德国铁路公司碳中和发展策略探析

曹孙

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

随着气候变化问题的日益突出，各国纷纷出台碳中和目标，通过立法和行政手段采取多样化措施应对气候问题，努力实现全球气温稳定在合理水平[1]。2020年9月22日，在第七十五届联合国大会期间，我国承诺将于2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和。随着各国政府释放出低碳转型的信号，各行各业也宣布相应的碳中和目标以助力国家碳中和的达成。推动交通运输行业碳减排是全球碳中和进程中的重要环节之一，需要建立更清洁高效的能源和运输体系，以铁路为骨干的清洁低碳化运输方式将迎来高质量的发展。

根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)《全球升温1.5 ℃》特别报告中的定义，碳中和指当一个组织在一年内的二氧化碳排放通过应用二氧化碳去除技术达到平衡的状态；气候中和指一个组织一年内包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等所有温室气体排放与吸收之间达到平衡，还需考虑区域或局部的地球物理效应，如来自飞机凝结尾迹的辐射效应等[2]。碳排放核算是分析碳排放现状和制定碳减排目标的基础，核算范围包括范围1、范围2 和范围3 的排放。其中，范围1 指企业拥有或控制的排放源产生的直接碳排放量；范围2 为企业外购电力和热力使用产生的间接碳排放；范围3 包括企业供应链上下游可能产生的碳排放量，如原材料的采掘、生产和运输，产品的使用及回收等。碳排放强度能够有效反映企业碳排放利用效率水平，通过铁路运输企业排放的二氧化碳量与铁路换算周转量的比值来计算碳排放强度，用于衡量运输周转量与碳排放量的关系。

德国铁路在碳减排领域处于世界领先地位，通过政府政策激励和企业技术创新实现铁路运输能效提升和碳排放量的下降，通过总结欧盟及德国铁路公司碳中和政策，分析德国铁路公司的碳排放现状，阐释碳减排目标和碳中和措施，从而为我国铁路碳中和目标达成提供思路借鉴。

1 欧盟铁路碳中和政策分析

受地理环境、资源禀赋和能源对外依存度高等因素的影响，欧洲主要国家高度重视碳中和目标达成。欧盟委员会于2019 年12 月11 日提出《欧洲绿色新政》(European Green Deal)，提出到2050 年，欧洲将建立一个气候中和的大陆，欧盟将实现温室气体零排放的目标。虽然欧盟自1990 年以来整体碳排放逐步下降，但交通运输行业碳排放仍在持续增长。为了更好地实现交通运输行业碳减排，为欧盟运输系统实现绿色转型奠定基础，欧盟于2020 年12 月9 日出台《可持续和智能交通战略》(Sustainable and Smart Mobility Strategy，以下简称《战略》)，提出2050 年前要实现交通运输系统减排90%的目标。

《战略》强调要充分挖掘铁路运输的发展潜力，增加铁路运输的市场份额，助力交通运输系统碳减排目标达成。《战略》提出，货运方面，为解决内陆公路货运造成的交通拥堵和空气污染等问题，欧盟提出到2030 年前将内陆公路货运量的75%转移到铁路和内陆水运，争取到2030 年铁路货运量增长50%，到2050 年铁路货运量增加1 倍。客运方面，欧盟将推动500 km 以下的旅客出行实现碳中和，推动出行方式从航空运输转向铁路运输，增加长途和跨境铁路客运服务供给。此外，欧盟力争到2030年将高速铁路运量增加1倍，到2050年将高速铁路运量增加2 倍。《战略》预计到2050 年，应投入运营的电力机车将占客运机车的95%、约占货运机车的90%，铁路全线将实现大规模电气化，以便与电力机车车辆相匹配。

2 德国铁路公司碳中和目标及碳排放现状分析

2.1 德国铁路公司碳中和目标

2021年8月31日，德国联邦气候变化法案修正案生效，明确了减排量化指标，与1990 年相比，2030 年碳排放预计减少65%，2040 年降低88%，2045年实现气候中和[3]。德国政府提出到2030年实现德国客运量翻一番，铁路货运市场份额至少提高到25%的目标，运输模式的转变是实现交通运输系统气候变化目标的关键因素。

在德国政府气候中和目标的基础上，德国铁路公司(Deutsche Bahn，以下简称“德铁”)提出到2040年实现气候中和，在已制定碳中和目标的铁路运输企业中处于领先地位，并提出详细的碳减排目标：到2030 年将二氧化碳排放量降低到2006 年的一半，将牵引供电中绿色电力(指利用风机、太阳能光伏电池等发电设备，将风能、太阳能等可再生能源转化成的电能)占比提高至80%，从2025 年起所有站段及办公场所全部实现绿色能源供电，到2038 年，牵引供电将100%来自绿色电力；到2040 年，计划实施全面的循环经济，遵循减量化、再利用和再循环的原则，在铁路建设、生产和运输过程中系统性地减少资源投入并提升废弃物使用效率，以最少的资源消耗和环境成本，解决资源短缺、能源紧张、环境污染等问题，助力德铁实现气候中和目标[4]。

2.2 德国铁路公司碳排放现状

德铁是德国国有运输公司，运输产品涵盖铁路、公路、航空和水运等，服务范围包含德国及欧洲其他国家，运输方式包括货运和客运2 种，其中客运分为短途客运和长途客运，德铁2021 年路网规模3.34万km。

从碳排放总量看，2021 年德铁碳排放总量为1 852万t，铁路运输碳排放仅为373万t。2021年铁路碳排放量同比上升25万t，上涨幅度7%，但依旧低于新冠疫情爆发前2019 年的440 万t。从德铁碳排放核算范围看，范围1、范围2和范围3碳排放分别占17.8%，17.2%，65%，由此可见，德铁拥有的铁路运输、车站或车间等固定设施(范围1和范围2)产生的碳排放量并不高，仅占总排放量的35%，而碳排放主要集中于范围3 即德铁授权分包商运输产生的间接碳排放，因此，推动客户选择低碳环保的运输方式，将促进上下游供应链碳排放下降。从碳排放强度看，2021年短途和长途客运单位二氧化碳排放量均比2019 年水平高出56%，碳排放量和旅客周转量比值即客运碳排放强度升高，侧面反映出旅客乘车频次下降，疫情冲击了铁路旅客出行需求，而铁路货运在货运量显著提升的前提下，2021年碳排放强度较2019 年下降了10%。2019—2021 年德国铁路公司铁路运输碳排放值如表1 所示。表1 总结了2021年德铁的货运、短途客运和长途客运3类运输产品碳排放总量及强度数据。

表1 2019—2021年德国铁路公司铁路运输碳排放值Tab.1 Carbon emissions of Deutsche Bahn’s rail transport from 2019 to 2021

铁路能耗以电力、油类和煤炭为主，能源消费结构是影响碳排放量的重要因素，清洁和可再生能源比重的提升将降低碳排放量。2021年德铁牵引电力以可再生能源为主，在牵引供电中占比达62.4%，硬煤、核能、褐煤和天然气占比分别为13.9%，10.7%，6.4%和6.3%。

3 德国铁路公司碳中和举措分析

德国作为欧洲经济的火车头，在践行碳中和目标上也始终领先。为降低交通运输行业碳排放，德国政府提出提升铁路项目建设力度并拓展铁路运输范围，德铁积极争取国家对铁路的政策支持，加大铁路能源和原材料等资源创新利用，从新能源机车研发、清洁燃料替代和绿色电力供应等方面推动清洁能源使用。

3.1 争取国家对铁路政策支持

铁路在综合交通系统中是节能低碳的运输方式，但在碳中和大背景下，公路、民航和航运业积极创新应用低碳技术，德铁抓住时间窗口积极布局，争取国家对铁路运输的政策支持，提升铁路运输市场份额，建成以铁路为骨干的交通运输网络体系。

3.1.1 提升铁路建设投资力度

基础设施方面，2020年6月30日，德国联邦交通和数字化基础设施部发布了面向2030 年的《铁路运输总体规划》(Rail Transport Masterplan)，加大了对铁路网建设的投资力度，着重扩大主干道运输能力，提升路网效率，加强基础设施、机车车辆和人才储备，部署创新技术和产品，增强铁路运输吸引力和竞争力。尤其针对铁路货运运力不足的现状，联邦政府提出为铁路货运领域提供基础设施支持、推进铁路货运数字化和自动化、加快机车车辆技术创新、促进多式联运等解决方案。联邦政府承诺将持续增加铁路基础设施的投资，自2021 年起对新建和扩建项目将提供每年30 亿欧元及以上的资助，2030 年后将增加到每年40 亿欧元及以上[5]，到2030年投入860亿欧元对全国铁路网电气化和智能化改造升级。

3.1.2 扩大铁路客货运市场份额

德国政府在《铁路运输总体规划》中承诺将减轻铁路运输在能源税费、碳排放交易、线路使用费等方面的负担，提升德国铁路客货运输市场份额。货运方面，德国2020年7月通过了《结构强化法》，出于能源结构调整考虑，将对运输基础设施建设提供资金和政策支持，在德国沿海地区和奥地利之间形成第三条电气化南北轴线，以便将沿海腹地货物转移到环境友好型的铁路运输。客运方面，德国政府为鼓励市民乘坐长途铁路出行，自2020 年1 月起，降低了长途铁路出行的增值税，提高了航空增值税。此外，德国铁路节拍式运行图是《铁路运输总体规划》中的核心组成部分，将铁路长途和短途运输更加紧密地衔接起来，在全路网引入整数循环运行图，所有列车包括短途、市郊列车都在固定时间点发车，主要城市之间实现半小时节拍运行，目的是提升客货运列车运行频次、缩短旅客乘车时间、提升换乘便利性[6]。

3.2 加大铁路能源和原材料等资源创新利用

资源循环利用是实现碳中和目标的必要组成部分。为了实现资源循环目标，德铁正在采取全面的资源保护方法，涉及采购、运营、设备处置等全价值链条。德铁制定了符合DIN ISO 14001 的环境资源管理体系，并提出了将回收率保持在至少95%的目标。

3.2.1 提升能源利用效率

（1）电气化改造。铁路电气化改造是提升能效有效方式之一。2020 年德铁线路的电气化率为61%，高于欧盟54%的平均水平，鉴于铁路电力牵引完成的工作量占比已达74%，德国政府将在全面评判电气化工程的成本和收益后，对繁忙干线进一步实施电气化改造，让德国铁路总体电气化率到2025年提高至70%，2030年达到75%。

（2）再生制动能量回收。相对于传统的再生制动能量直接反馈回电网浪费掉，再生制动能量回收技术能有效提高再生制动能量的利用率。德铁所有现代电力机车都配备了制动能量回收功能，当列车制动时，电机将充当发电机功能，将动能转换为电能，然后馈送回供电线路，这些电力可以再次被其他列车使用。2021 年，德铁制动能量回收比例达16.7%，共节约1 341GW 电力。德铁将不断扩大推广应用具有制动能量回收的列车保有量，鼓励铁路公司通过安装新型制动系统，实现节能减排的目标。

（3）数字信息化。德铁与德国联邦交通部、德国铁路工业联合会通过联合签署“铁路数字化战略”合作协议，旨在加强绿色能源装备的信息化建设和普及应用，主要包括数字化自动车钩、货运数字化平台、列车自动驾驶等技术。数字化自动车钩可以实现货车间的自动连接、列车编组的数字化和自动化，减少人力和能源消耗。德铁为货运机车配备驾驶辅助系统，其中区域节能系统(Regional Energy Saving System，RESY)的推出提高了柴油车辆的能源效率，降低了车辆10%的能耗。通过实施数字化技术减少列车停靠时间，提升运输效率，从而降低能源使用量。

3.2.2 实现原材料循环利用

（1）材料回收利用。为了高效管理循环材料，德铁使用了ZEDAL 软件以区分有毒和无毒废品，从而增加材料回收效率。拆除后的道砟和混凝土富含金属和矿物材料，可循环利用以维护路基和桥隧等基础设施。为此，德铁提出到2030 年，再生钢轨使用量预计为2019年的2倍，将回收比例从25%提高到45%左右，同期将回收道砟使用比例从13.3%提高到40%。混凝土枕木回收比例从2019年的5.7%提高到2030年的30%左右，是现有水平的5倍左右。

（2）创新生产工艺。德铁通过使用创新的3D打印工艺，提供高效和资源节约的组件生产，以延长机车车辆生命周期。当列车部件出现故障导致列车停驶时，只需按一下按钮即可立刻生产制造出新部件。目前3D 打印技术已经应用在德铁300 多种运营场景下，打印了25 000 多个(替换)零件。在维修车间，德铁目前正在测试一种全新的3D 打印材料“长丝”，是由100%可回收塑料纤维制成的线状材料[7]，将用于打印站场和生产所需工具。

3.3 推动铁路清洁能源应用

虽然铁路电气化带来了整体能效提升和能源清洁化发展，但电力牵引仍主要限于繁忙干线运行。因此德国交通部提出了“电力运行率”指标，即铁路列车采用清洁能源运行的比例。德铁在选择电气化路径外，也致力于推广清洁能源，包括研发新能源列车、使用清洁燃料和绿色电力等，实现铁路与能源的融合发展。

3.3.1 研发新能源机车

2007年以来，德国政府通过国家氢能与燃料电池技术创新计划(National Innovation Programme for Hydrogen and Fuel Cell Technology)资助机车车辆替代驱动技术的研发和试验，重点包括“轨道交通电池动力系统”“燃料电池驱动系统”“铁路氢能基础设施”等项目。德铁和西门子交通集团联手设计和开发下一代氢燃料电池牵引系统，包括氢动力列车Mireo Plus H 和移动式储氢拖车，以实现在非电气化线路全面取代内燃发动机。此外，德铁还在测试电池列车并开发相关的基础设施，电池列车上基本配备一个可充电电池，列车从充电的电池中获取能量。而货运列车比通勤列车的总重量明显更高，电池燃料驱动能力不足成为重大障碍，德铁推出对短途客运领域的内燃机车改造项目，在内燃牵引的基础上加装高功率锂离子电池，使用混合动力以降低机车能耗和排放。

3.3.2 使用清洁燃料替代柴油

德铁近几年新购的大部分短途客运列车均是内燃驱动，这些列车的使用年限大多不及全生命周期的一半。替换清洁燃料使柴油车辆继续服役是一种可持续的方法，可以节省资源，因此不必过早地搁置或废弃功能齐全的内燃机车。德铁替代柴油燃料的技术集中在生物燃料加氢处理植物油(Hydrotreated Vegetable Oil，HVO)上，HVO 完全由生物残留物和废料制成，产生的碳排放量比传统柴油减少约90%。德铁计划未来5年将投入4 000万欧元支持柴油替代。

3.3.3 扩大绿色电力供应

德铁是德国最大的电力消费者，与水力发电厂、风力发电场合作以保证绿色电力的供应，2020年德铁签订了三大绿色电力(水电、风电和光伏)购买协议，确保每年780 GW·h 的绿色电力供应，为客户提供零碳排放的绿色运输产品。一是牵引设备绿色化。德铁实现气候中和的主要组成部分之一是采用可再生能源供电，努力将牵引电流完全转换为可再生能源的电力，在德国长途列车已经100%使用绿色电力，短途客运铁路和货运铁路有待进一步电气化改造。二是非牵引设备绿色化。进一步扩大使用绿色电力的车站数量，到2025 年，德铁将在德国的所有仓库、办公楼和车站使用100%可再生能源。

4 对我国的经验启示

德铁根据德国国家碳中和目标制定了详细的减排目标，我国铁路运输行业还未发布明确的碳中和时间表、路线图和施工图，亟需研究借鉴国外铁路碳中和路径，结合我国经济发展和交通运输需求预测，发挥铁路在综合交通运输骨干作用，利用数字化智能技术提高能效水平，发展新型能源驱动机车车辆研究，加快推动铁路可再生能源应用并促进资源循环利用。

4.1 发挥铁路在综合交通运输骨干作用

铁路建设需要大量的资金支持和制度保障，德国铁路提升铁路运输比重的同时配套了相应的财税政策和法律保障，我国应充分发挥铁路中长途运输优势，将铁路与其他运输方式融合衔接，从而促进综合交通运输高质量发展。一是将货物运输环境污染成本内部化。为充分发挥结构性减排降碳效应，推动大宗货物和中长途货物运输“公转铁”，发展铁水、公铁等多式联运，根据各运输方式碳排放情况征收税费或给予补贴，优化各运输方式间比价关系。研究制定铁路建设补贴政策体系，用于铁路主要运输通道能力加强、集疏运体系完善、铁水联运工程、电气化改造等工作，保证铁路有足够承接能力。引导铁路专用线建设投资，降低铁路运输“门到门”全过程费用[8]。二是进一步提升铁路客运服务质量。构建以高速铁路、城际铁路为主体的大容量快速低碳客运服务体系，持续优化客运产品结构，扩大有效供给，打造层次清晰、覆盖面广的铁路旅客运输产品，引导旅客低碳出行。

4.2 利用数字化智能技术提高能效水平

德国铁路将数字化作为未来发展的重要战略，旨在提高铁路数字化、智能化运输和能效水平。我国铁路也应积极布局数字信息技术提高能源效率、降低碳排放，从而提升核心竞争力。通过物联网和能源管理信息化技术对铁路机车及客站能耗和碳排放进行实时监测和管控，利用大数据技术获取不同环境下设备碳排放数据与设备运行管理之间的关系，发掘节能降碳规律，实现铁路建筑用能智能化管理，客货运输降本增效，帮助管理者制定更加合理的碳减排控制策略。

4.3 开展新型能源驱动机车车辆研究

当前我国机车车辆朝着绿色低碳方向发展，但新型动力机车研究方面起步较晚，应利用混合动力机车过渡，采用氢燃料电池、锂电池、蓄电池与传统燃油动力或电力驱动相结合，作为一种低排放的替代方案，改善柴油机车对环境的影响，逐步推广新能源机车车辆。新能源动力机车将采用太阳能、风能、氢能等新能源作为牵引动力的新型机车，从根本上改变传统列车牵引方式。开展太阳能列车、风能列车领域研究，非电气化铁路重点关注氢燃料电池车辆的研发。

4.4 加快推动可再生能源结构优化作用

德国铁路重视可再生能源使用，在绿色发展目标中规定了可再生能源在牵引动力中所占的比重。虽然我国铁路能耗结构电力占比高达70%[9]，然而电力来源以火电为主，应进一步优化能源消费结构。一是在牵引领域，加大新能源发电技术在铁路牵引中的应用，采用清洁无污染的原料为机车提供动力。我国应根据重载铁路和长大坡道线路特点，加强对重载铁路再生制动储能系统及其控制策略研究，突破功率融通、大容量储能等关键技术，提高牵引供电节能技术水平。二是在非牵引领域，铁路企业可充分利用自有厂房屋顶、铁路沿线、空余场地空间以及其他闲置土地，开发分布式光伏项目，提升铁路光伏发电和电力系统的灵活性调节能力建设。

4.5 促进铁路原材料等资源循环利用

德国铁路高度重视资源循环利用，依托大数据信息管理技术和工业互联网创新，实现废旧物资可持续利用。我国铁路建设基础设施设备、装备技术日益升级，原材料消耗对资源开发利用产生了重大影响，水泥和混凝土的制造使用不可再生资源对气候变化产生负面影响，报废物资体量逐步增大，铁路机车、货车、客车及报废钢轨、废金属等亟需报废处置。铁路企业废弃移动装备等货源再利用的市场需求有望打开[10]。我国铁路需加强专业能力建设，建立与市场接轨的资源循环体系，提升资源利用管理水平。加快新旧设施更新利用，研发推动铁路建筑施工材料、废旧材料、建筑垃圾再生材料的循环利用技术。

5 结束语

铁路作为低碳节能运输工具，在交通运输碳中和领域发挥着重要作用，铁路发展有助于调整和优化我国交通运输结构，推动中国低碳经济的发展[11]。通过研究德国铁路公司的碳中和发展策略，对我国铁路实现碳中和路径进行探讨，从法律法规和政策设计、数字化智能技术应用、新能源设施设备研发、资源循环再利用等方面提出启示，为我国铁路碳中和发展提供经验借鉴。