碳达峰碳中和目标下的公路交通绿色综合能源系统建设——以新疆为例

罗小刚,娄伟,张会成

（1.新疆交通投资集团有限责任公司，新疆维吾尔自治区 乌鲁木齐 830006；2.中国社会科学院生态文明研究所，北京100010；3.上海离岸工程研究院，上海 201306）

0 引言

“十三五”期间，国家提出3060双碳目标及“交通强国”等国家战略，推动能源结构调整和能源技术变革，交通运输部出台《加快推进绿色循环低碳交通运输发展指导意见》等文件督促交通运输面向数字化、网络化、智能化及绿色化转型，实现绿色低碳发展。新疆是国家能源资源陆上大通道，国家重要的清洁能源基地，风电年均利用小时数可达2300小时，光伏年均利用小时数可达1300小时，新能源自洽条件充分。在公路交通行业充分开发利用可再生能源源，构建绿色综合能源系统，推动公路交通能源转型，不仅有利于促进新疆公路交通行业的创新和绿色低碳发展发展，也有利于探索中国公路交通的绿色发展之路。

1 绿色综合能源系统是公路交通行业响应碳达峰碳中和目标的必然选择

2020年9月22日，习近平总书记在第七十五届联合国大会上提出：“中国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”党的十九届五中全会把碳达峰、碳中和作为“十四五”规划和2035年远景目标。2021年3月15日中央财经委员会第九次会议进一步强调，把碳达峰碳中和纳入生态文明建设整体布局。公路交通行业构建绿色综合能源系统有利于深化碳减排工作，是对国家碳达峰碳中和目标的积极响应。

1.1 中国公路交通行业面临较大的减碳压力

交通行业能耗较大，“双碳”目标下的减碳压力较大。2018年，我国石油表观消费量达6.48亿吨，一半以上用于交通运输燃料，柴油、汽油、燃料油和航空煤油等油品占交通运输用能的90%以上[1]。高能耗带来较大的碳排放，中国二氧化碳排放超100亿吨/年，占全球二氧化碳排放量的1/3，交通领域又约占中国总碳排放量的10%[2]，也有观点认为，“交通运输行业作为国民经济发展和居民生活必需的基础产业之一，碳排放占全国终端碳排放15%左右”[3]。尽管具体数据有一定差异，但所有研究都反映出，交通行业已成为工业、建筑之后的第三大二氧化碳排放源，特别是公路运输占全国交通运输碳排放总量的85%以上。2013～2019年，我国交通运输领域碳排放年均增速保持在5%以上，已成为温室气体排放增长最快的领域。根据国家发改委能源研究所测算，在政策情景甚至强化政策情景下，交通运输部门终端能源需求直到2035～2040年才能实现达峰，晚于建筑部门（2030年）和工业部门（2020年）[4]。交通运输部门的节能减排情况对我国的二氧化碳排放能否实现2030年左右达峰，以及达峰后的走势有重要影响。

新疆地区地域广阔，再加上社会经济的快速发展，交通行业能耗和二氧化碳排放量较大。相比铁路和水路，公路运输在运输量中仍占据主体地位，碳排放量偏高，根据公路交通行业的能耗计算，2019年新疆交通运输行业能耗产生了3077.62万吨二氧化碳排放。从全国视角来看，新疆碳排放权为0.669×108T，占比0.5%，碳排放量为5.641×108T，位居全国第9位，碳排放初始空间余额为-4.972×108T，位居全国倒数第三位，呈现出明显的“高排放、低配额”特征[5]。新疆面临极为严重碳的排放赤字，交通行业又是新疆控制碳排放的关键行业之一，随着“碳峰值”“碳中和”等应对气候变化新目标的部署，交通运输行业面临绿色变革提速的压力，能源向绿色低碳转型就成为新疆交通行业减碳的重要路径。

1.2 绿色综合能源系统是公路交通行业可持续减碳的需要

绿色低碳公路交通的核心是控制资源占用、减少能源消耗、降低碳排放[6]。随着光伏、风电等可再生能源的快速发展，构建绿色综合能源系统，向交通运营管理、服务区、道路、桥梁涵洞等系统提供可再生能源电力，不仅在技术及经济方面具有可行性，更对指导新建绿色公路具有重要参考意义。公路交通行业构建绿色综合能源系统也符合国家政策的支持方向，中华人民共和国交通运输部制定了公路交通运输绿色低碳发展行动计划并开展建设绿色公路典型示范工程，明确了绿色低碳发展时间表、路线图，将重点从提升交通运输领域能源利用效率、优化交通运输结构、推广节能低碳交通运输装备、引导绿色低碳出行等四个方面开展工作。

浙江省、江苏省、山东省、天津市、山西省、甘肃省、内蒙古自治区及湖北省等地已率先开展了交通+光伏绿色公路的建设与实践，大部分省份将光伏、风电、储能、充换电、制氢及加氢等工作分成不同主体，进行多头开发。部分省份、企业集团重视综合开发利用绿色低碳能源，其中湖北省交通投资集团、山东高速集团、天津高速集团均已开展相关综合项目的建设，利用高速公路边坡处、服务区、收费站等合适区域开发风力、光伏发电项目，适时建设储能、制氢、智能充电桩及电动汽车集成换电系统。天津港北疆港区C段智能化集装箱码头1#泊位联调联试取得成功，全场设备全部使用清洁能源，与传统垂直布置端装卸的自动化集装箱码头作业模式相比，在作业效率持平的情况下，该码头建设投入降低30%以上，能耗降低20%以上，运营成本降低25%。

新疆地区可再生能源资源丰富，且可再生能源开发利用的基础较好。“十三五”期间，新疆的风电、光伏发电装机均居全国第二位，“十四五”时期，新疆全区可再生能源装机规模将达到8240万千瓦，建成全国重要的清洁能源基地。可再生能源及氢能均将是新疆的重点产业，这为公路交通行业构建绿色综合能源系统奠定了有利的基础。

新疆公路交通行业构建绿色综合能源系统，有利于应对“孤岛现象和气候场景多样性”。公路交通点多、线长，分布较广、孤岛现象普遍、能源供应方式单一，电网末端电压偏小，传统供电架设成本高、损耗大、成本效益不匹配。例如交投所辖路段小乌高速杏花村隧道低处高山峻岭之巅，外电建设成本3000万，但每年用电成本每年仅为190余万，且需承担高额的电容、运营费用。绿色能源系统以自洽供给为典型技术特征，能降低传统供电架设成本。新疆公路沿线的可再生能源及氢能开发潜力参见图1及图2。

图1（左图） 新疆公路沿线的风能及氢能开发潜力

图2（右图） 新疆公路沿线光热资源分布情况

2 公路交通绿色综合能源系统的经济与技术特征

公路交通绿色综合能源系统以打造清洁低碳、安全高效、智慧开放的现代能源体系为目标，以可再生能源基地、智能配电系统、源网荷储协同互动等为抓手，通过充分开发利用高速公路路域资源，建立绿色能源与高速公路基础设施用能供能相适应的自洽供给、谷价储能余电上网、数字化智能控制、高能利用的能源体系。

2.1 以多域融合及循环经济为特色的产业发展模式

公路交通绿色综合能源系统建设涉及到诸多利益相关者，需要多领域合作。以新疆交通投资集团有限责任公司为例，该集团以科技创新为驱动，以二级单位为支撑，以智慧公路、循环经济、能源绿色变革技术研发应用及数字化、网络化、智能化、绿色化的虚拟平台建设为重点发展方向，通过产学研用深度融合，推动交通领域的能源装备、建筑材料及物流等要素的高质量协同发展，力求构建出安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系。

新疆交投集团针对双碳目标，结合新疆域情与交投集团发展战略，以科技创新驱动为支撑，探究制定以绿色低碳转型为典型特点的交通发展规划和实施路径。通过以产学研用协同创新为平台，以示范工程为载体，加快能源技术自主创新，力争在核心技术、关键设备集成及材料应用等方面取得创新成果。通过形成可复制、可推广的模式，力争把新疆交通企业打造成我国交通运输领域绿色低碳转型的示范企业，成为中国公路交通行业绿色发展的参与者、贡献者及引领者。新疆交投集团公路交通绿色综合能源系统的多域融合及循环经济发展模式参见图3。

图3 新疆交投集团公路交通绿色综合能源系统的多域融合及循环经济发展模式（作者：罗小刚、娄伟、张会成、闫威武、琚长江、陈国栋、熊灿、张一章、刘海威、刘志成、郭俊峰、冯立群）

2.2 以自洽供给为典型技术特征的绿色能源系统

新疆交投公司现承接运营管理全区33条高速（一级）公路，沿线205个收费站、71处服务区、养护区，运营公路里程6013公里，这些设施的供电、供暖、燃料、制冷、养护运维等涉及到大量的能源消耗。开发利用管理区域内屋面、空余场地、闲置土地等路域资源，采用“自发自用谷价储能余电上网数字化智能调控”模式，以分布式风电、光伏互补可再生能源发电，及氢能、储能的自洽供给为核心，展开综合能源服务。

绿色能源自洽供给可提供低于现有电价的服务，逐步降低集团公司用电成本，解决能源供应方式单一，保证沿线用电安全可靠，为后期拓展交旅融合、5G基站、交通电气化负荷增长、数字新基建、建设综合能源站（加油、加气、加氢、充换电、制氢）等业务用电需求提供绿色安全可靠坚实的保障。与央企头部企业跨界融合发展实现可再生能源合作，企业服务区、收费站、养护工区可实现0.36～0.56元/千瓦时的用电成本，每千瓦时约节省电费0.2元左右。按集团公司服务区、收费站、养护工区正常年份下每年用电量6000万千瓦时计算，若集团所辖服务区、收费站、养护工区全部采用清洁能源项目电力，每年将至少节约1200多万用电成本。后期利用分布式风光互补发电、谷价储能的自洽供给、余电上网、数字化智能调控高效利用综合能源服务基础上，在高速公路前期规划阶段统筹规划、设计沿途专线供配电系统，解决高速公路沿途的用电所需，可以有效减少基础设施投资、降低用能成本，提高商业服务收入。

在具体实施方面，新疆交投公司采取“统筹规划，示范先行，有序开发”的方针。逐步试点开展路域风电、光伏等可再生能源发电，加油、加气、加氢、充换电、储能储氢、站外制氢综合示范能源站，氢燃料电池热电联供发电站及储能系统和纯电动、氢燃料电池的运维（工程机械）、养护车辆的项目试点示范建设，就地消纳风电、光电产能，完全用清洁能源能充换电、制氢。在交通运输领域，纯电动、氢燃料电池的各种运维（工程机械）、养护车辆的运行能效排放优越其他燃料，使交通企业率先进入低碳能源赛道。在推进风电、光伏可再生能源及氢能源利用的同时，有利于大幅度降低公路及附属设施运行和维护的碳排放量。新疆交投集团公路交通绿色综合能源系统的自洽供给模式参见图4。

图4 新疆交投集团公路交通绿色综合能源系统的自洽供给模式（作者：罗小刚、娄伟、张会成、闫威武、琚长江、陈国栋、熊灿、张一章、刘海威、刘志成、郭俊峰、冯立群）

3 公路交通绿色综合能源系统建设面临的挑战与应对路径

根据中国公路交通与能源发展的战略需求，以及双碳目标的战略要求，构建公路绿色综合能源系统是必然的发展趋势。在公路交通行业绿色能源系统建设过程中，需要解构传统的公路交通能源体系，面临着技术、资金、市场及消费习惯等诸多方面的挑战，这里以新疆公路交通为例，分析构建公路交通绿色综合能源系统面临的挑战及应对路径。

3.1 公路交通行业绿色综合能源系统建设面临的挑战

近年来，新疆绿色交通工作取得了明显进展。至2020年年末，新疆民用汽车保有量471.13万辆，比上年末增长7.6%。其中：私人汽车保有量391.40万辆[7]。纯电动、混合动车3154辆[8]。由于多种主客观原因的影响，新疆公路领域在构建绿色综合能源系统过程中也面临一些挑战。

一是清洁能源使用占比较低。公路交通中清洁能源利用比例低，部分公路沿线设施清洁资源丰富，但受技术水平所限，不能进行消纳利用，存在弃风弃光浪费现象,急需优化能源结构，大力推广清洁能源应用随着新能源汽车的飞速发展，公路交通的电气化负荷快速增长，原有站点配电容量不足，导致“荷-源”不匹配现象严重。

二是能源“荷-源”匹配难。公路交通能源系统中，在能源端如光伏、风电等新能源存在波动性、随机性和间歇性问题，在用能负荷端，加油加氢站，服务区，收费站，桥隧等基础设施分布广，用能负荷差异化，导致公路交通“荷-源”匹配难。

三是基础设施建设滞后。公路交通的智能化和数字化建设在初现轮廓，与国家提出交通网、能源网、信息网、服务网的四网融合还有加大差距，亟待围绕公路交通能源进行转型升级实现高质量发展。

四是缺少成熟的经验。在交通新能源开发方面，各省、市存在着不同形式多头开发，运维成本高，无统一标准，难以形成规模化效应的困难。公路领域构建绿色综合能源系统是一个新的领域，缺少可以参考借鉴的成熟经验。

3.2 公路交通绿色综合能源系统建设的重点

新疆公路交通行业在构建绿色综合能源系统过程中，所面临的挑战既有区域的特殊性，也有更多的普遍性，例如，清洁能源使用占比较低、能源“荷-源”匹配难及基础设施建设滞后等。针对这些问题，新疆及全国其他区域的公路交通行业应重视以下几个方面的建设。

一是完善顶层设计，建设低碳综合交通运输体系。把调整交通运输结构，实现交通网+能源网+信息网+服务网的四网融合作为交通运输碳达峰的主攻方向，充分考虑当地交通运输特点，大力发展新基建、新能源的跨域发展、融合，实现结构减排效应的最大化。需要以交通企业为主体统筹规划实施，从资源节约、绿色低碳转型、可持续交通方面发展制定规划和实施路径。

二是推动交通运输能源变革，实现低碳交通治理体系和治理能力现代化。把强化低碳交通治理、提升交通运输效率作为实现交通运输碳达峰的重要途径。“提高运输效率是减少能源使用量的基础，是降低运输碳强度的重要手段，也是实现交通运输低碳发展的重要途径。”[9]交通企业需要把低碳交通技术创新与能源转型作为重要着力点，推广应用可再生能源，充分挖掘交通运输发展各领域、各环节的技术减排潜力，重视新建自控加油、加气、加氢、充换电、制氢燃料电池热电联供发电站，以及氢燃料电池系统产品等公路交通综合能源产业链。

三是推动低碳技术应用发展，提升交通运输综合能效和减排效率。交通碳排涉及诸多领域、环节、行业及部门，需要结合各地实际情况制订交通领域碳排放量化导则，明确计算方法及范围边界。对于新疆公路交通行业来说，应先成立碳资产管理公司，推动新疆交通领域率先实现碳达峰、碳中和，科学量化交通领域二氧化碳排放。开展满足沿线清洁能源用能的全域路权路域及拟建公路能源先行的开发，自发自用谷价储能余电上网，降低交投用电和投资成本，实现长期稳定收益。初步测算风电5GW、光伏15GW，按三分之一开发风光电1.5GW(1.5×65=97.5亿元)、光伏5GW(5×35=175亿元),合计272.5亿元可开辟交通行业与能源单位跨域合作新领域。

四是积极开拓路衍经济发展，大力开发公路全域资源。交通行业主管部门应以双碳目标绿色低碳转型为契机，主导统筹公路全域资源开发利用问题，创新沿线全域闲置资源的开发模式。对于新疆公路交通行业来说，应择优选取大央企能源集团单位签署沿线全域能源合作开发协议，形成竞争机制，组成专班负责可行性研究、规划、技术储备支撑，以及清洁能源开发、消纳等方面的保障实施与落地工作。应以一定比例折算入股，进行新能源试点项目建设，以点带面，在项目保证收益率的前提下再逐步推广应用。根据不同运行公司特点，一路一案，通过优化现有公路设施的用电方式、提升用电效率，降低用电功耗和运维费用，实现安全可靠，降耗节能，高效低碳运行，共享降耗收益。

五是开展多元化双碳技术研究。要落实交通运输行业低碳发展的可视可测等基础工作，重点关注交通排放量的定量研究，便于交通运输管理部门引导开展针对性减排措施[10]。应以科研课题、专项技术攻关等方式解决交通、能源数字化跨域发展的难题，以国家相关政策为指导，逐步建立综合能源科技创新体系，从科研、规划角度先进行课题研究，在课题成果基础上立足现状进行新能源试点相关工作；抓住交通运输新一轮能源结构调整和绿色变革提速，构建结构多元用能供能稳定的现代绿色能源体系；进行碳排放现状、核算、预测、减排路径、关键技术及减排潜力等多个方面的研究，推进互联网+现代交通发展，通过运用大数据、人工智能等先进技术手段，实现智慧交通赋能拓展，发挥科技创新驱动支撑和引领作用。

4 结语

推进包括公路交通在内的交通行业的低碳化，是中国实现碳达峰及碳中和目标的重要一环，构建公路交通绿色综合能源系统有利于优化能源结构及提升能源利益效率。结合新疆公路交通行业的实践探究，在公路交通绿色综合能源系统建设过程中，需要重视以下几个方面：一是科学研究与统筹规划。应针对双碳目标、挑战及机遇，研究论证有前瞻性和可操作性的绿色低碳转型可持续发展规划和实施路径，并重视公路交通领域减碳的相关研究和工程化设计；二是跨界融合与产业链延伸。重视新建由自控加油、加气、加氢、充换电、制氢、燃料电池热电联供发电站、纯电动和氢燃料电池系统产品等公路交通产业链构成的综合能源系统，实现创新引领长期稳定收益；三是能源系统的综合化及自洽供给。利用路权路域资源全路域开发风、光等可再生能源，实现自发自用、谷价储能余电上网、数字化智能调控，逐步降低用电成本；四是重视碳交易及碳金融工作。积极参与碳市场建设，通过组建碳资产管理平台进行监测、核算、预测，实现碳交易收益“跟跑并跑领跑”并行。