高速公路與清潔能源的融合之法

文 招商局公路網(wǎng)絡(luò)科技控股股份有限公司 吳新華

目前，我國(guó)高速公路與能源融合整體的技術(shù)和市場(chǎng)正越來越成熟。例如，超高壓和智能電網(wǎng)能源技術(shù)逐步成熟，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能交通、信息化技術(shù)被大規(guī)模廣泛應(yīng)用，電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛蓬勃發(fā)展。同時(shí)，高速公路領(lǐng)域自身的光纖充電、車聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)步也為高速公路與能源的融合營(yíng)造了良好的市場(chǎng)環(huán)境。

被電動(dòng)車和新基建推高的能源需求

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展和新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)改造，高速公路的能源需求逐漸被推高。這就意味著高速公路需要同步規(guī)劃建設(shè)科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)高效的供能、充電設(shè)施。

預(yù)計(jì)到2030年，電動(dòng)汽車整體的年銷售量將達(dá)到190萬(wàn)輛，滲透率將達(dá)到40%以上，總保有量將超過8000萬(wàn)輛，其中400萬(wàn)輛商用車占比5%，小客車則有7600萬(wàn)輛。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)作預(yù)測(cè)，電動(dòng)汽車全國(guó)用電量分別從2020年的34太瓦時(shí)，增長(zhǎng)到2050年的263太瓦時(shí)，極端的情況下甚至可能增加到956太瓦時(shí)。大規(guī)模電動(dòng)汽車的介入將顯著增加高速公路線路電網(wǎng)峰值組合，到2050年，高速公路沿線所有的電動(dòng)汽車充電站峰值需求，在極端的情形下可能達(dá)到24吉瓦，這是另一個(gè)驚人的數(shù)字。

除了電動(dòng)汽車的發(fā)展，同步發(fā)展的還有高速公路新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和升級(jí)改造。目前，高速公路整體的數(shù)字化、自動(dòng)化及智能化水平正在快速提升，尤其是以5G技術(shù)為代表的能夠?qū)崿F(xiàn)智能交通和基礎(chǔ)設(shè)施高效聯(lián)通的新一代信息技術(shù)。其中，高速公路智能設(shè)施的布設(shè)，在2030年以前都屬于培育狀態(tài)，而在2030年以后將迎來非常明顯的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。例如，每10公里布設(shè)4G信號(hào)塔和Wi-Fi信號(hào)塔的耗電量是31.5千瓦時(shí)。隨著5G設(shè)施的進(jìn)一步完備，布設(shè)高精度定位基站、邊緣基站的平臺(tái)，以及5G通信站等設(shè)施，每10公里的耗電量將達(dá)到240千瓦時(shí)。

高速公路的用電需求大致來源于智能基礎(chǔ)設(shè)施和電動(dòng)汽車兩方面?？傮w來講，以電動(dòng)汽車為主，基本在90%以上。

充電與換電之選

“光儲(chǔ)充”是指在利用光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把使用盈余的電量暫存于儲(chǔ)能設(shè)施中，再把儲(chǔ)能盈余的電量用于充電設(shè)施。這將是未來高速公路光伏商業(yè)運(yùn)作的典型場(chǎng)景之一。

目前，一般服務(wù)區(qū)設(shè)置4個(gè)充電樁，熱點(diǎn)服務(wù)區(qū)設(shè)置8個(gè)充電樁。從理論上測(cè)算，凈零碳服務(wù)區(qū)在設(shè)置4個(gè)充電樁的情況下，通過綠色發(fā)電、綠色供電可以完全實(shí)現(xiàn)綠電自洽。如果4臺(tái)240千瓦的充電樁平均每天的利用率能達(dá)到16%，4小時(shí)耗電將達(dá)到4000度。在完全光伏供電的情況下，大約需要在服務(wù)區(qū)周邊設(shè)置1.5兆瓦的光伏發(fā)電設(shè)施，配備1200千瓦至4500千瓦的儲(chǔ)能設(shè)施，其中儲(chǔ)能設(shè)施需要約700萬(wàn)元至800萬(wàn)元的投資。如此，可基本實(shí)現(xiàn)高速公路服務(wù)區(qū)的微電網(wǎng)循環(huán)。

通過國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)充電樁落地情況排查可知，目前湖南省處于盈利狀態(tài)，北京市處于微利狀態(tài)，全國(guó)高速公路充電樁總體處于虧損狀態(tài)。虧損的主要原因是不到2%的低利用率，以及在低利用率條件下，由每度電5角至6角的服務(wù)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)決定的微乎其微的盈利能力。目前，充電樁數(shù)量每年的增長(zhǎng)率大約在50%，按現(xiàn)有1.2萬(wàn)座充電樁測(cè)算，到2025年，利用率達(dá)到5%至6%時(shí)可實(shí)現(xiàn)盈利。但是國(guó)家即將開始大規(guī)模布局充電樁，這無(wú)疑是新的沖擊和挑戰(zhàn)，意味著盈利周期將大幅延長(zhǎng)。

電動(dòng)汽車正在通過充電樁充電。

未來，高速公路的充電場(chǎng)景將不僅限于服務(wù)區(qū)固定型的充電樁，它將由服務(wù)區(qū)向公路本體沿線擴(kuò)展，由有線有樁充電向無(wú)線無(wú)樁充電發(fā)展，移動(dòng)式補(bǔ)電也可能作為一種補(bǔ)充方式存在。目前，我國(guó)電動(dòng)汽車的無(wú)線充電技術(shù)已逐步成熟，但大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用還存在充電成本高、轉(zhuǎn)化效率低等問題。預(yù)測(cè)兩年內(nèi)，靜態(tài)無(wú)線充電停車場(chǎng)將規(guī)模化應(yīng)用。

5年后，隨著無(wú)線移動(dòng)充電成本的降低、轉(zhuǎn)化效率的提高，高速公路沿線對(duì)電能的需求也將進(jìn)一步增強(qiáng)。如此，高速公路的屬性很有可能發(fā)生顛覆性的變化，它將不僅是能源的消耗者，更可能真正轉(zhuǎn)化成能源的大規(guī)模的需求者、生產(chǎn)者和服務(wù)商，行業(yè)生態(tài)將發(fā)生巨變。

充電是小型電動(dòng)汽車補(bǔ)充能源的主要方式，但對(duì)于重型卡車等大型電動(dòng)汽車而言，因其容量和重量大的特點(diǎn)，換電池的充能方式是必然的。目前我國(guó)重型卡車保有量在8500輛左右，其中基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程保有量800萬(wàn)輛，電動(dòng)化率不足1%。其燃油消耗量超過2億臺(tái)小轎車的消耗量，如此看來，重型卡車電動(dòng)化也勢(shì)在必行，但目前其換電時(shí)機(jī)尚不成熟。

從目前電池的技術(shù)水平看，以40噸的電動(dòng)重型卡車為例，電池重1.5噸，280度的電池大約能跑140公里至160公里，一般在120公里時(shí)換電池。這不符合重型卡車多拉快跑的需求。同時(shí)，重型卡車的電池一定是與車輛分離的，比小型車輛的電池更復(fù)雜，需要兼?zhèn)渲评浜椭茻嵯到y(tǒng)，對(duì)技術(shù)水平要求非常高。目前國(guó)內(nèi)電池質(zhì)量比較好的生產(chǎn)商對(duì)于解決上述問題都存在不同程度的困難，很難實(shí)現(xiàn)5年保質(zhì)期，因?yàn)殡姵貕勖挥?年。

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觀點(diǎn)

氫能專家：2025年可實(shí)現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)化落地，2030年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，將淘汰鋰電池。氫能是解決重型卡車清潔能源需求的終極解決方案。

鋰電專家：氫能成本太高，很難實(shí)現(xiàn)。

從金融的角度看，也缺乏安全可靠的出資方。在5年壽命和車輛與電池分離的條件下，大量的電池在高速公路上被消耗，一個(gè)電池成本十幾萬(wàn)元，誰(shuí)來買單是個(gè)大問題。目前，車輛的成本由物流企業(yè)承擔(dān)，但是電池成本還沒有著落。部分金融機(jī)構(gòu)和租賃公司認(rèn)為其中有生意可做，但是他們希望有人“兜底”，那“誰(shuí)來兜底”又是一個(gè)問題。

重型卡車換電池一般有兩種場(chǎng)景。一是固定場(chǎng)景，例如礦區(qū)已經(jīng)有實(shí)踐的案例，理論上港口也可以實(shí)踐，因?yàn)殡妰r(jià)相對(duì)都不算高。二是專線，需要在全國(guó)層面形成網(wǎng)絡(luò)，這需要電池的性能水平取得突破性的提升，同時(shí)金融問題也必須得到妥善解決。任。氫能方面“卡脖子”的技術(shù)正在不斷被突破，氫能不斷實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，成本也在不斷降低。

由此可見，高速公路要高度關(guān)注氫能市場(chǎng)。目前，部分省級(jí)高速公路公司投資上千萬(wàn)元布局、建設(shè)換電站。經(jīng)過三五年的建設(shè)期后，如果氫能市場(chǎng)發(fā)展壯大到可以顛覆換電站，這是很“致命”的事情。理想狀態(tài)是電能和氫能兩種技術(shù)路線互補(bǔ)長(zhǎng)短、和諧共生。未來，重型卡車走氫能路線還是走換電路線的結(jié)論尚不明晰。高速公路還需要不斷地學(xué)習(xí)和研究，跟進(jìn)最新的技術(shù)趨勢(shì)，大膽地先行先試。

政策制定部門在把握未來交能融合趨勢(shì)、制定政策方面，應(yīng)持開放包容和鼓勵(lì)的態(tài)度，允許部分試點(diǎn)，例如在隔離帶、路側(cè)設(shè)置光伏柔性支架的走廊或者隔離柵，適當(dāng)向外拓展能源設(shè)施的使用空間。高速公路與能源融合的產(chǎn)業(yè)化布局需要有全國(guó)一盤棋的戰(zhàn)略視野。因此，在加強(qiáng)協(xié)調(diào)方面，也建議交通運(yùn)輸部門、能源部門，以及工業(yè)和信息化部門不斷加強(qiáng)溝通。

風(fēng)、光、氫的能源之力

風(fēng)電和光伏是電能的主要種類，其中又有分布式光伏和分散式風(fēng)電。目前，部分高速公路服務(wù)區(qū)已經(jīng)做了一些測(cè)算，安裝了一批既能發(fā)電又能作為景觀的風(fēng)電設(shè)施，但是實(shí)際效果并不理想。因?yàn)樵诟咚俟窇?yīng)用風(fēng)電是很具有挑戰(zhàn)性的。例如，平原地區(qū)在風(fēng)電應(yīng)用方面本身有一定限制，低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電效率較低等問題。所以，在路側(cè)、服務(wù)區(qū)，以及中間隔離帶、隧道出入口等區(qū)域安裝光伏系統(tǒng)就成為了高速公路清潔能源關(guān)注的重點(diǎn)。

關(guān)于未來光伏開發(fā)能達(dá)到的規(guī)模，有專家預(yù)測(cè)是每百公里50兆瓦至100兆瓦。但目前新建的高速公路，需要在完全給光伏預(yù)留空間和南北向的條件下，才可能達(dá)到這樣理想的效果，實(shí)際上還要考慮綠化帶的遮蓋影響等問題。我國(guó)共有三類光伏地區(qū)，按三類都開發(fā)高速公路路域光伏測(cè)算，在全國(guó)路域安全規(guī)范要求下，每年的發(fā)電量能達(dá)到52.4吉瓦至73.3吉瓦。

此外，氫能在制作、存儲(chǔ)、運(yùn)輸和加注環(huán)節(jié)的技術(shù)上都有待突破，成本也有待進(jìn)一步降低。目前，我國(guó)中央企業(yè)的研發(fā)能力比較強(qiáng)，同時(shí)承擔(dān)著國(guó)家重

以光伏為能源的路燈