公路交通与能源融合实践模式探究_姚沅.pdf

第 19 卷 第 94 期 交 通 节 能 与 环 保 Vol.19 No.2 2023 年 04 月 Transport Energy Conservation Environmental Protection April.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.02.018 公路交通与能源融合实践模式探究 姚 沅1，付 豪1，梁叶云1，田孝武2（1.葛洲坝集团交通投资有限公司，湖北 武汉 430000；2.葛洲坝（武汉）新能源发展有限公司），湖北 武汉 430000）摘要：目前公路交通与能源融合项目的投资、建设、运营存在盈利模式不清晰、交通侧能源侧要求不明确、政策机制不完善等方面的问题，严重制约了公路交通与能源融合项目的发展。针对上述问题，本文以示范项目为依托，开展了政策机制、安全环境、标准体系、运维模式、关键技术、解决方案的探索研究，形成可复制的公路交通与能源融合项目投建营模式，推动交能融合行业高质量快速发展。关键词：交通与能源融合；制约因素；项目实践；关键技术 中图分类号：U491 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）02-0100-06 Research on Practical Mode of Integration of Highway Transportation and Energy YAO Yuan1,Fu Hao1,LIANG Yeyun1,TIAN Xiaowu2(1.Gezhouba Group Transportation Investment Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430000,China;2.Gezhouba(Wuhan)New Energy Development Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430000,China)Abstract:At present,there are some problems in the investment,construction and operation of highway transportation and energy integration project,such as unclear profit model,unclear energy demand and imperfect policy mechanism,etc.,which seriously restricts the development of highway transportation and energy integration projects.In the light of the above-mentioned problems,based on the demonstration project,the exploration and research on policy mechanism,safety environment,standard system,operation and maintenance mode,key technologies and solutions have been carried out to form a replicable mode of construction of highway transportation and energy integration projects,and promote the rapid development of high-quality transportation and energy integration industry.Key words:transportation and energy integration;constraints;project practice;key technologies 0 引言 实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择。目前交通行业碳排放量约占全社会碳排放总量 10%，其中公路交通碳排放在交通行业 收稿日期：2022-12-06 作者简介：姚沅（1972-），男，湖北武汉人，研究生，高级工程师，研究方向为交通工程、新能源.（）占比约 80%1，因此，公路交通担负着加快形成绿色低碳运输方式、实现减污降碳的重大责任，亟须加快推动能源结构转型，大力发展可再生能源。近年交通强国建设纲要国家综合立体交通网规划纲要 等的发布旨在建设高质量综合立体交通网，促进交通基础设施网与运输服务网、信息网、能源网“四网”融合；为优化交通能源结构，交通与能源融合发展的战第 2 期 姚沅等，公路交通与能源融合实践模式探究 101 略与政策相继发布，旨在促进交通基础设施网与能源网融合发展，为实现能源与交通的可持续发展奠定良好基础2。根据华北电力大学国家交能融合发展研究院测算，预计到 2025 年，全国高速公路分布式光伏年发电量可达780GW h，全国高速公路用电自洽率为4.2%，可再生能源电力渗透率为 19.2%，年减少碳排放 77.8 万 t；到 2030 年，全国高速公路分布式光伏年发电量为8 990GW h，全国高速公路用电自洽率为19.9%，可再生能源电力渗透率为 39.1%，年减少碳排放 896.3 万 t3。由此可见，公路交通与能源融合发展领域市场规模和前景巨大。1 面临的问题 交能融合概念的发展催生了新的行业契机，但交能融合项目的推进目前也存在一系列亟待解决的问题：一是关键技术未突破；二是项目盈利模式不清晰；三是交通侧及能源侧需求不明确；四是政策机制不完善、标准体系不健全；五是典型应用场景不成熟。1.1 关键技术未突破 国内外能源与交通融合领域主要在“源”层面开展了初步探索，缺乏“源-网-荷-储”一体化深度融合的理论及技术。交通沿线光伏规模化应用技术、“风光储充换氢”综合供能技术、智能微电网技术、用能安全稳定保障及品质提升技术、能源智慧管控技术等关键技术问题也制约了该领域的发展。1.2 盈利模式不清晰 交能融合项目光伏组件的装机容量需要根据高速公路沿线的资源禀赋条件、线位走向、沿线消纳情况、并网条件等因素确定，不同的项目实际情况差异较大。同时，在项目总投资构成中，设备购置费通常占到项目总投资的 80%以上，例如光伏、储能等设备的价格对投资影响较大，影响投资控制。因此，还需要进一步探索成熟可行的盈利模式。1.3 交通侧、能源侧影响不明确 在交通侧，各省交通运输主管部门缺乏可参考的交能融合安全性论证依据，反映在三个方面：一是光伏项目实施后对道路行车安全的影响，对过往行驶车辆及周围居民的光影响，车辆发生事故冲出护栏后对司乘人员的二次伤害等；二是光伏项目实施对交通基础设施的影响，主要是在高速公路现有边坡进行建设活动，新建设施对公路边坡稳定性的影响；三是光伏项目实施对生态环境的影响，主要包括对道路两侧原有植被生态、周边环境和沿线群众生活的影响。在能源侧，一是项目所在地消纳能力不足，可能要求更高的储能占比，导致项目投资增大、收益不及预期等；二是新能源指标获取难，新项目每年只有一次申报机会，准备时间较长，获取难度大；三是并网稳定性影响，交能融合项目目前多选用分布式光伏，采用低压多点并网方式，微电网并网后对大电网的稳定性可能产生影响。1.4 政策机制不完善、标准体系不健全 目前我国的交能融合发展尚处于起步阶段，相关政策机制还不十分健全。交通行业和能源行业的管理职能部门之间，存在着较大的跨行业、多部门协调的体制壁垒4，缺乏交能融合相关的政策和协调机制。交通与能源两个领域的融合界面还不清晰，单独涉及两个行业的技术标准规范目前已相对健全，但两个行业的部分标准规范未有效衔接，风、光、热、储、氢、换、充等清洁能源一体化应用在交通领域的融合应用技术体系尚未形成，导致交能融合项目的设计、建设、运维、验收等工作缺乏有效参考与指导。1.5 应用场景不成熟 现有工程实践多数处于小规模探索阶段。如针对高速公路、港口、铁路等应用场景，常见为小规模分布式光伏发电补偿案例，电气化公路、能源自洽公路和隧道、交能融合集成装备等技术和场景大多处于试点探索阶段，尚未形成可实施的典型应用场景解决方案和示范工程。2 公路交通与能源融合项目实践 山东枣（庄）菏（泽）高速交能融合示范工程项目遵循“低碳、智慧、高效、安全”的建设理念，打造了涵盖路域清洁能源（光伏）、清洁能源储能技术、服务区充换电站、零碳服务区（屋顶光伏、风电路灯）、交通供配电系统改造升级、智慧交通系统、环保节能设102 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 施、四网融合展厅等多种元素的“源网荷储充”一体化项目。公路全长 177.8 公里，跨 8 个县，光伏总装机容量为 124MW，该项目填补了国内交能融合领域多层级一体化融合系统关键技术与示范应用的空白，为我国交通与能源领域绿色低碳转型提供了有力支撑。在项目实施过程中，本文针对交能融合项目存在的各类实际问题，对其可行的实践模式进行了探索研究。2.1 关键技术方面 针对交能融合关键技术未突破的现状，山东枣菏交能融合示范工程率先应用了一批新技术。（1）交通沿线光伏故障诊断技术。建立光伏组件的可靠性数据库，根据故障模式和故障表现判定故障原因及故障后果，提出预防措施，结合光伏组件监测系统，实现了高速公路光伏组件的运行监控及故障诊断。（2）交通沿线光伏镜面自洁技术。构建灰尘与镜面黏附机理模型，研制光伏表面超疏膜，根据现场超疏膜除灰性能优化超疏膜设计。（3）交能融合“源-网-荷-储”一体化技术。根据交能融合系统电源、电网、负荷和储能等可行性布局，搭建“源-网-荷-储”多层级一体化的技术架构，指导技术集成应用和示范项目建设，如图 1 所示。图 1 交能融合“源-网-荷-储”一体化构架图 Fig.1 Integrated architecture diagram of source-network-load-storage for traffic and energy integration （4）交通用能自洽系统。综合考虑风、光等可再生资源分布特点，微网网络架构、负荷需求特性和储能运行特点，构建用能自洽水平较高的系统模式，如图 2 所示。目前枣菏高速年用电总量为400MW h，当前新能源系统发电总量超过500MW h，经测算整个系统新能源自洽率达到 100%。图 2 交通用能自洽系统 Fig.2 Self-consistent system of transportation energy use （5）交通基础设施新能源供给潜力评估方法。结合交通行业相关规划以及太阳能、风能资源评估方法等技术规范，分情景、分交通基础设施类型评估其潜在的新能源发电可装机容量和发电量，提出交通基础设施新能源开发潜力的评估方法。（6）基于分布式可再生能源的交能融合微电网规划方法。构建适宜的新能源发电模型和储能设备，考虑多种成本建立以交通沿线分布式可再生能源为主体的微电网规划模型，如图 3 所示，提出高速公路风光储充换氢电站的选址和定容方法。图 3 微电网规划图 Fig.3 Microgrid planning diagram （7）高速公路基础设施低碳运营策略。从微电网智能运行控制、光储充电站充放电优化和隧道节能管理等方面着手，实施高速公路低碳运营策略，如图 4 所示。第 2 期 姚沅等，公路交通与能源融合实践模式探究 103 图 4 低碳运营策略图 Fig.4 Low-carbon operation strategy chart （8）高速公路交能融合碳排放核算评估方法。构建碳足迹核算模型，建设交通设施全生命周期能耗排放计算方法，实现基建工程各阶段碳排放的一键归集和指标分析。2.2 盈利模式方面 交能融合项目主营业务收入一般为售电收入。自洽率和上网电价是关系到交能融合项目能否盈利的最核心边界条件。具体到项目中