的油耗和排放标准,并结合路权政策等措施增强电动汽车的竞争力。在技术层面,电池技术的持续突破和整车技术质量的优化仍是核心和重点,可以通过设定更为严格的技术标准和产业支持基金等方式加速行业的技术创新。最后在市场和基础设施层面,除了继续大力进行充电基础设施的布局之外,还需要着力打造车辆使用的运营维护服务体系,降低用车成本,快速推进新能源汽车的规模化应用。

中期目标:实现氢能大规模商业应用,满足重型道路交通的脱碳需求

受限于电池能量密度相对较低的特点,交通部门还有大约50%的能源需求难以通过电气化解决,需要依靠氢能等能量密度更大的燃料来实现深度脱碳。氢能燃烧生成的唯一物质为水,因此是从末端排放角度来看最为清洁的能源。目前国内氢能的来源主要以工业环节副产和煤炭气化为主,但是可以预见在碳中和目标之下,“绿色制氢”,即电解水制氢,将成为必然,技术突破和成本的降低将加速促使电解水制氢成为主流。

目前,成本问题仍然是将氢气应用于交通领域的主要难点。一方面是车辆本身造价较高,目前氢能燃料电池卡车的售价通常在同水平的燃油卡车价格的5倍以上。另一方面是燃料价格高,即便是在使用成本较低的化石燃料进行氢气制备的情况下,其制备、储存、运输等总成本也比燃油更昂贵。随着氢燃料电池的技术逐步成熟,以及规模效应逐步加强,车辆本身的造价和售价会不断下降;另一方面,在氢能的储存、输送和加氢站等相关基础设施不断完善的情况下,氢能的使用成本也会随之降低,最终实现氢能在重型交通领域对传统燃油的全面替代。但是从目前氢能产业的发展趋势来看,实现成本的大幅下降和全面商业化仍然需要一定的过渡时期,因此,重型道路交通依靠氢能实现脱碳将是一个中长期的过程。

为了在中期2040年左右实现氢能的大规模商业化应用,需要加快相关技术的发展与研究。中国在氢能应用技术发展上的优势在于市场广阔,政府扶持力度大。在国务院办公厅11月印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》中就提到,中国将大力发展氢燃料电池以及氢能的储运技术。工信部在《节能与新能源汽车技术路线图》中提出了氢燃料电池车在2025达到5万辆、2030年达到100万辆的目标。同时,财政部、工信部、科技部、发改委、能源局等五部门也在《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》中明确提出,将通过“以奖代补”的方式以城市群为对象对燃料电池汽车产业的发展进行支持。

长期目标:依靠生物质燃料和碳捕获技术实现航空和船运碳中和

电气化和氢能的快速发展能够在很大程度上解决交通行业清洁能源利用的问题。基于落基山研究所对各类能源供给和需求量的分析,到2060年,交通行业约80%的能耗可以通过氢气与电气化来满足,剩余的20%中很大一部分则来自大型航空和远洋船运。由于这两种交通方式对能源的种类和能量密度要求较高,很难通过一般性的清洁能源完全进行替代。

综合考虑各类其他清洁能源,生物质燃料(或合成燃料)是可行的办法之一。生物质燃料是用可再生生物质生产的燃料,因此在能源形式和热值上可以起到与化石燃料几乎相同的作用。但生物质燃料的缺点在于其产量限制,一代生物质燃料只能用粮食作物和食物残渣作为原料,产量难以满足需求,而能够使用秸秆、落木等作为原料的二代生物质燃料技术还没有走出实验室。根据中国可利用的生物质总量估计,到2060年生物质燃料可以为交通部门提供大约相当于3000万吨标煤的燃料,约占所需总量的5%。

从可用能源种类的角度看,交通行业已经具备了在2060年实现全部清洁能源替代的潜力,但考虑到实际的技术和使用成本,100%清洁能源替代或许并不是最为经济可行的解决方案。如果从经济性的角度出发,到2060年有85%的交通能源都能够通过清洁能源进行供给,剩余大约15%交通能耗(大约相当于2.5亿吨的二氧化碳排放),则需依靠碳汇或碳捕获和封存技术,才能实现完全意义上的碳中和。


综合以上分析,在2060年之前实现交通行业碳中和,需要在未来40年内快速实现能源转型。对于交通整体行业来说,不仅需要保持对氢能、生物质等清洁替代能源在技术研发方面的大力投入和提前布局,而且需要抓住2020-2030的黄金10年,利用已经渐成规模的电动汽车和高速铁路等解决方案快速实现道路交通排放提前达峰,并尽早开始下降。中国已经在交通行业的排放控制方面迈出了坚实的步伐,相信在各方共同努力下,一个清洁低碳高效的交通体系,必然成为贡献于国家碳中和目标的亮点行业。