交通樞紐節(jié)點(diǎn)的交能融合系統(tǒng)建設(shè)路徑研究

陳 麗，徐 展，徐峰達(dá)，王于勤，張柯煒

（中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

習(xí)近平主席在第75 屆聯(lián)合國大會做出重要承諾，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和，明確了我國能源轉(zhuǎn)型方向。

從能源活動領(lǐng)域角度來看，交通運(yùn)輸業(yè)碳排放約占據(jù)碳排放總量的9%[1]。因此，推進(jìn)交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)與能源網(wǎng)融合發(fā)展，強(qiáng)化交通與能源基礎(chǔ)設(shè)施共建共享，加強(qiáng)可再生能源、清潔能源裝備設(shè)施更新利用，已成為交通領(lǐng)域綠色低碳發(fā)展的關(guān)鍵手段。

交通與能源融合互聯(lián)的相關(guān)研究尚處于起步階段，主要是新能源接入交通能源系統(tǒng)的初步應(yīng)用，例如，新加坡裕廊海港建成基于港口的9.5 MWp 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。國內(nèi)在該領(lǐng)域比較有代表性的研究機(jī)構(gòu)主要有華北電力大學(xué)國家能源交通融合發(fā)展研究院，從最大限度實現(xiàn)用能自洽的潛力與可行性出發(fā)，評估了我國交通系統(tǒng)能源化的自然稟賦布局開發(fā)潛力，并結(jié)合我國新能源出力的地域分布特性、骨干電網(wǎng)的布局特性及交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)特性，針對軌道交通和道路交通兩種典型的陸路交通方式，提出了交通能源融合網(wǎng)建設(shè)創(chuàng)新模式，為規(guī)劃未來15年交通與可再生能源的融合創(chuàng)新發(fā)展進(jìn)程指出明確方向和演進(jìn)路徑[2]。此外，也有研究指出了交通和能源融合主要存在融合界面不清晰、路徑不明確、技術(shù)不成形、機(jī)制不順暢等問題，從目標(biāo)、視角、關(guān)系和場景等方面提出了交能融合的思路及建議[3]，但研究尚未覆蓋典型交通方式的交能融合系統(tǒng)的建設(shè)路徑。

本文主要介紹了交能融合的內(nèi)涵，針對交通樞紐節(jié)點(diǎn)提出交能融合系統(tǒng)的建設(shè)路徑，最后分別選取某公路服務(wù)區(qū)、機(jī)場和港口介紹了交通樞紐節(jié)點(diǎn)的交能融合系統(tǒng)建設(shè)方案，為交通用能低碳化提供思路和方法。

1 交能融合的內(nèi)涵分析

交能融合即交通網(wǎng)、能源網(wǎng)由條塊分割的各自發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)榧晒蚕淼膮f(xié)同融合發(fā)展，在形態(tài)和功能上深度耦合，形成廣泛互聯(lián)、智能高效、清潔低碳和開放共享的新型綜合基礎(chǔ)設(shè)施體系，能夠突破現(xiàn)有決策針對單一的交通系統(tǒng)或能源系統(tǒng)管理，推動交通運(yùn)輸?shù)牡吞脊?jié)能發(fā)展和資源集約利用。

交通樞紐節(jié)點(diǎn)包括機(jī)場、客運(yùn)樞紐、港口、高速服務(wù)區(qū)等，盡管其建設(shè)的體量和構(gòu)成元素各異，但其用能需求均為冷、熱、電，同時交通樞紐節(jié)點(diǎn)擁有顯著的屋頂、土地等空間資源，可再生能源建設(shè)潛力巨大。推進(jìn)交通樞紐節(jié)點(diǎn)空間綜合利用，發(fā)揮風(fēng)、光、冷、熱、電不同能源種類的協(xié)同優(yōu)勢，構(gòu)建源網(wǎng)荷儲一體化優(yōu)化的交通運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)能源體系，可以最大限度地促進(jìn)清潔新能源消納，提升終端交通工具電氣化率、推進(jìn)新能源運(yùn)輸工具規(guī)?；瘧?yīng)用、提升交通用綠電比例，推動打造低碳高效的綠色交通體系。

2 建設(shè)路徑

2.1 建設(shè)多元清潔的能源供應(yīng)設(shè)施

結(jié)合自然條件開發(fā)各類清潔能源，提升可再生能源占比，可以為交通提供清潔低碳的能源供應(yīng)保障。①充分挖掘風(fēng)、光等資源潛力。應(yīng)用光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新能源技術(shù)，推動太陽能與建筑深度融合發(fā)展，建設(shè)屋頂分布式光伏，滿足建筑功能的前提下優(yōu)先采用光伏建筑一體化建設(shè)方式；公路服務(wù)區(qū)、港口堆場等場地建設(shè)分散式風(fēng)電；配套建設(shè)電源側(cè)儲能，促進(jìn)新能源消納，提升太陽能、風(fēng)能等可再生能源的應(yīng)用比例。②統(tǒng)籌推進(jìn)清潔能源終端供應(yīng)設(shè)施和能力建設(shè)。推動交通樞紐節(jié)點(diǎn)充/換電設(shè)施建設(shè)和清潔能源加注點(diǎn)布局，配置電動汽車充/換電設(shè)施，具備條件的交通樞紐節(jié)點(diǎn)可建設(shè)加氫模塊、加氣模塊，為綠色運(yùn)輸和綠色出行提供便利。

2.2 推進(jìn)低碳高效的能源消費(fèi)方式

加快推進(jìn)機(jī)場、高鐵站、港口、物流園等交通樞紐用能電氣化、低碳化和高效化，實施港口岸電、空港陸電改造，推進(jìn)岸電儲能應(yīng)用，提高交通樞紐和陸港、空港物流園新建建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。加快作業(yè)設(shè)施綠色發(fā)展，更新交通樞紐的交通工具和配套設(shè)施的高耗能設(shè)備，推進(jìn)新增和更換作業(yè)機(jī)械、拖輪、貨運(yùn)場站作業(yè)車輛等優(yōu)先使用新能源和清潔燃料。通過節(jié)能產(chǎn)品使用和智能化控制，實現(xiàn)設(shè)備低耗能。

2.3 建設(shè)智慧互動的能源管控體系

構(gòu)建智慧互動的能碳管理體系，建設(shè)綜合能源管理平臺，接入交通樞紐內(nèi)源（光伏、風(fēng)電等）、網(wǎng)（配電網(wǎng)等）、荷（樓宇用戶、冷熱負(fù)荷、工作機(jī)械、充/換電設(shè)施等）、儲（儲能等）等資源，實現(xiàn)能源運(yùn)行信息全景可觀、全局可控、多維協(xié)調(diào)和智能調(diào)度，支持源網(wǎng)荷儲的友好互動、能效管理，提升可再生能源利用率和能源綜合效率，實現(xiàn)能源最優(yōu)化管理。交通樞紐節(jié)點(diǎn)的交能融合系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 交通樞紐節(jié)點(diǎn)的交能融合系統(tǒng)

3 交通樞紐的典型建設(shè)方案

3.1 公路服務(wù)區(qū)

公路服務(wù)區(qū)作為公共服務(wù)設(shè)施，全年晝夜無休運(yùn)轉(zhuǎn)。服務(wù)區(qū)建筑密度低，區(qū)內(nèi)有大量的停車場，具有明顯的土地資源優(yōu)勢。高速公路服務(wù)區(qū)主要用電負(fù)荷為辦公照明、空調(diào)、廚房和停車場照明（高桿燈照明）等，其中空調(diào)用電容量較大，且以夏季和冬季為主。

結(jié)合某公路服務(wù)區(qū)分析交通能源融合的典型技術(shù)方案，某服務(wù)區(qū)（東）占地面積38 764 m2，建筑密度僅為6.75%；其中道路廣場占地面積13 500 m2；小車停車位89 個，占地面積約8000 m2，最大設(shè)計負(fù)荷為1076 kW，主要負(fù)荷為廚房、空調(diào)、照明負(fù)荷，年用電量約550 MW·h。結(jié)合該服務(wù)區(qū)布置情況，建設(shè)風(fēng)光儲充荷一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)本地能源生產(chǎn)與用能負(fù)荷基本平衡，可根據(jù)需要與公共電網(wǎng)靈活互動且相對獨(dú)立運(yùn)行，具體方案如下。

3.1.1 能源供應(yīng)

（1）光伏：利用小車停車位，采用柔性光伏支架高位布置光伏約600 kWp，通過5 臺110 kW 逆變器轉(zhuǎn)換為交流后經(jīng)匯流箱接入380 V 交流母線，平均年發(fā)電量666 MW·h。

（2）風(fēng)機(jī)：考慮到服務(wù)區(qū)的地理位置均處于開闊地帶，風(fēng)況較好，需配置一臺4 MW 風(fēng)機(jī)，輪轂高度為140 m，接入服務(wù)區(qū)10 kV 微網(wǎng)，年均發(fā)電量約8000 MW·h。

（3）充電樁：為各種車輛實現(xiàn)慢速、快速充電，考慮在停車位配置10 臺7 kW 交流充電站、10 臺45 kW 直流充電樁及10 臺120 kW 直流充電樁。充電樁優(yōu)先使用風(fēng)光所發(fā)的綠色電能及儲能電站的谷充電能，實現(xiàn)效益最大化。

（4）儲能：服務(wù)區(qū)配置儲能系統(tǒng)按2 MW/4 MW·h容量配置，以預(yù)制艙型式進(jìn)行配置，采用磷酸鐵鋰電池型式，其利用夜間低谷電價進(jìn)行儲能，在充電高峰期通過儲能和光伏一起為充電站供電，滿足高峰期用電需求，既實現(xiàn)了削峰填谷，又節(jié)省了配電增容費(fèi)用，增加新能源的消納，彌補(bǔ)了太陽能和風(fēng)電發(fā)電連續(xù)性的問題。

3.1.2 能源管控

智慧能源管控平臺：實現(xiàn)可再生能源、儲能、充電樁、服務(wù)區(qū)負(fù)荷一體化調(diào)度和自動化運(yùn)行控制。

3.2 機(jī)場

機(jī)場航站樓通常設(shè)計為高大空間建筑，這類建筑能耗較高，是建筑能耗高密度領(lǐng)域[4]，同時，大空間公共建筑空調(diào)能耗占其建筑總能耗的一半以上[5]。為此，推動風(fēng)光、淺層地?zé)崮?、冷熱電分布式能源等多種能源形式互通互濟(jì)是提升機(jī)場綜合能源利用效率的重要途徑和手段。機(jī)場作業(yè)車輛較多，接送機(jī)車輛來往頻繁，需加快作業(yè)設(shè)施綠色發(fā)展。

以某空港新擴(kuò)建航站樓為例，新建航站樓、綜合交通樞紐、旅客過夜用房和配套辦公用房等單體建筑，建筑面積約1 370 000 m2，設(shè)計容量為5000 萬人次/年，總用電負(fù)荷約115.7 MW，冷負(fù)荷約120.6 MW，熱負(fù)荷約75.3 MW，具體方案如下。

（1）分布式光伏：利用屋頂資源建設(shè)分布式光伏，先期建設(shè)10 kWp 分布式光伏進(jìn)行試點(diǎn)，后續(xù)可結(jié)合光伏組件反光對飛機(jī)安全運(yùn)行的評估結(jié)果，開展規(guī)?；夥ㄔO(shè)。

（2）充電樁：考慮在網(wǎng)約車蓄車場建設(shè)150 根充電樁，滿足網(wǎng)約車停車充電的需求。

3.2.2 能源消費(fèi)

（1）用能設(shè)施電氣化：機(jī)場新購作業(yè)車輛按照清潔能源車標(biāo)準(zhǔn)采購，在航站樓停機(jī)坪先行建設(shè)12 根特種直流充電樁，推進(jìn)內(nèi)部作業(yè)機(jī)械加快應(yīng)用清潔能源。

（2）分布式能源系統(tǒng)供能項目：分布式能源系統(tǒng)供能項目總占地面積為10 390 m2，三聯(lián)供系統(tǒng)包括一臺發(fā)電量為8 MW 級的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，對應(yīng)兩臺溴化鋰機(jī)組，其中一臺為煙氣雙工況熱泵型溴化鋰機(jī)組，另一臺為煙氣熱水型溴化鋰機(jī)組，兩臺溴化鋰機(jī)組構(gòu)成一個整體，溴化鋰機(jī)組夏季總制冷量≥16 000 kW、冬季總制熱量≥15 000 kW。三聯(lián)供系統(tǒng)與能源中心電制冷主機(jī)及燃?xì)忮仩t共同構(gòu)成新建航站樓的能源保障，實現(xiàn)能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%以上。

3.2.3 能源管控

建設(shè)機(jī)場能源信息化管理系統(tǒng)，把分布式能源系統(tǒng)供能系統(tǒng)、供電、照明、空調(diào)、電梯、充電樁等機(jī)電設(shè)備的管理全部數(shù)字化，實現(xiàn)綜合用能的智慧管理。

“我叫羅瑞，我們家的情況想必楊先生已經(jīng)很清楚了吧?”羅瑞揚(yáng)起下巴，使自己能保持居高臨下的姿態(tài)俯視著老福。

3.3 港口

港口主要用能設(shè)備為裝卸機(jī)械設(shè)備、運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備、倉庫和堆場設(shè)備等，港區(qū)物流園區(qū)主要建筑為倉庫，具有較為豐富的屋頂資源。建設(shè)綠色低碳港口，重在擴(kuò)大電能、太陽能、氫能等清潔能源的應(yīng)用，推進(jìn)內(nèi)部作業(yè)機(jī)械、供暖制冷設(shè)施設(shè)備等加快應(yīng)用清潔能源，推動形成綠色低碳運(yùn)輸方式。以某重要的集裝箱遠(yuǎn)洋干線港為例，交能融合方案如下。

3.3.1 能源供應(yīng)

光伏：利用某集裝箱碼頭泊位區(qū)的倉庫屋頂建設(shè)分布式光伏，建設(shè)容量約1500 kWp，建成后年發(fā)電量 1490 MW·h。

3.3.2 能源消費(fèi)

（1）清潔能源作業(yè)設(shè)施應(yīng)用：將東風(fēng)系列內(nèi)燃機(jī)車計劃改造為全電機(jī)車，續(xù)航里程90 km，每年每車可替代燃油消耗250 t，減排二氧化碳約800 t。結(jié)合港口和臨港工業(yè)區(qū)新投放的電力集卡、辦公車輛的充換電需求，建設(shè)電動重卡充換電站，首期為26 臺車服務(wù)，替代燃油119 t，減排二氧化碳約266.6 t。

（2）港口岸電設(shè)施：推進(jìn)港口岸電設(shè)施建設(shè)，確保港區(qū)高壓岸電全覆蓋。應(yīng)用全國首艘海港5000 kW·h 純電動作業(yè)拖船，配套建設(shè)6 kV 高壓岸電快充系統(tǒng)，替代燃油約300 t，減排二氧化碳約672 t。

3.3.3 能源管控

構(gòu)建港口岸電交能融合能量管理與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)可再生能源發(fā)電、儲能裝置、岸電設(shè)施、電動汽車充/換電設(shè)施一體優(yōu)化管理與調(diào)度和自動化運(yùn)行控制。

4 結(jié)語

交通領(lǐng)域是推動實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重點(diǎn)領(lǐng)域，本文主要以交通樞紐節(jié)點(diǎn)為研究對象，提出了交通樞紐節(jié)點(diǎn)的交能融合的建設(shè)路徑，構(gòu)建了清潔低碳的用能體系，為交通用能低碳化提供思路。最后分別選取某公路服務(wù)區(qū)、機(jī)場和港口研究了交通樞紐節(jié)點(diǎn)的交能融合系統(tǒng)建設(shè)方案，支撐交通樞紐節(jié)點(diǎn)低碳發(fā)展。