軌道交通新能源開發(fā)利用潛力研究

彭 曄

（中國神華能源股份有限公司，北京 100000）

引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和國家發(fā)展規(guī)劃，我國的軌道交通規(guī)模發(fā)展迅速，截至2020 年底，全國鐵路營業(yè)里程達到14.63 萬km，其中高速鐵路營業(yè)里程達到3.8 km，復線率59.5%，電化率72.8%，西部地區(qū)鐵路營業(yè)里程5.9 萬km，全國鐵路路網(wǎng)密度152.3 km/萬km2；全國城市軌道交通運營總長度達7 969.7 km，共有45個城市開通城軌交通，總運營線路244 條。在能耗方面，受疫情影響，2020 年鐵路客運量降低，國家鐵路能源消耗折算標準煤1 548.83 萬t，折算成電能消耗，約為464.649 億kW·h，較2019 年下降5.3%；在城市軌道交通方面，2020 年能耗兩172.4 億kW·h，較2019 年增長12.9%，其中，牽引能耗84 億kW·h，增長6.3%，未來隨著軌道交通線路的不斷增加，其能耗將不斷增長[1-2]。

2019 年9 月，中共中央國務院印發(fā)《交通強國建設(shè)綱要》，要求推進交通裝備技術(shù)升級，推廣新能源、清潔能源、智能化、數(shù)字化、輕量化、環(huán)保型交通裝備及成套技術(shù)裝備[3]。2020 年，基于推動實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求和構(gòu)建人類命運共同體的責任擔當，習近平主席宣布了“碳達峰”和“碳中和”的“雙碳”目標愿景。軌道交通作為我國能源消耗大戶，其實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色運營將能夠大量地減少煤炭等不可再生能源的消耗和二氧化碳等溫室氣體的排放。因此，未來需要積極將可再生新能源發(fā)電應用于軌道交通供能領(lǐng)域。

本文接下來將分別對我國軌道交通領(lǐng)域可利用自然資源的分布情況和發(fā)掘潛力、新能源在軌道交通領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀、新能源應用于軌道交通的社會效益進行分析介紹，并對未來軌道交通領(lǐng)域的能源供給情況進行展望。

1 可利用自然資源的分布和利用潛力

我國軌道交通線路規(guī)模大，線路周邊可利用自然資源豐富。在鐵路方面，我國鐵路路網(wǎng)縱橫全國，鐵路沿線具有豐富的風、光、地熱等自然資源，可建設(shè)大規(guī)模的風力發(fā)電、光伏發(fā)電和地熱發(fā)電電站，其發(fā)出電能可直接接入鐵路供電系統(tǒng)，供列車負載、車站和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施用電。我國的太陽能資源豐富，可利用率高，據(jù)2014 年國家能源局公布數(shù)據(jù)顯示，我國太陽能資源文獻總體呈“高原大于平原、西部干燥區(qū)大于東部濕潤區(qū)”的分布特點。其中，青藏高原最為豐富，年總輻射量超過1 800 kWh/m2，部分地區(qū)甚至超過2 000 kWh/m2，其具體分布如表1 所示[4]。此外，賈利民等[5]對我國鐵路光伏資源情況進行了分析，本文截取其中京滬高鐵部分站點的光伏資源情況進行展示，如下頁表2 所示，可以看出我國鐵路沿線的可利用太陽能資源十分豐富。

表1 全國太陽能輻射總量等級和區(qū)域分布表

表2 京滬高鐵沿途高鐵站太陽能資源信息

除了太陽能資源外，我國的風力資源也十分豐富，根據(jù)氣象局《2020 年中國風能太陽能資源年景公報》顯示，我國風能最豐富的地區(qū)主要分布在“三北”地區(qū)，即東北、華北北部和西北地區(qū)，其次是沿海地區(qū)。根據(jù)氣象部門的評估顯示，我國2020 年風能資源統(tǒng)計分析結(jié)果如下：在我國陸地70 m 高度層平均風俗約為5.4 m/s，平均風功率為184.5 W/m2，平均風功率密度大值區(qū)主要分布在我國的內(nèi)蒙古中東部，河北北部，新疆北部和東部，廣西以及青藏高原和云貴高原的山脊地區(qū)，這些地區(qū)的年平均風功率一半超過300 W/m2，經(jīng)統(tǒng)計，我國陸地70 m 高度層的風能可開發(fā)量為50 億kW；我國近海主要海區(qū)70 m 高度層的平均風俗值約為8.1 m/s，黃海南部的東部海域、東海北部及其以南海區(qū)的年平均風俗超過8.0 m/s，年平均風功率密度為572.6 W/m2，東海北部及其以南海區(qū)年平均功率密度一般超過600 W/m2[6]。

2 軌道交通新能源的應用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外很多國家都將風光等可再生新能源發(fā)電應用于軌道交通領(lǐng)域，研究人員通過電力電子變換器將風光等新能源發(fā)電經(jīng)變換后接入軌道交通供電系統(tǒng)，對列車等負載進行供電。例如，在2012 年，東日本鐵路公司在平泉站建設(shè)了太陽能發(fā)電零排放站，在光照充足的情況下，站內(nèi)的電力都由太陽能電池發(fā)電提供[7]；中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司為解決肯尼亞米軌鐵路沿線電力資源匱乏問題，提出采用一種離網(wǎng)型風光互補供電裝置為鐵路車站負荷提供電力供應的方案[8]；德國已經(jīng)有將MW 級光伏發(fā)電接入電氣化鐵路的實際案例，據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計顯示，德國鐵路在吸納新能源方面已有規(guī)模應用，約10%以上電能來自新能源，遠高于全國6.25%的平均值[9]。

在我國，新能源也在逐漸應用于軌道交通領(lǐng)域。北京交通大學團隊自主研發(fā)世界首套兆瓦級混合儲能裝置用于收集地鐵再生能量，2020 年9 月25 日，在北京地鐵八通線梨園站掛網(wǎng)試驗成功。該裝置能回收利用列車再生制動能量，降低城軌列車能耗10%～15%[10-11]。

在光伏發(fā)電應用上，上海虹橋車站太陽能電站，裝機容量6 688 kW，年均發(fā)電可達630 萬kW·h，每年發(fā)電可供12 000 戶居民使用一年，此電站每年可以減排二氧化碳6 600 多t，節(jié)約標煤2 254 t，是世界上最大的“建筑光伏一體化”項目，其經(jīng)濟效益和節(jié)能減排作用十分明顯。此外，還有先建的雄安車站，安裝了4.2 萬m2的光伏板，年均發(fā)電量可達580 萬kW·h。

新能源用于軌道交通的場景主要有：為車站內(nèi)及沿途基礎(chǔ)設(shè)備供電和接入牽引供電系統(tǒng)為列車進行供電兩種。這兩種應用都是通過電力電子設(shè)備將電能進行變換后才能夠順利的把新能源接入的，目前研究人員的提出的電路拓撲主要如圖1 所示，新能源發(fā)電系統(tǒng)通過電力電子裝備可以實現(xiàn)交直流的變換和能量的雙向流動控制，同時通過儲能系統(tǒng)的接入，可以更好的利用新能源，減少棄風棄光現(xiàn)象，并且可以減少新能源發(fā)電波動性帶來的電能質(zhì)量的危害。

3 軌道交通新能源的應用效益

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與能源危機的日趨嚴重，新能源接入牽引供電系統(tǒng)已成為未來軌道交通新的發(fā)展趨勢，通過合理規(guī)劃新能源應用與軌道交通能量供給方案，可以帶來良好的效益。

首先，軌道交通運輸電能消耗量十分巨大，將新能源發(fā)電接入可以有效減少軌道交通從電網(wǎng)獲取的電量，減少用電支出，降低運營成本。除了風光發(fā)電外，還可以利用儲能系統(tǒng)來回收利用列車再生自動能量，可進一步提高能量利用率，提高運營經(jīng)濟效益。如雄安和上海虹橋站的光伏電站，年均發(fā)電達百萬千瓦時，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

其次，在軌道交通領(lǐng)域應用新能源，在環(huán)境保護和社會影響上也具有極高的效益。我國是軌道交通大國，每年軌道交通運營產(chǎn)生的污染物巨大，如果提高新能源在搞到交通供能上的占比，就可以大大降低污染物的排放，為綠水青山目標做出貢獻。軌道交通是我國客流運送的大動脈，是城市間發(fā)展的助燃劑。軌道交通新能源應用的建設(shè)，從另一方面也對改善人民的出行條件與生活質(zhì)量具有重要意義，使用新能源的軌道交通將為城市電網(wǎng)減少極大的壓力。

4 軌道交通新能源應用展望

在第2 節(jié)中，介紹了風光等新能源應用的情況，在本節(jié)，將介紹儲能系統(tǒng)外來在鐵路牽引供電系統(tǒng)中的應用前景。目前，儲能系統(tǒng)的形式有很多，如重力儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導體、超級電容器儲能、蓄電池儲能等。儲能系統(tǒng)能夠在電力系統(tǒng)，如電網(wǎng)，風光發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電多余時儲存起來，等到需要的時候在釋放出來，進行電力調(diào)節(jié)。本節(jié)主要對新型重力儲能系統(tǒng)進行介紹，重力儲能是一種更加綠色清潔、高效、易維護，同時，建設(shè)成本和運行管理費用較低的儲能形式，在能源危機日益嚴峻的今天，正受到越來越多的關(guān)注，它亦是解決鐵路系統(tǒng)節(jié)能減排問題的良選之一。

相比其他儲能方式，重力儲能優(yōu)勢是：能量轉(zhuǎn)換效率高，可高達80%以上；建設(shè)成本低，重力儲能裝置的單位功率成本約為蓄電池的一半，且維修方便后期成本低；山體儲能依山而造，土木工程和軌道鋪設(shè)技術(shù)成熟；在環(huán)境影響方面，重力儲能基本屬于出綠色環(huán)保無污染；最后，由于是純物理轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)的使用壽命很長，前期投入成本可以穩(wěn)定的回收，社會效益大[12-14]。2018 年11 月，瑞士的Energy Vault 公司推出了重力儲能系統(tǒng)，這是儲能市場的最新進入者之一，將在2021 年進行首次商業(yè)部署。該系統(tǒng)由一臺安裝在90～140 m 高的格狀鋼塔上的二至六臂起重機組成。起重機的工作原理與抽水蓄能系統(tǒng)相同，它將35公噸的混凝土吊入塔周圍的堆垛中，為系統(tǒng)充電。該系統(tǒng)可以在幾毫秒內(nèi)響應電力需求的波動或電網(wǎng)運營商需要的其他支持，并能為可再生能源24 h 提供基本負載[15]。我國鐵路線路分布廣泛，線路周圍可利用來進行重力儲能建設(shè)的自然資源豐富，非常適合進行儲能電站的建設(shè)。鐵路沿線有大量的山區(qū)和無人區(qū)，具有得天獨厚的自然地理優(yōu)勢。目前建設(shè)最簡單，建設(shè)成本最低的重力儲能系統(tǒng)就是山體儲能（斜體式），并且現(xiàn)今大力推行的風電和光伏發(fā)電一般在山區(qū)或者海拔較高的地區(qū)，為斜體式山體儲能技術(shù)提供了很好的應用場景。

5 結(jié)論

介紹了我國軌道交通發(fā)展情況，近些年我國軌道交通規(guī)模逐漸增大，軌道交通已經(jīng)和人民的生活出行緊密聯(lián)系在一起，同時軌道交通能耗大的問題也逐漸體現(xiàn)。新能源的接入是解決這一問題的最佳方案，為充分合理利用新能源，本文分析了我國能源分布情況和新能源在軌道交通方向的研究應用進展。最后，本文也對新能源應用于軌道交通領(lǐng)域帶來的效益進行了分析。