中国城市轨道交通绿色城轨发...解读之四：绿色能源替代行动_林莉.pdf

Smart and Green Urban Rail绿智城轨城市轨道交通，2023 年第 1 期2021 年国家出台“关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见”和“2030年前碳达峰行动方案”，提出了 2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和的具体目标。协会组织课题组认真学习上述政策文件，通过广泛深入的调研，形成全球城轨交通绿色低碳发展调研报告，于 2022 年 8 月中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案（以下简称绿色城轨行动方案）出台，这是继智慧城轨发展纲要后，城轨交通行业又一重要举措。绿色低碳是城轨交通行业面临的历史性任务，绿色城轨行动方案的发布开启了城轨交通绿智融合发展新局面，绿色城轨行动方案确定了总体工作思路，谋划了一张绿色城轨发展蓝图，提出 6 大绿色城轨发展行动以及 6 项保障措施等。绿色城轨发展的方向、目标、重点任务既清晰又完整，接下来重点围绕行动方案中绿色能源替代行动进行解读。一、绿色能源替代必要性城市轨道交通是现代大运量公共交通的代表，本质上是绿色低碳脱离化石能源，主要能源消耗为电能，其次为燃油、水、天然气等。但城轨交通也是电能消耗大户，据统计，2021 年全国城市轨道交通总用电量约 213 亿千瓦时，约占全社会总用电量的 0.26%。其能源结构的优化无疑是行业实现碳达峰、碳中和的关键因素。正如包叙定创始会长谈到在未来 10 年左右，城轨上游装备制造环节的碳排放量会保持一个相对稳定的值，而建设运营环节，碳排放量会节节升高，这意味着随着国内轨道交通运营规模的扩大，能源消耗必然总体呈上升趋势，因此绿色城轨行动方案提出建成绿色城轨目标，同时诠释了绿色城轨内涵，一方面从降低整体碳排放量考虑，提升能效和资源利用率，提高运输效率、效益；另一方面从城轨用能侧的自我革命出发，最大可能地采用清洁能源，推动用能结构转换，优化能源结构。二、目标设定绿色能源替代行动这一部分内容篇幅虽占比不大，但无疑是行动方案中关键的一环。行动方案的目标设定主要是在落实好国家双碳总体目标基础上，经过认真研究，充分考虑城轨交通的现实情况，提出了一些通过努力可以达到的较高的目标，不仅涵盖了城轨交通建设运维全过程，而且统筹考虑了装备制造等产业链上下游。绿色能源替代行动提出按两步走，到 2025 年着力提升轨道交通增量范围绿色能源占比，结合绿色建筑、新能源应用、车辆电气化等，全产业链逐步实现不再直接碳排放。从 2025 年到 2030 年，解决轨道交通存量范围内绿色能源的覆盖问题，将新能源技术从试点扩大到具有一定规模的产业，同时从 2025 年起逐年提高外购绿色电力的比重。文：林莉丨重庆市轨道交通（集团）有限公司总工程师中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案确定了总体工作思路，谋划了一张绿色城轨发展蓝图，提出六大绿色城轨发展行动以及 6 项保障措施等。本文围绕行动方案中绿色能源替代行动的必要性、目标设定、实施路径进行讲解。中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案“六大行动”解读之四：绿色能源替代行动20DOI:10.14052/ki.china.metros.2023.01.00321城市轨道交通，2023 年第 1 期Smart and Green Urban Rail绿智城轨（一）2025 年的目标一是要新增具备可开发条件的屋顶和场地的光伏发电覆盖率达到 100%。截至 2021 年，全国轨道交通在建里程 6096 公里，到 2025 要建 成 约 13000 公 里。要 实 现 2025 年 目 标，也就是目前刚开工建设和即将开工建设的线路要做到企业办公楼、车场停车检修库、地面/高架车站以及 TOD 综合开发建筑的屋面等有条件的地方都要达到光伏发电全覆盖。按照每平方米屋面可装机容量估算，太阳能光伏发电将成为城轨新能源主力军。当前在轨道交通领域均陆续有应用案例，例如铁路的北京丰台站，杭州东站，雄安站等以及北京、上海、重庆、宁波的等地轨道交通。二是要根据城轨所在区域气候特点，在新建车辆基地的地、气、水源热泵利用率要达到 40%的目标。中国是地热资源较为丰富的地区，在过去 20 多年里，国内地源热泵呈现高速发展态势，国内地源热泵装机容量从 0.04%的占比上升到23.61%，达到约 2.6 万兆瓦。空气源水源热泵同样在国内一些地区存量丰富，发展前景良好，三种热泵技术均具有经济高效、能持续再生利用、污染小、可实现一机多用且维护费用低等优势，能够有效降低城轨行业非牵引能耗中的化石能源占比。绿色城轨行动方案提出在新建车辆基地运用率要达到 40%的目标，通过梳理新能源的分布情况，在水体丰富的地区且水源满足一定的温度、水量和清洁度，可以考虑利用水源热泵为新建线路的车站、车场或综合开发建筑供暖制冷；气源热泵比较适合于我国黄河以南冬季室外气温较高的地区；地源热泵相较于空气源、水源更适合国内大多数地区。三是新增工程建设和运营维保机械（车辆）全面电气化，既有运营线路的运营维保机械（车辆）到更新改造周期后逐步被清洁能源运营维保机械（车辆）替代。目前国内已有不少车辆制造厂商推出了电气化的工程车辆产品，对于新建线路和运维的机械（车辆），应当全面采用电气化产品；对已达到更新改造周期的既有运营线路的机械（车辆），要制定更新改造的计划，逐步采用清洁能源为动力的机械（车辆）代替，另外还可以与制造商共同开展研究，研发定制符合当地实际情况的产品。四是要建成应用新能源城轨交通示范线。氢能是自然界中储存丰富的资源且燃烧无污染，副产物可再利用。因此需要加大氢能源的研究力度，重点研究突破氢动力城轨列车关键技术，解决氢能源储存等难点问题，扩大氢能源应用范围。目前国内已有氢能源有轨电车应用案例，还有氢能源胶轮地面公交投运，下一步重点是要打造氢能源轨道交通示范线，希望很快有城市能够率先突破。五是全产业链逐步替代燃烧化石燃料。除调整城轨运营用能结构外，还要从产业链的上下游着手提高绿色能源占比，规划源头做好绿色能源利用铺垫，建设采用电气化机械，装备制造业增用绿色电力，综合开发用好绿色理念发展绿色建筑，采用直流配电模式等等，有计划地实现全产业链不再燃烧化石燃料。（二）2030 年的目标一是既有具备可开发条件的屋顶和场地的光伏发电覆盖率达到 90%。绿色城轨行动方案提出从 2025 年起对既有的具备条件的屋顶和场地实施光伏发电改造达到 90%的覆盖率，这个体量是巨大的，对于已有的车场停车检修库、地面/高架车站及综合开发建筑采用屋顶固定支架安装方式可较快的实现目标。二是热泵技术适用地区新建车辆基地的地气水源热泵应用率要达到 60%。在十四五已取得的成效基础上，要进一步扩大热泵技术的覆盖率。对于新建车辆基地，从规划上要充分考虑地、气、水源热泵的应用条件，合理选择车辆基地的地理位置，进一步提高利用率。三是建成一批氢能源城轨交通线路。以城轨氢能源示范线为引领推广应用并打造一批氢能源中低运量城轨系统，配套上线一批氢能源维保机械（车辆），进一步降低城轨交通对化石能源的依赖。四是从 2025 年起，纳入碳排放控制的重点企业，外购绿色电力的比重每年增加 5%以上。城轨企业以及上下游产业链相关企业均应主动积极加入绿色交易市场，探索扩大绿电增供源头，配合政府实施绿电改革，提高外购绿色电力的比重并逐年增加 5%以上。22Smart and Green Urban Rail绿智城轨城市轨道交通，2023 年第 1 期这些目标对城市轨道交通前期规划、可研、设计、建设、运维全过程以及创新“产、学、研、用”一体化工作机制提出了更高的要求。按照 2025 年的目标考虑城轨建设周期，对于新建线路需要从现在开始研究实现目标的具体措施；对既有线路如何更新改造要拿出详细计划。三、实施路径（一）发展光伏发电开发太阳能资源1.光伏发电优势太阳能是可再生能源的重要组成部分，探索布置与地区相适应的太阳能光伏发电系统对绿色能源的开发利用具有深远意义。我国太阳能资源相对丰富，城市轨道交通基础设施和沿线空间具有充足的空间资源可用于开发利用。通过加强运用信息化技术手段和科学技术，提升其可靠性和利用效率，实现城市轨道交通与可再生能源的融合发展，促进绿色能源与城市轨道交通系统供需革命势在必行，发展空间巨大。中国年太阳能辐射量见图 1。2.光伏发电应用范围及模式城轨交通光伏发电的应用主要围绕车场、地面及高架车站建筑、综合开发建筑的屋顶、立面。在光照条件好的地区必须充分利用全部可用面积安装太阳能电池板，新建线路可以考虑建筑光伏一体化技术将建筑结构与太阳能电池板融为一体，从而达到可装尽装、可用尽用的目标；对光照条件不太理想的地区，以及既有线路的光伏改造，可以采用屋顶光伏阵列。为提高光伏发电的利用率，还可以考虑旋转式太阳能电子版，通过跟踪太阳直射方向，增加日照时长，同时配备储能装置，提高发电效果。常见的太阳能光伏发电系统有独立运行和并网运行两种方式，城轨交通一般采用 400 伏低压系统并网运行。目前也在创新思路下发展中压并网运行或与牵引供电系统并网运行。在没有特殊要求的区域照明也可采用太阳能路灯，既节省建设投资也便于日常维护。要充分利用轨道交通的地理优势，以建设光-储-直-柔系统为技术路径，进行可再生能源的最大量开发，利用城轨交通自有空间资源实施分布式光伏发电，城轨交通列车、站点负荷又为可再生能源提供就近的消纳空间，结合智慧能源管理系统，形成自发自用的分布式光伏发电、消纳、储能及能源管理新模式。3.国内主要城市应用现状重庆市是率先开展城轨交通太阳能光伏发电试点的城市，在 2006 年建设跨座式单轨 3 号线时就利用金渝、四公里两个高架车站的屋顶，分别设置了一套 50 千瓦太阳能光伏发电 400 伏低压并网输电系统，占地约 340 平方米，通过分析近几年的试点情况，这套系统运行稳定，维护工作量少，一般每平方米屋面可以安装 100 瓦光伏组件。建筑屋顶加装光伏组件以后，还在一定程度上起到隔热作用，降低建筑物的能耗，节能减排效果明显，每年可发 1.4 万度电。但光伏发电受光照小时数影响较大，按照全国太阳能辐射量地区分类，大致分为 5 类地区，重庆是第 5 类地区，属于最差的一类，一般 79 月日照强度较好，11 月至次年 3 月日照强度比较低，因此 3 号线试点应用的这个光伏发电装置利用率全年也是呈现中间高两头低的特点。北京市“十四五”时期能源发展规划 指出，通过实施可再生能源替代行动，到 2025 年，本地可再生能源新增发电装机容量达到 210 万千瓦左图 1 中国年太阳能辐射量23城市轨道交通，2023 年第 1 期Smart and Green Urban Rail绿智城轨右。北京地铁 2015 年在燕房线阎村北车辆段，利用停车列检库的屋顶资源建设光伏项目，采用固定式太阳能电池方阵，总装机容量 660 千瓦，年均发电量约 85 万度。上海市近年来太阳能光伏项目在国家、地方扶持政策下蓬勃发展，鼓励推进太阳能利用，通过多能互补等形式提高能源综合利用水平，十三五期间依托工商业建筑、公共建筑屋顶、产业园区实施分布式光伏发电工程，总装机达到约800 兆瓦。围绕 2030 年前达峰目标实现，十四五期间大力推进光伏大规模开发和高质量发展，坚持集中式与分布式并重，到 2025 年光伏装机容量力争达到 4000 兆瓦，到 2030 年力争达到 7000 兆瓦。目前上海地铁已有川阳河、治北、金桥、龙阳路等 10 个车辆基地，完成了光伏发电系统并网，总装机容量合计约 24 兆瓦，年均发电量约 2300万度，具有代表性的项目龙阳路基地光伏项目，在车库屋顶安装了近 13000 个 280 瓦组件，总面积达到 5 万平方米，总装机容量 3.66 兆瓦，年平均发电量约 340 万千瓦时，所发的光伏电力并网接入基地内的综合变电所供地铁就近使用。4.光伏发电的发展方向及关键核心技术在全国范围内，西北，华北，东北大部分地区太阳能的资源较为丰富，可以全面利用光伏发电，提高绿色能源占比，其他地区则应按照“可装尽装、可用尽用”的原则，在新线建设和旧线改造中充分考虑。为实现这方面目标，协