轨道交通新能源开发利用潜力研究

彭 晔

（中国神华能源股份有限公司，北京 100000）

引言

随着我国经济的发展和国家发展规划，我国的轨道交通规模发展迅速，截至2020 年底，全国铁路营业里程达到14.63 万km，其中高速铁路营业里程达到3.8 km，复线率59.5%，电化率72.8%，西部地区铁路营业里程5.9 万km，全国铁路路网密度152.3 km/万km2；全国城市轨道交通运营总长度达7 969.7 km，共有45个城市开通城轨交通，总运营线路244 条。在能耗方面，受疫情影响，2020 年铁路客运量降低，国家铁路能源消耗折算标准煤1 548.83 万t，折算成电能消耗，约为464.649 亿kW·h，较2019 年下降5.3%；在城市轨道交通方面，2020 年能耗两172.4 亿kW·h，较2019 年增长12.9%，其中，牵引能耗84 亿kW·h，增长6.3%，未来随着轨道交通线路的不断增加，其能耗将不断增长[1-2]。

2019 年9 月，中共中央国务院印发《交通强国建设纲要》，要求推进交通装备技术升级，推广新能源、清洁能源、智能化、数字化、轻量化、环保型交通装备及成套技术装备[3]。2020 年，基于推动实现可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当，习近平主席宣布了“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标愿景。轨道交通作为我国能源消耗大户，其实现节能减排、绿色运营将能够大量地减少煤炭等不可再生能源的消耗和二氧化碳等温室气体的排放。因此，未来需要积极将可再生新能源发电应用于轨道交通供能领域。

本文接下来将分别对我国轨道交通领域可利用自然资源的分布情况和发掘潜力、新能源在轨道交通领域的应用现状、新能源应用于轨道交通的社会效益进行分析介绍，并对未来轨道交通领域的能源供给情况进行展望。

1 可利用自然资源的分布和利用潜力

我国轨道交通线路规模大，线路周边可利用自然资源丰富。在铁路方面，我国铁路路网纵横全国，铁路沿线具有丰富的风、光、地热等自然资源，可建设大规模的风力发电、光伏发电和地热发电电站，其发出电能可直接接入铁路供电系统，供列车负载、车站和铁路基础设施用电。我国的太阳能资源丰富，可利用率高，据2014 年国家能源局公布数据显示，我国太阳能资源文献总体呈“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”的分布特点。其中，青藏高原最为丰富，年总辐射量超过1 800 kWh/m2，部分地区甚至超过2 000 kWh/m2，其具体分布如表1 所示[4]。此外，贾利民等[5]对我国铁路光伏资源情况进行了分析，本文截取其中京沪高铁部分站点的光伏资源情况进行展示，如下页表2 所示，可以看出我国铁路沿线的可利用太阳能资源十分丰富。

表1 全国太阳能辐射总量等级和区域分布表

表2 京沪高铁沿途高铁站太阳能资源信息

除了太阳能资源外，我国的风力资源也十分丰富，根据气象局《2020 年中国风能太阳能资源年景公报》显示，我国风能最丰富的地区主要分布在“三北”地区，即东北、华北北部和西北地区，其次是沿海地区。根据气象部门的评估显示，我国2020 年风能资源统计分析结果如下：在我国陆地70 m 高度层平均风俗约为5.4 m/s，平均风功率为184.5 W/m2，平均风功率密度大值区主要分布在我国的内蒙古中东部，河北北部，新疆北部和东部，广西以及青藏高原和云贵高原的山脊地区，这些地区的年平均风功率一半超过300 W/m2，经统计，我国陆地70 m 高度层的风能可开发量为50 亿kW；我国近海主要海区70 m 高度层的平均风俗值约为8.1 m/s，黄海南部的东部海域、东海北部及其以南海区的年平均风俗超过8.0 m/s，年平均风功率密度为572.6 W/m2，东海北部及其以南海区年平均功率密度一般超过600 W/m2[6]。

2 轨道交通新能源的应用现状

目前，国内外很多国家都将风光等可再生新能源发电应用于轨道交通领域，研究人员通过电力电子变换器将风光等新能源发电经变换后接入轨道交通供电系统，对列车等负载进行供电。例如，在2012 年，东日本铁路公司在平泉站建设了太阳能发电零排放站，在光照充足的情况下，站内的电力都由太阳能电池发电提供[7]；中交铁道设计研究总院有限公司为解决肯尼亚米轨铁路沿线电力资源匮乏问题，提出采用一种离网型风光互补供电装置为铁路车站负荷提供电力供应的方案[8]；德国已经有将MW 级光伏发电接入电气化铁路的实际案例，据相关部门统计显示，德国铁路在吸纳新能源方面已有规模应用，约10%以上电能来自新能源，远高于全国6.25%的平均值[9]。

在我国，新能源也在逐渐应用于轨道交通领域。北京交通大学团队自主研发世界首套兆瓦级混合储能装置用于收集地铁再生能量，2020 年9 月25 日，在北京地铁八通线梨园站挂网试验成功。该装置能回收利用列车再生制动能量，降低城轨列车能耗10%～15%[10-11]。

在光伏发电应用上，上海虹桥车站太阳能电站，装机容量6 688 kW，年均发电可达630 万kW·h，每年发电可供12 000 户居民使用一年，此电站每年可以减排二氧化碳6 600 多t，节约标煤2 254 t，是世界上最大的“建筑光伏一体化”项目，其经济效益和节能减排作用十分明显。此外，还有先建的雄安车站，安装了4.2 万m2的光伏板，年均发电量可达580 万kW·h。

新能源用于轨道交通的场景主要有：为车站内及沿途基础设备供电和接入牵引供电系统为列车进行供电两种。这两种应用都是通过电力电子设备将电能进行变换后才能够顺利的把新能源接入的，目前研究人员的提出的电路拓扑主要如图1 所示，新能源发电系统通过电力电子装备可以实现交直流的变换和能量的双向流动控制，同时通过储能系统的接入，可以更好的利用新能源，减少弃风弃光现象，并且可以减少新能源发电波动性带来的电能质量的危害。

3 轨道交通新能源的应用效益

随着社会经济的发展与能源危机的日趋严重，新能源接入牵引供电系统已成为未来轨道交通新的发展趋势，通过合理规划新能源应用与轨道交通能量供给方案，可以带来良好的效益。

首先，轨道交通运输电能消耗量十分巨大，将新能源发电接入可以有效减少轨道交通从电网获取的电量，减少用电支出，降低运营成本。除了风光发电外，还可以利用储能系统来回收利用列车再生自动能量，可进一步提高能量利用率，提高运营经济效益。如雄安和上海虹桥站的光伏电站，年均发电达百万千瓦时，能够产生巨大的经济效益。

其次，在轨道交通领域应用新能源，在环境保护和社会影响上也具有极高的效益。我国是轨道交通大国，每年轨道交通运营产生的污染物巨大，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，为绿水青山目标做出贡献。轨道交通是我国客流运送的大动脉，是城市间发展的助燃剂。轨道交通新能源应用的建设，从另一方面也对改善人民的出行条件与生活质量具有重要意义，使用新能源的轨道交通将为城市电网减少极大的压力。

4 轨道交通新能源应用展望

在第2 节中，介绍了风光等新能源应用的情况，在本节，将介绍储能系统外来在铁路牵引供电系统中的应用前景。目前，储能系统的形式有很多，如重力储能、抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导体、超级电容器储能、蓄电池储能等。储能系统能够在电力系统，如电网，风光发电系统发电多余时储存起来，等到需要的时候在释放出来，进行电力调节。本节主要对新型重力储能系统进行介绍，重力储能是一种更加绿色清洁、高效、易维护，同时，建设成本和运行管理费用较低的储能形式，在能源危机日益严峻的今天，正受到越来越多的关注，它亦是解决铁路系统节能减排问题的良选之一。

相比其他储能方式，重力储能优势是：能量转换效率高，可高达80%以上；建设成本低，重力储能装置的单位功率成本约为蓄电池的一半，且维修方便后期成本低；山体储能依山而造，土木工程和轨道铺设技术成熟；在环境影响方面，重力储能基本属于出绿色环保无污染；最后，由于是纯物理转化，系统的使用寿命很长，前期投入成本可以稳定的回收，社会效益大[12-14]。2018 年11 月，瑞士的Energy Vault 公司推出了重力储能系统，这是储能市场的最新进入者之一，将在2021 年进行首次商业部署。该系统由一台安装在90～140 m 高的格状钢塔上的二至六臂起重机组成。起重机的工作原理与抽水蓄能系统相同，它将35公吨的混凝土吊入塔周围的堆垛中，为系统充电。该系统可以在几毫秒内响应电力需求的波动或电网运营商需要的其他支持，并能为可再生能源24 h 提供基本负载[15]。我国铁路线路分布广泛，线路周围可利用来进行重力储能建设的自然资源丰富，非常适合进行储能电站的建设。铁路沿线有大量的山区和无人区，具有得天独厚的自然地理优势。目前建设最简单，建设成本最低的重力储能系统就是山体储能（斜体式），并且现今大力推行的风电和光伏发电一般在山区或者海拔较高的地区，为斜体式山体储能技术提供了很好的应用场景。

5 结论

介绍了我国轨道交通发展情况，近些年我国轨道交通规模逐渐增大，轨道交通已经和人民的生活出行紧密联系在一起，同时轨道交通能耗大的问题也逐渐体现。新能源的接入是解决这一问题的最佳方案，为充分合理利用新能源，本文分析了我国能源分布情况和新能源在轨道交通方向的研究应用进展。最后，本文也对新能源应用于轨道交通领域带来的效益进行了分析。