中國儲能網訊：2019年9月，黨中央、國務院印發(fā)了《交通強國建設綱要》，明確了新時代交通強國建設的總目標和重點任務，并指出:要進一步提高交通領域的高效化、綠色化和智能化，優(yōu)化交通能源結構，推進新能源、清潔能源應用，促進公路貨運節(jié)能減排。交通網是潛力巨大的儲能池，應充分利用、探索新能源發(fā)電、電力系統(tǒng)、儲能電站、陸域基礎設施、電動車或氫燃料汽車等路域內外的新能源電站、儲能與充換電設施協(xié)調配合方式與智慧調度運行系統(tǒng)，創(chuàng)建發(fā)輸儲用一體化的新型交通基礎設施網絡。因此，交能融合無論是對于交通還是能源方面都有正面的作用，具有發(fā)展的潛力。
截至目前，我國的交通用能結構中，電力占比僅有5%，清潔用能需求與潛力巨大。其中，公路交通電氣化水平較低，碳排放量在我國交通運輸總量占比超87%，清潔用能替代轉型發(fā)展空間巨大。2021年2月，黨中央、國務院印發(fā)了《國家綜合立體交通網規(guī)則綱要》，要求交通基礎設施綠色化建設比例到2035年達到95%，而數字化率要求達到90%。能源系統(tǒng)和交通系統(tǒng)均朝著高效、智能、綠色的方向發(fā)展，二者發(fā)展趨勢和未來屬性的一致性使得交通和能源的融合發(fā)展成為了一種必然趨勢，構建綠色、高效、智能的交通能源一體化系統(tǒng)已成為踐行“雙碳”目標和“交通強國”戰(zhàn)略、實現經濟社會可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。公路交通作為最便捷、高效的交通基礎設施，且公路運輸占全國交通運輸排放量的85%以上，然而，對于交能融合尤其是公路交能融合的研究尚處于初期探索階段，因此，探索公路交通（尤其是高速公路）的交能融合發(fā)展道路，對于推動交能融合新能源系統(tǒng)發(fā)展具有先導意義和引領作用。
本文分析了高速公路交能融合的方案和應用場景，重點介紹了基于光儲充一體化的交能融合技術，并對示范工程進行了評價，從多個角度展示了高速公路交能融合的潛力和路徑，為交能融合的技術實現和未來發(fā)展提供了參考依據。
高速公路用電負荷分析
高速公路陸運發(fā)展現狀
截至2022年底，我國高速公路總里程達到17.7萬公里左右，居世界第一位。高速公路不僅提高了人員和貨物的流動效率和便利性，也促進了區(qū)域經濟一體化和城鄉(xiāng)融合發(fā)展。隨著我國經濟社會恢復性增長和人民生活水平提高，《“十四五”時期全國綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年全國公路通車里程預計將達550萬公里，其中高速公路總里程預計達到19萬公里左右。
2017-2022年全國公路總里程與高速公路總里程對比
交通運輸是碳排放的主要來源之一，根據《國務院關于印發(fā)“十四五”節(jié)能減排綜合工作方案的通知》，到2025年，我國交通運輸領域單位運輸量能耗比2020年下降10%以上，單位運輸量碳排放比2020年下降13%以上。為實現這一目標，我國將加快推進交通物流節(jié)能減排工程。交通運輸的節(jié)能減排建設，將推動高速公路陸運交通的低碳發(fā)展，增加高速公路服務區(qū)清潔能源消費占比，促進高速公路的交能融合轉型。從高速公路能源系統(tǒng)規(guī)劃的角度來看，發(fā)展分布式光伏對于高速公路的節(jié)能減排可行性較高，已有研究證實了光伏系統(tǒng)能夠減輕電網的供電壓力，具有顯著節(jié)能減排效果。
高速公路用電負荷預測趨勢預測
根據相關預測，在“十四五”期間，中國交通用能仍將繼續(xù)增長，高速公路用電負荷主要包括隧道、服務區(qū)、收費站等沿線設施的用電需求。近年來，日益增長的新能源汽車市場份額也給電動車充電站等新興用電負荷帶來深刻影響，新能源汽車市場滲透率增加給高速公路服務區(qū)充電樁服務提出了更高要求，而構建新型高速公路服務區(qū)建設模式、提高服務區(qū)充換電服務質量也會反過來推動新能源汽車的發(fā)展。
中國是全球最大的汽車生產和消費國，也是全球最大的新能源汽車生產和消費國。根據中國汽車工業(yè)協(xié)會的數據，2022年中國新能源汽車整體銷量為688.7萬輛，全球占比35%左右，滲透率達31.33%。同比增長93.4%。其中純電動汽車銷量達到516.9萬輛，同比增長97.4%，滲透率達19.8%。
2017-2022年中歐美市場新能源汽車銷量圖
高速公路總里程數與新能源汽車市場滲透率逐年變化趨勢
根據國際能源署（以下簡稱IEA）發(fā)布的《全球電動汽車展望2023》。2023年，全球新能源汽車銷量將達到1400萬輛，同比增長35%，新能源車滲透率將突破18%，而中國將接近35%，新能源汽車市場增長勢頭明朗，增長動力強勁。近年來，新能源汽車市場滲透率上漲勢頭明顯，在現有高速公路電氣化水平以及基礎設施建設水平不變的前提下，新能源汽車滲透率應為高速公路用電負荷最大影響因素。
截至2022年底，全國新能源汽車保有量達到1310萬輛，占汽車總量的4.10%。其中，純電動汽車保有量1045萬輛，占新能源汽車總量的79.78%。自2023年2月以來，新能源汽車滲透率一直保持在30%以上，而且在11月份突破了40%，保有量也達到了780萬輛以上。到2025年，全國新能源汽車新車保有量將超過2500萬輛；到2030年將達到8000萬輛。根據統(tǒng)計，新能源車的平均能耗為15千瓦時/100公里，假設平均每輛新能源車每年行駛1萬公里，2025年新能源車將達到37.5太瓦時的電能消耗，在2030年將達到120太瓦時，電能需求潛力巨大。
高速公路的全國總里程數增長與新能源汽車滲透率的大幅增加等因素將疊加體現在其用電負荷的增長上，并對高速公路服務區(qū)的充換電配置提出更高要求。如能利用其區(qū)域性光儲資源就地消納綠電，將大幅推動公路交通節(jié)能減排。因此，在交能融合背景下探討高速公路服務區(qū)光儲充一體化發(fā)展路線對于優(yōu)化其能源消費結構，探討新型高速公路服務區(qū)建設模式，實現公路綠色低碳發(fā)展具有重要意義。
公路交通的光儲資源
光資源潛力分析
分布式光伏具有安全可靠、規(guī)模大小可調節(jié)、方便與建筑物等構造物相結合、可獨立安裝、施工維護簡單、人工成本低等優(yōu)點。我國太陽能資源豐富，交通基礎設施和沿線具有充足的空間資源可用于可再生能源開發(fā)利用。在高速公路交通網中，公路占地、路肩、匝道等自有空間、服務區(qū)建筑頂棚、橋隧隔離帶可為光伏發(fā)電的集成提供空間資源，同時橋隧照明通風設施、服務區(qū)用電設施也可為光伏發(fā)電提供充足的消納空間，提升光伏發(fā)電的消納水平，中國高速公路蘊含的光伏發(fā)電潛力如下表所示。
全國高速公路的光伏資源與負荷
由上表可知，中國高速公路所蘊含的可供開發(fā)利用的光伏發(fā)電總潛力約為1022.8太瓦。而且，隨著光伏技術進步形成轉換效率不斷提高、應用場景不斷擴展，中國的光伏可經濟利用資源量正在大幅增加。2030年，預計陸上光伏裝機650吉瓦，平均按利用小時1600小時計算，年發(fā)電量1040太瓦時，遠大于前文中提到的新能源汽車耗電需求。同時，根據相關研究數據，可以得出我國的公路系統(tǒng)基礎設施年均總能耗約為25.35太瓦時，根據高速公路占比可測算出其基礎設施年均能耗約為17.99太瓦時，通過適當儲能，高速公路在理想條件下可通過光伏實現完全的“自發(fā)自用，余電上網”。除此之外，參考相關研究可知，火力發(fā)電的CO2排放量約為1000克每千瓦時，而光伏發(fā)電的CO2排放量約為40克每千瓦時，減排量每度電可達96%，2021年國內各省電網排放因子平均為556.8克每千瓦時，因而基于以上數據，如果能夠實現100%光伏滲透，公路基礎設施每年CO2排放量可減少10016.83噸，可節(jié)約標準煤4017.98噸。
交能融合應用場景對應策略
其中，強電網指當地有成熟的電網系統(tǒng)或能夠以較低成本建立電網線路，弱電網指當地沒有成熟的電網系統(tǒng)或建立電網線路成本較高。
光伏在公路領域可適應場景描述
上表描述了光伏在公路領域的應用場景并列舉了典型的案例，可以看到高速公路3服務區(qū)及周邊區(qū)域的光資源可以通過在服務區(qū)、停車場、隧道上部及出入口隔離帶還有邊坡等區(qū)域安裝光伏板得到有效的利用。
高速服務區(qū)的光儲充綜合能源利用
適用于交通基礎設施的儲能技術發(fā)展現狀
根據預測，我國的裝機規(guī)模到2060年預計達到9太瓦時左右，如果按照20%配置儲能的規(guī)模要求，同時考慮到儲能容量本身的耗能需求，屆時儲能容量總需求將達近2太瓦時。同時，對未來的新型電力系統(tǒng)而言，大數據、云平臺、5G以上通訊網絡、超級計算、智能電網、超大規(guī)模儲能系統(tǒng)，是實現其“實時平衡、穩(wěn)定運行”的6大支撐。而其中，儲能最具基礎性。隨著可再生能源的迅速發(fā)展，加上新能源汽車等產業(yè)的需求響應，電池儲能技術得到了廣泛發(fā)展與應用，投資成本亦顯著降低，鉛酸電池、鋰電池（含磷酸鐵鋰電池）、液流電池等具有相當的規(guī)模化實用價值。而且電池儲能電站的運行，相比于其他類型的儲能電站，在運行上具有較高的靈活性，適用于具有大量光伏發(fā)電的新型電力系統(tǒng)的運行。
幾種電化學儲能電池參數特性
由上表可見鉛酸電池原材料來源豐富、安全可靠、技術成熟、成本低廉，但在環(huán)保性、長循環(huán)壽命等方面有所欠缺。液流電池非常適合規(guī)?；?、長時間、長服務壽命儲能的應用場景，但系統(tǒng)相對復雜，能量密度低，安裝占地大，且目前成本仍處于高位，因此對于該種儲能技術的選擇應充分考慮儲能場景實際的場地面積與使用周期。
綜合而言，鋰離子電池是目前最適用于光儲充一體化的電池技術，其成本較低，但儲能配置靈活，適用場景覆蓋源網荷側，極其多元化，能夠較好地滿足大規(guī)模交通基礎設施儲能技術的需要。
光儲充一體化管理與調度運行控制
光儲充一體化系統(tǒng)通常是由供配電系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)組成的微電網系統(tǒng)。供配電系統(tǒng)主要為一次設備和二次設備提供電源；充電系統(tǒng)主要為電動汽車負荷充電；監(jiān)控系統(tǒng)可實時監(jiān)測、讀取和備份數據；光伏系統(tǒng)將太陽能轉化為電能，供充電站內負荷充電，但是由于光伏發(fā)電本身的不確定性和波動性，使得其需要配合儲能來平衡其波動性以及夜間或出力不足時的響應；儲能系統(tǒng)存儲能量，在夜間電價低谷時將低價電能存入儲能電池，在白天用電高峰時刻將其送入充電站給電動汽車負荷充電。根據車輛的充電行為和光伏出力，制定日前運行策略。
由于分布式光伏發(fā)電與風力發(fā)電都具有實時波動性、間歇性，并不能滿足穩(wěn)定的用電需求，因此需要升級現有公路交通能源系統(tǒng)的組織架構和運行方式，加強對本地資源的自我管理，從被動消納轉向主動控制，進行公路交能系統(tǒng)的微電網開發(fā)，可以將分布式光伏、用電負荷和儲能系統(tǒng)等一次設備及其控制系統(tǒng)有機結合，形成有序的局部供電微網。從而形成一個能夠自我控制、保護和管理的自洽系統(tǒng)，基于光伏出力情況，自發(fā)自用，余電上網，可以并網和孤島運行。
公路交能融合分析
公路交能融合的自洽模式
我國道路交通系統(tǒng)自身基礎設施資產能源化潛力極其巨大，從而基于交能融合提升交通系統(tǒng)能源自洽率、系統(tǒng)碳減排前景十分廣闊。能源自洽率為自洽能源系統(tǒng)出力與系統(tǒng)負荷的比值。自洽能源系統(tǒng)指在規(guī)劃、建設和運行等過程中，利用風、光等清潔能源對系統(tǒng)中能源的生產、轉換、傳輸、分配、存儲與消費等環(huán)節(jié)進行有機協(xié)調的能源產銷一體化系統(tǒng)。如何改善我國道路交通系統(tǒng)的用能結構，實現基礎設施蘊含的風、光可再生清潔能源的充分利用，為道路交通系統(tǒng)提供清潔、自洽的能源供給，真正實現道路交通系統(tǒng)能源需求的分布式自洽供給，已成為一種保障國家能源安全的戰(zhàn)略選擇。因此，交通與能源融合的主要路徑應從開發(fā)基于道路交通自身基礎設施的風、光自然資源稟賦，形成自洽供給的交通能源系統(tǒng)入手，從而構建交通系統(tǒng)能源供給分布式、清潔化、可再生、近零排放的系統(tǒng)解決方案。下圖描述了交能融合的典型自洽模式。
交能融合的自洽模式
交能融合自洽模式是將多種可再生資源與交通模式的有機整合，因地制宜，根據不同交通模式的特征，在交能融合自洽系統(tǒng)的技術構架的基礎上形成合理的交通供電系統(tǒng)?？梢钥闯觯荒苋诤系淖郧⒛Ｊ脚c電力系統(tǒng)微網的自洽模式相似，因而類比于微網，根據不同交通系統(tǒng)的特點與用能模式，可以將交通融合模式分為以風光能源為主體的融合模式和以風光能源為補充的融合模式。在交通基礎設施方面可以利用雙向公路隧道之間的間隔、公路邊坡、匝道等空間資源，在交通服務設施方面可以利用屋頂、停車棚等空間資源，建設分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，倡導“自發(fā)自用、就近發(fā)電、就近并網、就近使用”的原則，通過分布式光伏發(fā)電與公路空間資源的結合，實現交通基礎設施、服務設施從消費者到生產者的轉變。
交能融合自洽模式的融合工程示例
汕昆高速公路揭陽新亨至梅州畬江段及梅汕高速公路梅州程江至畬江段中“縱二線”的組成部分，是廣東省首條山嶺重丘區(qū)高速公路改擴建項目。項目總裝機容量為21.39兆瓦，預計年平均上網電量約22.81113吉瓦時，利用小時數為1066.57小時。
梅汕高速公路沿線設施能耗方式
綜合考慮技術可行性與經濟性、陸域交通設施現狀位置及可接入并網點位置等因素，擬依托高速公路所轄服務區(qū)、所轄收費站及管理中心、路域未利用地、路域邊坡等區(qū)域進行光伏開發(fā)利用。針對隧道、路域光伏等遠用能區(qū)域較遠處通過交流電纜匯集至箱變，升壓（10千伏或35千伏）后通過集電線路接至就近變電站；針對于高速公路所轄服務區(qū)、所轄收費站及管理中心等區(qū)域等近用能區(qū)域，以逆變器輸出0.4千伏電壓等級就近接入其內部配電網系統(tǒng)（若需升壓接入，可考慮升壓至10千伏接入配電網絡），就地消納，余電上網。在近用能區(qū)內通過建設充（換）電站、智能微網和智慧管控平臺，打造源網荷儲一體化系統(tǒng)，提供綠色低碳的能源供應，形成綠色能源利用生態(tài)體系，從而綜合高效地利用現有土地資源，不僅可以提升用戶用電可靠性和便利性，還可以降低用戶的用能支出。項目建成后，每年可為電網提供清潔電能22.81113吉瓦時。按照火電煤耗每度電耗標準煤326克，投運后每年可節(jié)約標準煤約7436.43噸，每年可減少CO2排放量約18020.34噸、SO2排放量約130.94噸、氮氧化物排放量約196.63噸。此外，每年還可減少大量的灰渣及煙塵排放，節(jié)約用水，并減少相應的廢水排放，節(jié)能減排效益顯著。
總之，“光伏+儲能+充電站”一體化（簡稱光儲充一體化）的交能融合方案是一種適合公路交能融合發(fā)展的交能融合模式，同時，光儲充一體化站是目前應用最廣、技術最成熟的交能融合項目類型之一。高速公路本身具有相對穩(wěn)定的大量基礎設施負荷，還具有豐富的光資源，公路的光儲充交能融合模式在電網以及交通系統(tǒng)的減排與清潔化發(fā)展上具有巨大潛力。光伏系統(tǒng)可以實現清潔能源的有效利用，儲能系統(tǒng)可以存儲光伏發(fā)電剩余電量，與電網協(xié)調配合，緩解電動汽車充電負荷對電網的沖擊，充電站作為中間環(huán)節(jié)，有序控制能量交換，而且相關研究也證實了采用光伏+儲能的形式能夠有效地提升電網的頻率穩(wěn)定性。該模式能夠高效利用到道路交通自身基礎設施的風、光自然資源，通過分布式光伏發(fā)電與公路空間資源的結合，實現交通基礎設施、服務設施從消費者到生產者的轉變。
本文針對公路交通系統(tǒng)的交能融合，基于對我國公路的光資源分布、適用于交通基礎設施的儲能技術、以及公路交能融合自洽模式的分析，提出并闡述了光儲充一體化的交能融合方向，同時通過典型案例，展示了光儲充一體化交能融合方案的基本系統(tǒng)構建。光儲充一體化的交能融合方案是目前應用最廣、技術最成熟的交能融合項目類型之一，它能較好地匹配現有的光儲充技術，在實現交能融合的同時創(chuàng)造一定的經濟價值，也能夠良好地利用到公路的光資源，實現綠色、低碳的發(fā)展路徑。未來除光資源外，應進一步探索其他綠色新能源如風能和地熱等的綜合交能融合方案，同時針對公路的交能融合，應擴大探索范圍，建立以服務區(qū)為中心的微網系統(tǒng)，使得資源能夠得到更充分的利用，建立智能化、數字化的交能融合方案。
通過互聯(lián)的形式，或可進一步對周邊地區(qū)進行輻射擴散，影響對應地區(qū)的基礎供電，進一步擴大虛擬電廠的建設，開展需求側響應、孤島運行方案方面的研究工作。
