彭 曄

（中國(guó)神華能源股份有限公司，北京 100000）

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)家發(fā)展規(guī)劃，我國(guó)的軌道交通規(guī)模發(fā)展迅速，截至2020 年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到14.63 萬(wàn)km，其中高速鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到3.8 km，復(fù)線率59.5%，電化率72.8%，西部地區(qū)鐵路營(yíng)業(yè)里程5.9 萬(wàn)km，全國(guó)鐵路路網(wǎng)密度152.3 km/萬(wàn)km2；全國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)總長(zhǎng)度達(dá)7 969.7 km，共有45個(gè)城市開通城軌交通，總運(yùn)營(yíng)線路244 條。在能耗方面，受疫情影響，2020 年鐵路客運(yùn)量降低，國(guó)家鐵路能源消耗折算標(biāo)準(zhǔn)煤1 548.83 萬(wàn)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(zhǎng)12.9%，其中，牽引能耗84 億kW·h，增長(zhǎng)6.3%，未來(lái)隨著軌道交通線路的不斷增加，其能耗將不斷增長(zhǎng)[1-2]。

2019 年9 月，中共中央國(guó)務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，要求推進(jìn)交通裝備技術(shù)升級(jí)，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(dòng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求和構(gòu)建人類命運(yùn)共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，習(xí)近平主席宣布了“碳達(dá)峰”和“碳中和”的“雙碳”目標(biāo)愿景。軌道交通作為我國(guó)能源消耗大戶，其實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色運(yùn)營(yíng)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(lái)需要積極將可再生新能源發(fā)電應(yīng)用于軌道交通供能領(lǐng)域。

本文接下來(lái)將分別對(duì)我國(guó)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(yīng)用現(xiàn)狀、新能源應(yīng)用于軌道交通的社會(huì)效益進(jìn)行分析介紹，并對(duì)未來(lái)軌道交通領(lǐng)域的能源供給情況進(jìn)行展望。

1 可利用自然資源的分布和利用潛力

我國(guó)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(guó)鐵路路網(wǎng)縱橫全國(guó)，鐵路沿線具有豐富的風(fēng)、光、地?zé)岬茸匀毁Y源，可建設(shè)大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和地?zé)岚l(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(fù)載、車站和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施用電。我國(guó)的太陽(yáng)能資源豐富，可利用率高，據(jù)2014 年國(guó)家能源局公布數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)太陽(yáng)能資源文獻(xiàn)總體呈“高原大于平原、西部干燥區(qū)大于東部濕潤(rùn)區(qū)”的分布特點(diǎn)。其中，青藏高原最為豐富，年總輻射量超過(guò)1 800 kWh/m2，部分地區(qū)甚至超過(guò)2 000 kWh/m2，其具體分布如表1 所示[4]。此外，賈利民等[5]對(duì)我國(guó)鐵路光伏資源情況進(jìn)行了分析，本文截取其中京滬高鐵部分站點(diǎn)的光伏資源情況進(jìn)行展示，如下頁(yè)表2 所示，可以看出我國(guó)鐵路沿線的可利用太陽(yáng)能資源十分豐富。

表1 全國(guó)太陽(yáng)能輻射總量等級(jí)和區(qū)域分布表

表2 京滬高鐵沿途高鐵站太陽(yáng)能資源信息

除了太陽(yáng)能資源外，我國(guó)的風(fēng)力資源也十分豐富，根據(jù)氣象局《2020 年中國(guó)風(fēng)能太陽(yáng)能資源年景公報(bào)》顯示，我國(guó)風(fēng)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(píng)估顯示，我國(guó)2020 年風(fēng)能資源統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如下：在我國(guó)陸地70 m 高度層平均風(fēng)俗約為5.4 m/s，平均風(fēng)功率為184.5 W/m2，平均風(fēng)功率密度大值區(qū)主要分布在我國(guó)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(fēng)功率一半超過(guò)300 W/m2，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)陸地70 m 高度層的風(fēng)能可開發(fā)量為50 億kW；我國(guó)近海主要海區(qū)70 m 高度層的平均風(fēng)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(fēng)俗超過(guò)8.0 m/s，年平均風(fēng)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(guò)600 W/m2[6]。

2 軌道交通新能源的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外很多國(guó)家都將風(fēng)光等可再生新能源發(fā)電應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，研究人員通過(guò)電力電子變換器將風(fēng)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(duì)列車等負(fù)載進(jìn)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(yáng)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(yáng)能電池發(fā)電提供[7]；中交鐵道設(shè)計(jì)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(wèn)題，提出采用一種離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)供電裝置為鐵路車站負(fù)荷提供電力供應(yīng)的方案[8]；德國(guó)已經(jīng)有將MW 級(jí)光伏發(fā)電接入電氣化鐵路的實(shí)際案例，據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)顯示，德國(guó)鐵路在吸納新能源方面已有規(guī)模應(yīng)用，約10%以上電能來(lái)自新能源，遠(yuǎn)高于全國(guó)6.25%的平均值[9]。

在我國(guó)，新能源也在逐漸應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域。北京交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)世界首套兆瓦級(jí)混合儲(chǔ)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(yàn)成功。該裝置能回收利用列車再生制動(dòng)能量，降低城軌列車能耗10%～15%[10-11]。

在光伏發(fā)電應(yīng)用上，上海虹橋車站太陽(yáng)能電站，裝機(jī)容量6 688 kW，年均發(fā)電可達(dá)630 萬(wàn)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(biāo)煤2 254 t，是世界上最大的“建筑光伏一體化”項(xiàng)目，其經(jīng)濟(jì)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(wàn)m2的光伏板，年均發(fā)電量可達(dá)580 萬(wàn)kW·h。

新能源用于軌道交通的場(chǎng)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(jìn)行供電兩種。這兩種應(yīng)用都是通過(guò)電力電子設(shè)備將電能進(jìn)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?fù)渲饕鐖D1 所示，新能源發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)電力電子裝備可以實(shí)現(xiàn)交直流的變換和能量的雙向流動(dòng)控制，同時(shí)通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入，可以更好的利用新能源，減少棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，并且可以減少新能源發(fā)電波動(dòng)性帶來(lái)的電能質(zhì)量的危害。

3 軌道交通新能源的應(yīng)用效益

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與能源危機(jī)的日趨嚴(yán)重，新能源接入牽引供電系統(tǒng)已成為未來(lái)軌道交通新的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)合理規(guī)劃新能源應(yīng)用與軌道交通能量供給方案，可以帶來(lái)良好的效益。

首先，軌道交通運(yùn)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(yùn)營(yíng)成本。除了風(fēng)光發(fā)電外，還可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)回收利用列車再生自動(dòng)能量，可進(jìn)一步提高能量利用率，提高運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益。如雄安和上海虹橋站的光伏電站，年均發(fā)電達(dá)百萬(wàn)千瓦時(shí)，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

其次，在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用新能源，在環(huán)境保護(hù)和社會(huì)影響上也具有極高的效益。我國(guó)是軌道交通大國(guó)，每年軌道交通運(yùn)營(yíng)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(biāo)做出貢獻(xiàn)。軌道交通是我國(guó)客流運(yùn)送的大動(dòng)脈，是城市間發(fā)展的助燃劑。軌道交通新能源應(yīng)用的建設(shè)，從另一方面也對(duì)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(yīng)用展望

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

相比其他儲(chǔ)能方式，重力儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)是：能量轉(zhuǎn)換效率高，可高達(dá)80%以上；建設(shè)成本低，重力儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能基本屬于出綠色環(huán)保無(wú)污染；最后，由于是純物理轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)的使用壽命很長(zhǎng)，前期投入成本可以穩(wěn)定的回收，社會(huì)效益大[12-14]。2018 年11 月，瑞士的Energy Vault 公司推出了重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，這是儲(chǔ)能市場(chǎng)的最新進(jìn)入者之一，將在2021 年進(jìn)行首次商業(yè)部署。該系統(tǒng)由一臺(tái)安裝在90～140 m 高的格狀鋼塔上的二至六臂起重機(jī)組成。起重機(jī)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(yīng)電力需求的波動(dòng)或電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商需要的其他支持，并能為可再生能源24 h 提供基本負(fù)載[15]。我國(guó)鐵路線路分布廣泛，線路周圍可利用來(lái)進(jìn)行重力儲(chǔ)能建設(shè)的自然資源豐富，非常適合進(jìn)行儲(chǔ)能電站的建設(shè)。鐵路沿線有大量的山區(qū)和無(wú)人區(qū)，具有得天獨(dú)厚的自然地理優(yōu)勢(shì)。目前建設(shè)最簡(jiǎn)單，建設(shè)成本最低的重力儲(chǔ)能系統(tǒng)就是山體儲(chǔ)能（斜體式），并且現(xiàn)今大力推行的風(fēng)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(chǔ)能技術(shù)提供了很好的應(yīng)用場(chǎng)景。

5 結(jié)論

介紹了我國(guó)軌道交通發(fā)展情況，近些年我國(guó)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(shí)軌道交通能耗大的問(wèn)題也逐漸體現(xiàn)。新能源的接入是解決這一問(wèn)題的最佳方案，為充分合理利用新能源，本文分析了我國(guó)能源分布情況和新能源在軌道交通方向的研究應(yīng)用進(jìn)展。最后，本文也對(duì)新能源應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域帶來(lái)的效益進(jìn)行了分析。