“双碳”背景下交通运输行业技术发展建议
朱育严
上海新能源科技成果转化与产业促进中心
气候变化是当今人类面临的重大全球性挑战。联合国IPCC AR6报告(2021年）［1］数据显示，目前全球地表平均温度较工业化前高出约1℃，如果在未来几十年内不大幅减少CO2和其它温室气体的排放，21世纪将面临超过1.5℃至2℃的全球升温，届时高温和极端天气将严重威胁人类的生命与财产安全。控制和减少CO2等温室气体排放是保护地球生态环境的重中之重。目前，全球已有130余个国家和地区相继提出“碳中和”或“零碳”目标。习近平主席在第七十五届联合国大会宣布中国力争2030年前CO2排放达峰，2060年前实现碳中和的目标愿景［2］。随后，习主席在联合国气候雄心峰会上进一步宣布到2030年，中国单位国内生产总值CO2排放将比2005年下降65%以上［3］。
国际能源署（IEA）统计数据［4］显示，2020年全球碳排放主要来自能源发电与供热、交通运输、制造业与建筑业三个领域，占比分别为43%、26%、17%（见图1）。
图1 2020年全球碳排放来源构成
由此可见，交通运输行业是第二大碳排放源。我国作为交通大国，高速公路通车里程、高速铁路与城轨交通运营里程均为世界第一，交通运输行业碳排放年均增速保持在5%以上，是温室气体排放增长最快的领域。碳排放总量占全国终端排放量约15%，其中公路占74%、水运占8%、铁路占8%、航空占10%左右。从美国等已实现碳达峰的主要发达国家发展历程看，交通部门能耗占终端能耗比重大，基本上都稳定在20%到40%之间。
随着交通基础设施网络不断完善，运输装备总量快速增加，运输服务规模持续增长，交通领域的碳排放占比仍面临进一步增长的挑战（见图2）。
图2 交通CO2排放占比（世界资源研究所）
2.1 交通基础设施是行业绿色低碳转型的重要领域
我国交通基础设施体量庞大，建设总量跃居世界前列。随着交通基础设施网络不断完善，碳排放强度较高与生态环境协调发展不足的问题逐步凸显。
2.2 交通运输是居民出行和物流服务的基础支撑和保障
随着经济社会的快速发展和人民生活水平的不断提高，交通运输需求总量、运输装备保有量持续增加，碳排放总量仍将持续增长（见图3）。
图3 2010-2019年汽车拥有量增长统计
2.3 出行者对交通服务品质满意度的追求不断增强
全社会对运输时效性、个性化、舒适度等的要求越来越高，运输服务规模持续增长，单位运输周转量能耗水平已接近发达国家，单位碳排放下降面临瓶颈。
2.4 交通行业实施节能降碳资金需求量大
政府间气候变化专门委员会第六次评估报告（IPCC AR6）［1］中指出，交通运输行业碳减排成本明显高于工业、建筑等行业（见图4）。
图4 典型发达国家交通运输CO2排放量
综上所述，相较于工业、建筑等领域，交通运输行业是实现“双碳”目标的重点和难点领域。
碳达峰碳中和目标对我国交通运输领域而言，既是行业发展的重大挑战，也是行业绿色转型的重要机遇。自2020年提出“双碳”目标以来，中国基本构建起“2+N”政策体系，《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》［5］和《2030年前碳达峰行动方案》［6］为我国碳达峰碳中和目标的实现描述了更清晰的路线图。在优化交通运输结构方面，明确要加快建设综合立体交通网，大力发展多式联运，提高铁路、水路在综合运输中的承运比重，持续降低运输能耗和CO2排放强度，推广节能低碳型交通工具，积极引导低碳出行。在增强交通运输绿色转型新动能方面，提出要强化绿色低碳发展规划引领，将碳达峰碳中和交通运输工作目标要求全面融入各地区交通运输中长期发展规划。
《交通强国建设纲要》和《国家综合立体交通网规划纲要》作为指导交通强国建设的纲领性文件，同样对低碳交通发展做出了擘画：一方面提出强化节能减排、打造绿色高效的现代物流系统等战略方向；
另一方面明确促进交通能源动力系统低碳化、优化调整运输结构等实施要求，指明了交通能源结构和交通运输方式低碳化两个重要方向［7］。
科技创新是实现碳达峰与碳中和目标的重要保障，其实质是从一个新的视角、新的约束条件对现有和未来的技术进行全面的审视、评估和筛选，是技术转型和升级换代，涉及交通的整个领域、整个过程和全寿命使用阶段。
碳排放涉及交通领域各方面和各环节。近中期，交通运输规模仍呈现中高速增长，加之上海市道路交通总体规模庞大，碳排放量居高不下且呈持续增长态势［8］，亟须大力发展和推广应用交通降碳减排技术（见图5）。
图5 交通领域涉碳环节
面向“双碳”目标，交通运输行业主要技术策略是低碳化、减量化、可再生和高效率，主要技术手段是升级建设和管理技术，全面采用智能技术，显著提高设施和交通运行的效能。
4.1 规划层面：碳排放推演评估平台
综合交通规划是调节交通运输需求、优化交通出行结构、均衡交通流时空分布、控制交通拥堵的根本，是交通领域实现减碳、脱碳目标的首要环节。上海新一轮规划中的城市更新战略也为从规划层面进行交通减碳提供了可能。将“双碳”目标纳入交通规划评估体系，明确交通领域的碳核算范围与边界，建立综合交通系统规划碳排放评估推演平台，攻克“双碳”目标驱动下的用地-交通联合规划理论与方法、枢纽/港口等重大交通基础设施选址布局优化方法、轨道/常规公交等多层公交线网一体化规划方法、既有城市路网更新与容量拓升等关键技术，具有重要意义。
1）搭建综合交通系统碳排放核算方法、标准与推演评估平台
通过分析交通领域碳排放核算对象、方法，明确部门间、区域间的碳排放核算边界、范围，面向由道路、轨道、水运、航空等组成的综合交通系统，制定全行业一致的碳核算标准。优化现有交通规划方案评估技术体系，引入碳核算技术指标，建立“双碳”目标引领下的规划方案评估技术体系。基于大数据、区块链等构建多式交通碳排放综合评估推演平台，支持综合交通系统规划方案的碳排放评估与预测。
2）研发五大新城“双碳”交通规划建设关键技术
（1）交通-用地联合规划理论与方法，重大交通基础设施选址优化
研究城市用地更新与交通系统更新的耦合效应，建立耦合效应下的交通系统碳排放核算模型，构建“双碳”目标下的交通-用地联合规划理论与方法。
（2）多层公交线网一体化运行及通勤MaaS+公交专用道”出行模式
以“减碳”为目标，研究多源数据条件下公交出行需求的大数据分析技术，研发分层异构公交网络设计与重构技术，实现轨道交通与常规公交“一张网”规划，创新“通勤MaaS+公交专用道”出行模式，缓解轨道交通客流负荷与碳排放压力。
（3）路网更新与容量拓升技术
以减少城市道路网络交通运行过程中的能耗和碳排放为目标，针对交通需求的快速增长与路网建设空间逐渐减小的矛盾，构建既有设施规模下路网更新方法与容量动态拓升技术体系，提高系统运行效率，减少因交通拥堵导致的碳排放。
4.2 建设层面：减量化、工业化的低碳建造技术
交通基础设施是交通行业重要的载体。面向“双碳”目标与要求，发展以低碳化为核心的交通基础设施低碳建造新技术，推动交通基础设施建设绿色转型，追求以最少资源投入、最小环境代价满足社会经济发展和人民出行需要，是我国交通行业绿色发展的必然选择。交通基础设施低碳建造需要从节能、低碳、减量的角度进行评估和升级换代，主要涉及道路工程、桥梁工程、隧道及地下工程、港口工程、轨道交通和枢纽等领域。
1）新型低碳建筑材料
创新建筑水泥生产技术，大幅减少水泥生产过程中的碳排放。创新沥青混合料设计方法，将我国可利用沥青量增加一倍，相当于减少沥青生产中的碳排放50%。研究推广路面材料100%高效能再生技术，提升城市固废资源化应用水平，研发多种新型低碳环保材料替代技术。
2）减量化精准设计技术
建设长寿命道路、桥梁、隧道、港口和枢纽设计技术，减少频繁养护维修导致的交通拥堵排放及能源、材料消耗。研发设施精准化、减量化设计技术，显著减薄路面结构，提高设计技术水平，减少建筑材料的使用量。
3）智能建造技术
发展工厂化、装配式、智能化道路、桥梁、隧道、港口和枢纽建造技术，严控施工过程的碳排放，减少各类弃方数量。
4）低能耗轨道交通
研究轨道交通车站和运行过程中节能新技术，有效降低能源消耗。发展隧道清洁照明技术，如采用LED灯，照明智能化、可控化，自发光技术、逆反射技术等，降低照明能耗。
4.3 运行层面：远程化、低影响运行养护技术
随着交通发展和能耗总量的不断增长，交通碳排放总量将维持增长。延长使用寿命、延缓大修改建或重建，可节约大量投资，减碳效益显著。同时，设施状况保持良好、持续高水平运行，可减少大量的交通出行的社会成本，包含大量的环境成本，减碳效益也十分显著。
1）远程化、低影响感知、诊断和运维技术
（1）交通设施性能远程数字化全息感知与精确诊断
在数字化转型背景下，探索研发远程技术和更节能、更快、更全面的数据感知技术，建立更准、更有针对性的诊断方法，科学把握养护时机、有效延长设施寿命。
（2）低影响度设施养护维修技术
重点从两个方面实现养护维修的减碳，一方面探索研发更节能的养护维修措施，另一方面建立低影响度的养护维修方法，以快速修复、降低复修率等实现减碳。
（3）面向“双碳”的设施优质运行管理决策优化方法
设施保持较优的服务水平可以降低交通运行能耗和出行成本，以达到减碳的目的。探寻设施服务水平-碳排放的定量关系及其演化规律，以此为基础建立相应的管理决策优化方法。
2）废旧材料的资源化利用
设施运维阶段产生大量废旧材料，促进废旧材料的再利用、提升再利用的效益是交通基础设施减碳的重要内容。在传统的材料再生利用的基础上，探索研究铁、公、水、空、管各类交通基础设施废旧材料的综合资源化利用技术，更大限度地提升利用率和利用效益。
3）交通基础设施生态化提升改造
探索研究交通基础设施生态化提升改造技术，针对公路、城市道路、铁路、地铁等设施碳排放特点，结合设施构造，研发与路域景观相结合的碳中和技术，建设绿色交通廊道。针对机场、港口等设施研发陆域、水域生态修复技术，增加设施碳汇能力。
4.4 系统层面：一体、高效、绿色
我国交通领域低碳转型面临着诸多挑战：货物运输结构以高能耗和高排放的道路交通运输为主；
道路交通客运碳排放将保持继续增长的态势；
航空脱碳难度大，非化石燃料替代面临技术瓶颈，缺乏商业化量产的电动化技术（见图6）。为此，需要从以下几方面着手：
图6 公路、铁路、水路、民航碳排放对比
1）高效一体的社会交通和公共交通
发展城市级交通网络效能和交通容量提升分析技术，构建一体化的城市交通虚拟仿真评价系统。规划建设绿色生态廊道和城市慢行通勤专用道。利用大数据与信息化技术提高出租车运营效率和促进顺风车与网约车拼车出行。优化公交能源及车辆结构、创新营运模式、完善节能管理。提高轨道交通分担率，大力推进地铁票回收复用、地下线路设计节能坡、智能照明技术、智能空调系统、智慧车站服务、地铁碳账户、移动支付等措施。
2）港口作业
通过龙门吊“油改电”、集卡牵引头改LNG、港区绿色照明等降碳措施，调整能源结构。通过淘汰/改造高能耗设备、推广船舶岸电技术创新应用等降低排放。优化装卸流程、提升接驳效率等方式降低能耗。
3）航空交通
通过优化能源结构、使用清洁能源和新能源，提高机场运行效率、自然通风、自然采光与遮阳、空调系统节能、照明节能等技术，创新实现机场运营降碳。优化航路与机队、优化飞机硬件、减轻载重、使用可持续航空燃油、多方协作优化外围资源环境等技术创新实现航空交通减碳。
4）货物运输
推动“公转铁”“公转水”、多式联运等模式，有效降低货物运输碳排放强度。通过强制淘汰等举措，逐步降低高耗能高排放燃油货车比重。
5）载运工具
提高燃油车辆经济性，大力发展纯电动车和智能化汽车，注重载运工具的制造和报废、回收再制造全生命周期管理。创建智能网联汽车交通实验室，面向交通和产业，研发智能新能源公交、智能配送车、智能零售车、智能重卡等新兴交通模式，探索智能生态驾驶技术。
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