据储能界了解到，2019年9月，党中央、国务院印发了《交通强国建设纲要》，明确了新时代交通强国建设的总目标和重点任务，并指出:要进一步提高交通领域的高效化、绿色化和智能化，优化交通能源结构，推进新能源、清洁能源应用，促进公路货运节能减排。交通网是潜力巨大的储能池，应充分利用、探索新能源发电、电力系统、储能电站、陆域基础设施、电动车或氢燃料汽车等路域内外的新能源电站、储能与充换电设施协调配合方式与智慧调度运行系统，创建发输储用一体化的新型交通基础设施网络。因此，交能融合无论是对于交通还是能源方面都有正面的作用，具有发展的潜力。
截至目前，我国的交通用能结构中，电力占比仅有5%，清洁用能需求与潜力巨大。其中，公路交通电气化水平较低，碳排放量在我国交通运输总量占比超87%，清洁用能替代转型发展空间巨大。2021年2月，党中央、国务院印发了《国家综合立体交通网规则纲要》，要求交通基础设施绿色化建设比例到2035年达到95%，而数字化率要求达到90%。能源系统和交通系统均朝着高效、智能、绿色的方向发展，二者发展趋势和未来属性的一致性使得交通和能源的融合发展成为了一种必然趋势，构建绿色、高效、智能的交通能源一体化系统已成为践行“双碳”目标和“交通强国”战略、实现经济社会可持续发展的必然选择。公路交通作为最便捷、高效的交通基础设施，且公路运输占全国交通运输排放量的85%以上，然而，对于交能融合尤其是公路交能融合的研究尚处于初期探索阶段，因此，探索公路交通（尤其是高速公路）的交能融合发展道路，对于推动交能融合新能源系统发展具有先导意义和引领作用。
本文分析了高速公路交能融合的方案和应用场景，重点介绍了基于光储充一体化的交能融合技术，并对示范工程进行了评价，从多个角度展示了高速公路交能融合的潜力和路径，为交能融合的技术实现和未来发展提供了参考依据。
高速公路用电负荷分析
高速公路陆运发展现状
截至2022年底，我国高速公路总里程达到17.7万公里左右，居世界第一位。高速公路不仅提高了人员和货物的流动效率和便利性，也促进了区域经济一体化和城乡融合发展。随着我国经济社会恢复性增长和人民生活水平提高，《“十四五”时期全国综合交通运输体系发展规划》提出，到2025年全国公路通车里程预计将达550万公里，其中高速公路总里程预计达到19万公里左右。
2017-2022年全国公路总里程与高速公路总里程对比
交通运输是碳排放的主要来源之一，根据《国务院关于印发“十四五”节能减排综合工作方案的通知》，到2025年，我国交通运输领域单位运输量能耗比2020年下降10%以上，单位运输量碳排放比2020年下降13%以上。为实现这一目标，我国将加快推进交通物流节能减排工程。交通运输的节能减排建设，将推动高速公路陆运交通的低碳发展，增加高速公路服务区清洁能源消费占比，促进高速公路的交能融合转型。从高速公路能源系统规划的角度来看，发展分布式光伏对于高速公路的节能减排可行性较高，已有研究证实了光伏系统能够减轻电网的供电压力，具有显著节能减排效果。
高速公路用电负荷预测趋势预测
根据相关预测，在“十四五”期间，中国交通用能仍将继续增长，高速公路用电负荷主要包括隧道、服务区、收费站等沿线设施的用电需求。近年来，日益增长的新能源汽车市场份额也给电动车充电站等新兴用电负荷带来深刻影响，新能源汽车市场渗透率增加给高速公路服务区充电桩服务提出了更高要求，而构建新型高速公路服务区建设模式、提高服务区充换电服务质量也会反过来推动新能源汽车的发展。
中国是全球最大的汽车生产和消费国，也是全球最大的新能源汽车生产和消费国。根据中国汽车工业协会的数据，2022年中国新能源汽车整体销量为688.7万辆，全球占比35%左右，渗透率达31.33%。同比增长93.4%。其中纯电动汽车销量达到516.9万辆，同比增长97.4%，渗透率达19.8%。
2017-2022年中欧美市场新能源汽车销量图
高速公路总里程数与新能源汽车市场渗透率逐年变化趋势
根据国际能源署（以下简称IEA）发布的《全球电动汽车展望2023》。2023年，全球新能源汽车销量将达到1400万辆，同比增长35%，新能源车渗透率将突破18%，而中国将接近35%，新能源汽车市场增长势头明朗，增长动力强劲。近年来，新能源汽车市场渗透率上涨势头明显，在现有高速公路电气化水平以及基础设施建设水平不变的前提下，新能源汽车渗透率应为高速公路用电负荷最大影响因素。
截至2022年底，全国新能源汽车保有量达到1310万辆，占汽车总量的4.10%。其中，纯电动汽车保有量1045万辆，占新能源汽车总量的79.78%。自2023年2月以来，新能源汽车渗透率一直保持在30%以上，而且在11月份突破了40%，保有量也达到了780万辆以上。到2025年，全国新能源汽车新车保有量将超过2500万辆；到2030年将达到8000万辆。根据统计，新能源车的平均能耗为15千瓦时/100公里，假设平均每辆新能源车每年行驶1万公里，2025年新能源车将达到37.5太瓦时的电能消耗，在2030年将达到120太瓦时，电能需求潜力巨大。
高速公路的全国总里程数增长与新能源汽车渗透率的大幅增加等因素将叠加体现在其用电负荷的增长上，并对高速公路服务区的充换电配置提出更高要求。如能利用其区域性光储资源就地消纳绿电，将大幅推动公路交通节能减排。因此，在交能融合背景下探讨高速公路服务区光储充一体化发展路线对于优化其能源消费结构，探讨新型高速公路服务区建设模式，实现公路绿色低碳发展具有重要意义。
公路交通的光储资源
光资源潜力分析
分布式光伏具有安全可靠、规模大小可调节、方便与建筑物等构造物相结合、可独立安装、施工维护简单、人工成本低等优点。我国太阳能资源丰富，交通基础设施和沿线具有充足的空间资源可用于可再生能源开发利用。在高速公路交通网中，公路占地、路肩、匝道等自有空间、服务区建筑顶棚、桥隧隔离带可为光伏发电的集成提供空间资源，同时桥隧照明通风设施、服务区用电设施也可为光伏发电提供充足的消纳空间，提升光伏发电的消纳水平，中国高速公路蕴含的光伏发电潜力如下表所示。
全国高速公路的光伏资源与负荷
由上表可知，中国高速公路所蕴含的可供开发利用的光伏发电总潜力约为1022.8太瓦。而且，随着光伏技术进步形成转换效率不断提高、应用场景不断扩展，中国的光伏可经济利用资源量正在大幅增加。2030年，预计陆上光伏装机650吉瓦，平均按利用小时1600小时计算，年发电量1040太瓦时，远大于前文中提到的新能源汽车耗电需求。同时，根据相关研究数据，可以得出我国的公路系统基础设施年均总能耗约为25.35太瓦时，根据高速公路占比可测算出其基础设施年均能耗约为17.99太瓦时，通过适当储能，高速公路在理想条件下可通过光伏实现完全的“自发自用，余电上网”。除此之外，参考相关研究可知，火力发电的CO2排放量约为1000克每千瓦时，而光伏发电的CO2排放量约为40克每千瓦时，减排量每度电可达96%，2021年国内各省电网排放因子平均为556.8克每千瓦时，因而基于以上数据，如果能够实现100%光伏渗透，公路基础设施每年CO2排放量可减少10016.83吨，可节约标准煤4017.98吨。
交能融合应用场景对应策略
其中，强电网指当地有成熟的电网系统或能够以较低成本建立电网线路，弱电网指当地没有成熟的电网系统或建立电网线路成本较高。
光伏在公路领域可适应场景描述
上表描述了光伏在公路领域的应用场景并列举了典型的案例，可以看到高速公路3服务区及周边区域的光资源可以通过在服务区、停车场、隧道上部及出入口隔离带还有边坡等区域安装光伏板得到有效的利用。
高速服务区的光储充综合能源利用
适用于交通基础设施的储能技术发展现状
根据预测，我国的装机规模到2060年预计达到9太瓦时左右，如果按照20%配置储能的规模要求，同时考虑到储能容量本身的耗能需求，届时储能容量总需求将达近2太瓦时。同时，对未来的新型电力系统而言，大数据、云平台、5G以上通讯网络、超级计算、智能电网、超大规模储能系统，是实现其“实时平衡、稳定运行”的6大支撑。而其中，储能最具基础性。随着可再生能源的迅速发展，加上新能源汽车等产业的需求响应，电池储能技术得到了广泛发展与应用，投资成本亦显著降低，铅酸电池、锂电池（含磷酸铁锂电池）、液流电池等具有相当的规模化实用价值。而且电池储能电站的运行，相比于其他类型的储能电站，在运行上具有较高的灵活性，适用于具有大量光伏发电的新型电力系统的运行。
几种电化学储能电池参数特性
由上表可见铅酸电池原材料来源丰富、安全可靠、技术成熟、成本低廉，但在环保性、长循环寿命等方面有所欠缺。液流电池非常适合规模化、长时间、长服务寿命储能的应用场景，但系统相对复杂，能量密度低，安装占地大，且目前成本仍处于高位，因此对于该种储能技术的选择应充分考虑储能场景实际的场地面积与使用周期。
综合而言，锂离子电池是目前最适用于光储充一体化的电池技术，其成本较低，但储能配置灵活，适用场景覆盖源网荷侧，极其多元化，能够较好地满足大规模交通基础设施储能技术的需要。
光储充一体化管理与调度运行控制
光储充一体化系统通常是由供配电系统、充电系统、监控系统、光伏系统和储能系统组成的微电网系统。供配电系统主要为一次设备和二次设备提供电源；充电系统主要为电动汽车负荷充电；监控系统可实时监测、读取和备份数据；光伏系统将太阳能转化为电能，供充电站内负荷充电，但是由于光伏发电本身的不确定性和波动性，使得其需要配合储能来平衡其波动性以及夜间或出力不足时的响应；储能系统存储能量，在夜间电价低谷时将低价电能存入储能电池，在白天用电高峰时刻将其送入充电站给电动汽车负荷充电。根据车辆的充电行为和光伏出力，制定日前运行策略。
由于分布式光伏发电与风力发电都具有实时波动性、间歇性，并不能满足稳定的用电需求，因此需要升级现有公路交通能源系统的组织架构和运行方式，加强对本地资源的自我管理，从被动消纳转向主动控制，进行公路交能系统的微电网开发，可以将分布式光伏、用电负荷和储能系统等一次设备及其控制系统有机结合，形成有序的局部供电微网。从而形成一个能够自我控制、保护和管理的自洽系统，基于光伏出力情况，自发自用，余电上网，可以并网和孤岛运行。
公路交能融合分析
公路交能融合的自洽模式
我国道路交通系统自身基础设施资产能源化潜力极其巨大，从而基于交能融合提升交通系统能源自洽率、系统碳减排前景十分广阔。能源自洽率为自洽能源系统出力与系统负荷的比值。自洽能源系统指在规划、建设和运行等过程中，利用风、光等清洁能源对系统中能源的生产、转换、传输、分配、存储与消费等环节进行有机协调的能源产销一体化系统。如何改善我国道路交通系统的用能结构，实现基础设施蕴含的风、光可再生清洁能源的充分利用，为道路交通系统提供清洁、自洽的能源供给，真正实现道路交通系统能源需求的分布式自洽供给，已成为一种保障国家能源安全的战略选择。因此，交通与能源融合的主要路径应从开发基于道路交通自身基础设施的风、光自然资源禀赋，形成自洽供给的交通能源系统入手，从而构建交通系统能源供给分布式、清洁化、可再生、近零排放的系统解决方案。下图描述了交能融合的典型自洽模式。
交能融合的自洽模式
交能融合自洽模式是将多种可再生资源与交通模式的有机整合，因地制宜，根据不同交通模式的特征，在交能融合自洽系统的技术构架的基础上形成合理的交通供电系统。可以看出，交能融合的自洽模式与电力系统微网的自洽模式相似，因而类比于微网，根据不同交通系统的特点与用能模式，可以将交通融合模式分为以风光能源为主体的融合模式和以风光能源为补充的融合模式。在交通基础设施方面可以利用双向公路隧道之间的间隔、公路边坡、匝道等空间资源，在交通服务设施方面可以利用屋顶、停车棚等空间资源，建设分布式光伏发电系统，倡导“自发自用、就近发电、就近并网、就近使用”的原则，通过分布式光伏发电与公路空间资源的结合，实现交通基础设施、服务设施从消费者到生产者的转变。
交能融合自洽模式的融合工程示例
汕昆高速公路揭阳新亨至梅州畲江段及梅汕高速公路梅州程江至畲江段中“纵二线”的组成部分，是广东省首条山岭重丘区高速公路改扩建项目。项目总装机容量为21.39兆瓦，预计年平均上网电量约22.81113吉瓦时，利用小时数为1066.57小时。
梅汕高速公路沿线设施能耗方式
综合考虑技术可行性与经济性、陆域交通设施现状位置及可接入并网点位置等因素，拟依托高速公路所辖服务区、所辖收费站及管理中心、路域未利用地、路域边坡等区域进行光伏开发利用。针对隧道、路域光伏等远用能区域较远处通过交流电缆汇集至箱变，升压（10千伏或35千伏）后通过集电线路接至就近变电站；针对于高速公路所辖服务区、所辖收费站及管理中心等区域等近用能区域，以逆变器输出0.4千伏电压等级就近接入其内部配电网系统（若需升压接入，可考虑升压至10千伏接入配电网络），就地消纳，余电上网。在近用能区内通过建设充（换）电站、智能微网和智慧管控平台，打造源网荷储一体化系统，提供绿色低碳的能源供应，形成绿色能源利用生态体系，从而综合高效地利用现有土地资源，不仅可以提升用户用电可靠性和便利性，还可以降低用户的用能支出。项目建成后，每年可为电网提供清洁电能22.81113吉瓦时。按照火电煤耗每度电耗标准煤326克，投运后每年可节约标准煤约7436.43吨，每年可减少CO2排放量约18020.34吨、SO2排放量约130.94吨、氮氧化物排放量约196.63吨。此外，每年还可减少大量的灰渣及烟尘排放，节约用水，并减少相应的废水排放，节能减排效益显著。
总之，“光伏+储能+充电站”一体化（简称光储充一体化）的交能融合方案是一种适合公路交能融合发展的交能融合模式，同时，光储充一体化站是目前应用最广、技术最成熟的交能融合项目类型之一。高速公路本身具有相对稳定的大量基础设施负荷，还具有丰富的光资源，公路的光储充交能融合模式在电网以及交通系统的减排与清洁化发展上具有巨大潜力。光伏系统可以实现清洁能源的有效利用，储能系统可以存储光伏发电剩余电量，与电网协调配合，缓解电动汽车充电负荷对电网的冲击，充电站作为中间环节，有序控制能量交换，而且相关研究也证实了采用光伏+储能的形式能够有效地提升电网的频率稳定性。该模式能够高效利用到道路交通自身基础设施的风、光自然资源，通过分布式光伏发电与公路空间资源的结合，实现交通基础设施、服务设施从消费者到生产者的转变。
本文针对公路交通系统的交能融合，基于对我国公路的光资源分布、适用于交通基础设施的储能技术、以及公路交能融合自洽模式的分析，提出并阐述了光储充一体化的交能融合方向，同时通过典型案例，展示了光储充一体化交能融合方案的基本系统构建。光储充一体化的交能融合方案是目前应用最广、技术最成熟的交能融合项目类型之一，它能较好地匹配现有的光储充技术，在实现交能融合的同时创造一定的经济价值，也能够良好地利用到公路的光资源，实现绿色、低碳的发展路径。未来除光资源外，应进一步探索其他绿色新能源如风能和地热等的综合交能融合方案，同时针对公路的交能融合，应扩大探索范围，建立以服务区为中心的微网系统，使得资源能够得到更充分的利用，建立智能化、数字化的交能融合方案。
通过互联的形式，或可进一步对周边地区进行辐射扩散，影响对应地区的基础供电，进一步扩大虚拟电厂的建设，开展需求侧响应、孤岛运行方案方面的研究工作。
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