能源转型背景下石化行业充换电站建设的思考

关 宇 柴思远

〔中国石化北京城区石油分公司 北京 100076〕

“十四五”时期是我国生态文明建设的关键时期,对石化能源的消费总量和强度进行双重控制提出了更高的要求[1]。在此背景下,2022年1-6月,中国新能源汽车销售量达到汽车销售总量的21.6%,已超过《新能源汽车产业发展规划》中提出的“十四五”末发展目标[2],新能源汽车对成品油的替代影响日益凸显。据新能源汽车国家大数据平台的数据显示,2022年新能源汽车累计行驶里程为1 724.8亿km,同比增长70.87%,相当于替代油品消费1 007 万t。预计2025年新能源汽车保有量超过4 000万辆,在汽车保有量中占比达12%,2030年保有量预计达到1.25亿辆,在汽车保有量中占比达到31%。据此推算,2025年和2030年新能源汽车补能替代成品油规模分别在3 000万t和9 000万t左右。因此,合理安排转型升级的节奏,把握业务间的转换进度,加速新能源汽车加能站,尤其是充换电站的规划布局应作为石化企业转型发展重点关注和探讨的课题。

1 充换电站市场预测及情景聚焦

1.1 充换电应用场景及需求分析

从电动汽车充电设施用户使用类别来看,因电动汽车的用途不同,对应的充电桩类别也有较大区别。目前城市中电动汽车按用途可划分为五大类:公交车、出租车、私家车、物流环卫车以及公务车。

1.1.1 公交车

此类电动车型的主要特点是行驶时间、路线较为固定,对每日的电力能耗可进行量化和预期。由于公交车运行的电力需求较高,其充电需求主要集中在日间非运用高峰时段的快速补电及夜间的集中充电,充电功率主要以快充(120 kW及以上)为主,慢充(20 kW及以下)为辅。

1.1.2 出租车

出租车的运营性质决定了该类车型每日的行驶路线、运行区域与充电时间具有较大随机性,且一般由2人交接班保持车辆处于24 h不停运转状态,其充电需求与司机的吃饭、休息时间关系密切,充电功率主要以快充(60 kW及以上)和换电为主,少见慢充。

1.1.3 私家车

相较于出租车而言,私家车的应用场景较为固定,工作日的主要启停地点为居住区和工作所在地,非工作日则主要集中在商超、居住区和公园等公共区域。因其每天的使用时间相对固定,对快充桩的需求相对较低,充电功率主要以慢充为主,应急快充为辅。

1.1.4 物流环卫车

电动物流环卫车与公交车特点相似,工作路线相对固定,时间比较确定而且较长,受影响较小,一般均在白天作业,夜晚休息,主要依靠环卫车停靠点和物流转运点进行充电,对充电功率要求较低。除作业强度较高的作业点外,充电功率主要以慢充为主。

1.1.5 公务车

考虑到当前新能源汽车的发展时间相较于传统燃油车较短,其技术稳定性有待增强,目前以企业名义进行登记的公务用车新能源覆盖率相对较低。通过对现有数据进行分析发现,除个别外出业务较多的企业外,公务用车的使用率普遍偏低,在无公务出行需求时车辆主要停放在单位的停车区域,为电能补给提供了大量的时间,对充电功率要求较低。

1.2 充换电站建设位置分析

由于电力系统和电动汽车的动力结构、补能方式和技术发展与加油站和燃油汽车存在较大差异,充换电站建设位置的规划与加油站点的规划存在显著区别,主要表现在以下几方面:一是由电力自身性质决定的,电力本身具有实时平衡性和不易储存性,电力系统的总发电和总用电在同一时刻必须保持一致,而电动汽车的无序、大功率集中充电(充换电站内)对电网的安全稳定运行和调度平衡提出了新的挑战[3];二是燃油车用户的加油位置比较单一,在通过率较高的加油站用时一般不会超过5 min。而电动汽车的充电位置随机性较强,同时充电方式上可以灵活选择快充、慢充、换电等不同速率的充换电方式;三是充换电站的技术突破较为迅速,电池的容量、安全性等也越来越高,使得未来充换电站的发展方向存在相对不确定性。以上因素决定了电动汽车充换电站的规划需要考虑更多的影响因素。

此外,充电桩建设位置的不同,同样对电动汽车充电设施的利用率有较大影响。根据城市内充电设施利用率数据调研发现,在公园(包括便民绿地等)、综合性商场(商圈)和带充电桩的街道等场所,电动汽车充电设施利用率较高、快充使用时间占比较大;机场和医院等类别利用率较低,快充使用时间占比较小;同时充电站内的充电桩利用率整体也高于零散充电桩利用率。据此,在充电设施选址时,应对周边情况进行充分调研,着重考虑停车便利性、商圈辐射性、人流量等,采用科学的充电需求估计方法,从电动汽车和充电站两方面出发,结合流体动力学交通模型、排队论模型、时间序列分析模型等对充电车辆的到达率、服务率进行评估;在建设上,充换电站应采取多阶段规划的方法,充分利用投资的同时实现对动态充电需求变化的覆盖[4]。

2 充换电网络发展及经营模式

对石化企业而言,充换电站网络发展应当予以高度重视,但当前机动车对传统石化燃料的硬需求仍然存在,如何把握成品油销售和充换电业务间的转换是当前面临的重点和难点。根据石化企业,尤其是油品销售企业的经营现状,对充换电站布局主要可分为三个方面,即在营加油站、关停闲置站库以及社会土地资源。

2.1 在营加油站充电业务发展

随着新能源汽车保有量的不断提升,不可避免地造成加油站原有燃油车用户的流失,部分网点的客流量大不如前,针对有条件的加油站布局快充充电桩可以较好地与加油站原有业务进行配套,吸引顾客回流。企业应充分利用加油站已有营业室等室内资源,在充电基础上配套包括但不限于洗手间、休息室、便利店、汽服维修等综合业态,将加油站升级为多功能、多服务的综合加能站。

2.2 关停闲置库站充换电业务发展

因城市规划、地方建设等问题部分关停、闲置的石油库和加油站拥有较为丰富的土地资源,可在此基础上对原有场地和建筑进行综合改造,联合新能源车企共同开发,打造新能源汽车大型综合服务体。涉及业态包括充换电、新能源汽车销售、餐饮服务、汽车服务、休闲服务、生活服务等。

2.3 利用社会土地资源发展充换电业务

充分利用大型商圈的聚集效应,依托已有停车场进行改造升级。针对公园类、综合性商场和街道等场所的电动汽车充电设施利用率较高、快充使用时间占比较大的特点进行重点布局,深入挖掘潜在商业价值,配套自动售货机、售卖亭等便民设施,打造品牌影响力和认同感,提升企业形象,为未来企业的转型发展打造社会基础。

3 充换电站站点安全管理

安全管理作为石化企业的重中之重,在充换电站建设发展方面具备着先天的意识优势、制度优势和文化优势。从电动汽车的事故报道来看,目前充换电站主要面临的安全风险为电动汽车锂电池的爆燃风险。作为电动汽车唯一的动力来源,锂电池的技术发展尚未完善,在受到温湿度变化、自身设计缺陷或外部撞击等因素的影响下,锂电池由于其自身元素的不稳定性将会出现燃烧、爆炸等情况,进而导致整车起火事故。因此,电动汽车充换电业务的安全风险及其与目前油、气、氢等业务相结合所带来的叠加风险亟需深入研究,为石化企业能源转型发展过程中涉及的安全、环保、消防和应急管理等方面提供新思路。

3.1 面临的主要安全问题

(1)电池本身存在问题。锂电池在使用过程中会因使用时长、使用环境的不同不断发生性能变化,其安全性能(耐热、耐过充性能等)也会随之变化。同时每颗电池因排布位置不同产生性能、性状上的不一致也会随着时间进程不断累积,进而降低整个电池系统的可靠性和安全性。

(2)电池管理系统可能存在问题。除电池本身存在的问题外,电池管理系统同样是引发安全问题的一大因素,涉及到电动汽车厂商的智能系统设计、电池与车辆系统的适配度以及用户在使用电动汽车过程中的人车交互等。因此,更好的电池管理对基于整车的安全管理系统提出了更高的要求。

(3)电池和电池组性能参数检测的有效性和可靠性有限,受到系统中传感器数量和布局的影响。

(4)其他如储能系统缺乏致灾危害评估、电池组管理硬件安全响应的及时性不能保证等,一旦故障发生,管控硬件如何联动,如何配合都会影响充换电站点的安全。

3.2 安全措施及建议

(1)制定专项应急预案。针对电动汽车起火燃爆的特性,结合站点本身的消防要求,制定专项应急响应和预案。

(2)提高夏季防护等级。6～8月是电动车辆起火的高发期,特别是要针对高温地区,结合气象部门高温及火险预警来加强管理。

(3)减少车辆充电后滞留。一些电动车在充电后把车辆继续停留在站内,车辆在快充、超充之后的情况下,电池不稳定性提高,更易发生起火情况,风险较大。

(4)控制服务范围。质量良好的电池和车辆系统能最大限度地减少起火事故发生。充换电站点运营过程中要对高风险车型进行重点监控,如老旧电动车、油改电车、箱式货车、设计缺陷类电车、统计事故多或比例高的车型。

(5)配备防火隔挡器材和专用灭火器。电动汽车锂电池起火初期可使用二氧化碳或干粉灭火器对火势进行控制。当火势较大、起火点难以施救时可通过绝热阻燃材料对事故进行硬隔离,防止引燃其他车辆,造成事态蔓延扩大。

(6)增加热检测或物质检测技术。电池起火早期会产生大量高热气体,可利用热感应或物质检测技术实现实时监测,传感报警。同时充换电站应设置值班点人员应急值守,收到预警信息时应采取合适的措施控制火灾或减少损失,对加油站防火安全和财产安全非常重要。

(7)充电桩选址要求。加油站内设置充电桩时应充分考虑充电需求、车辆通过需求、电力增容可行性以及应急处置便利性。加油站内增加充电桩,要优先选择面积和安全距离较大的站点。

4 结束语

本文从发展背景及规模、充换电市场需求分析、发展经营模式及安全管理方面综合讨论了石化企业对城市内充换电站的布局规划,重点讨论了不同用户群体在不同情境下的充换电站站点选择和经营管理,为加速布局综合加能站点建设和企业转型发展提出了建设性意见。