我国陆路交通能源系统发展战略研究.docx

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1、一、前言交通发展先后经历了畜力、煤炭、石油等时代，每次交通方式的升级都离不开能源转型：生物质能源与畜力交通的融合成就了农业文明；蒸汽机与化石能源的融合拉开了工业文明的序幕，形成了第一次工业革命；电动机与电力的融合，推动了第二次工业革命的发展。目前，交通运输消耗石油约占世界石油产量的2/3,相应的碳排放量约占世界总量的1/4,加剧了全球温室效应C随着交通运输规模的不断增长，交通能源系统完成由化石能源向可再生能源的转型并形成零碳系统势在必行。随着我国经济社会发展，陆路交通作为重要的物流运输方式，能源消耗规模持续扩大；在碳达峰、碳中和（“双碳）战略目标提出后，构建以清洁能源为主体的新型陆路交通能源系

2、统显得尤为迫切。梳理国内外交通能源系统发展可以发现，交通系统自身蕴含了充足的自然禀赋，特别是在我国西部陆路交通可及的地区，充分利用这些自然资源禀赋，形成服务于交通运转与运维装备的能源供给体系和方案；在提升交通能源自主保障水平、优化交通能源结构的同时，还可在交通可及、能源不可及的地区形成自主能源供给，保障交通正常运转需求。例如，我国高速公路、高速铁路沿线所蕴含的太阳能自然资源禀赋分别为1.0231012kWh.2.3961011kWh,充分利用这些自然资源禀赋将满足陆路交通能源所需、提升交通能源自洽水平；从电气化铁路能源供给角度提出了新能源接入电气化铁路牵引供电系统的结构与实施方案，配置新能源发

3、电、电化学储能等能源单元后可提升电气化铁路牵引供电的灵活性与可靠性；在公路能源方面，电动化趋势明显，确认了规模化电动汽车参与车-网互动的可行性以及对能源电力系统支撑能力的提升作用。因此，陆路交通系统作为能源消耗大户，继续从自身内部挖掘新的能源供给能力，将是优化交通能源结构，促进绿色低碳、环境友好型交通能源系统的重要方面。在“双碳战略目标下，交通运输行业面临严峻的减排降碳压力。推动我国陆路交通领域碳减排，构建以清洁能源为主、能源高效利用的新型交通能源系统至关重要。针对于此，本文在分析国内外交通能源系统发展态势的基础上，提出陆路交通能源系统框架构建方案；以高速公路、高速铁路为例，开展新型陆路交通能

4、源系统可利用的自然资源禀赋潜力分析评估，确立系统建设的必要前提；论证提出陆路交通能源系统的发展策略及创新方向，以期为新型交通能源系统的理论与应用研究提供基础参考。二、陆路交通能源系统发展态势（一）陆路交通能源系统现状当前，已有较多的新能源与铁路、公路交通结合的案例，展现了能源与交通融合发展的巨大潜力：既可提高交通国土空间资源利用率，也可促进新能源消纳、降低碳排放，实现能源、交通行业的协调发展。在铁路交通方面，德国铁路用电量的10%以上由太阳能、风能、水力等可再生能源供给，正在建立兆瓦级光伏发电系统直接接入16.7Hz交流电气化铁路牵引供电系统的示范工程；预计2050年可实现铁路零碳运行。荷兰鹿

5、特丹中央火车站建成欧洲最大的屋顶光伏项目，年发电量可达3.2x105kWh.东日本铁路公司在日本东京火车站建设了453kWh分布式光伏发电项目，供给轨道交通牵引用电。英国建设的光伏发电系统接入直流牵引供电系统的示范工程，每兆瓦太阳能发电设备每年可减少碳排放量约245t,促进了铁路牵引用能的清洁化与自主化。此外，在轨道车辆方面，氢动力列车发展迅速，如广东省佛山市高明区现代有轨电车示范线率先采用了氢能源有轨电车作为运营车辆；2018年起，德国下萨克森州采用了法国阿尔斯通公司生产的氢动力列车执行区域性客运任务。在公路交通方面，借力新能源汽车的快速发展，光储充一体化充电站得到广泛应用。2015年，美国

6、通过在公路边坡架设太阳能电池板来发电，功率达到99kWo2016年，世界首条光伏公路在法国西北部投入运营，长度约为Ikm。意大利建造了太阳风能桥，在桥面铺设密集的太阳电池板以连续生产电力，在支柱之间安装风力机，从而将通行、景观、绿色能源结合起来，年发电量约为4105kWh02020年，山西省高速公路服务区分布式光伏发电项目投入运营，装机总容量为395kW,年发电量约为6.5lC）5kwh,以“车棚光伏+屋顶光伏+地面光伏模式实现了节能减排的环境收益。（二）陆路交通能源系统展望能源、交通行业快速发展，互联程度不断增强,呈现的趋同化特征日益显现，这为陆路交通能源系统的变革提供了前提条件。现阶段，我

7、国新能源电力得到广泛应用，尤其是风力、光伏发电进展较快。2021年，我国累计风电、光伏发电并网规模分别为3.3x108kW、3.1l8kw；2030年，风、光并网规模预计超过1.2x109kW,为以新能源为主体的新型电力系统建设、经济社会可持续发展提供清洁脱碳的能源保障。与此同时，“安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系建设成为趋势，交通用能清洁化、动力电气化发展特征显著，如2020年我国纯电新能源汽车保有量为4x106辆，电气化铁路营业里程达到1.063x105km。在双碳战略目标下，能源与交通势必出现重大变革，催生新模式、新技术并获得加速应用，以此实现能源清洁化、交通绿色化转型升

8、级与可持续发展；在能源安全、交通强国战略驱动下，推动陆路交通能源系统的转型发展，是交通与能源协同共进的创新实践，也是绿色发展支撑“双碳战略的必然路径。从发展路径角度看，我国面临资源紧缺、气候变化、环境污染带来的严峻挑战，因此粗放式、非协同的增长方式难以为继；面向绿色发展的战略规划和产业转型升级，是应对上述挑战的主要举措和根本途径。应运而生的能源转型与供给侧改革、交通绿色化与智能化发展，亟需协同能源、交通开展统筹规划。在世界倡导节能减排、我国推行高质量发展的背景下，梳理能源交通融合的基础结构，重新审视新发展格局下陆路交通能源系统的结构与形态，在推动能源网络建设、促进交通动力电气化及用能清洁化方面

9、具有积极作用O从经济社会的角度来看，在以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的发展格局下，叠加双碳战略目标，高质量发展已成为新时期经济社会发展的主旋律；能源与交通作为主要的基础保障，直接决定相关发展的模式、形态与质量。因此，陆路交通能源系统的变革将形成新技术、新业态、新产业、新模式,促进产业重构、聚集、引领、带动等作用的发挥。未来，能源、交通将由条块分割、行业隔离式发展转变为相互衔接、集成融合的协同发展模式，以清洁低碳、融合高效的新型综合交通基础设施体系，驱动能量流、交通流的高效协同。陆路交通能源系统的变革，是加速能源革命与交通转型、促进经济社会可持续发展的必然趋势，也将提升能源、交通行业

10、的低碳化发展水平并以更强的脱碳竞争力支撑国家“双碳战略目标的实现。三、陆路交通能源系统框架构建（一）系统架构在“创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念引导下，能源、交通行业的运行水平大幅提升，用能结构更加清洁，趋同化特征显现。能源行业的发展趋势表现在三方面：能源生产清洁化，呈现由高碳向低碳转型趋势；能源消费电气化，电能的终端能源消费占比持续提升；能源配置广域化，新能源开发从大规模并网逐步转向集中式并网与分布式接入并举的模式。交通行业的演变特征表现在三方面：用能清洁化是交通系统可持续发展的关键所在，大规模利用电能、氢能等替代能源，降低交通行业对石油等化石能源的依赖，减少交通系统的碳排放；动力电气

11、化是交通系统提高能源利用效率的必经途径,在清洁化用能格局的推动下，电动机将替代内燃机成为主流动力装备,全面电气化是大势所趋；系统集成化是交通系统实现高效集约运行的重要举措，通过交通通道资源、自然禀赋的统筹协同与有效衔接,提高交通国土空间利用率、降低建设成本、增强交通枢纽功能水平。整体来看，能源、交通行业的清洁化、高效化、集成化发展方向趋同，内生联系加深，在智慧能源、自主交通等领域的融合应用更是率先展开。论证提出了我国陆路交通能源系统架构（见图1）： 动力层是实现能源、交通系统运转的能源系统，驱动能源与交通系统的运行，主要有石油、天然气、电力、氢能等能源形式，为物理层设备和设施的运维提供动力保障

12、; 物理层是能源、交通系统各类设备与终端的集合，作为动力层的物理载体，主要有变电站、客货枢纽、载运工具等，为应用层业务和服务的实施提供运行支持；应用层是能源、交通系统各类业务服务的集合，作为价值创造的平台，主要有规划建设、运转运维、用能充电、动力补给等业务和服务。能源生产清洁化消费电气化配置广域化-交通用能清洁化动力电气化系统集成化SSS融合结构动力层物理层应用层.1能源融合装备融合业务融合融合模式分布式电电源网电能氢能驱动驱动规划建设运维服务4P.融合形态互联电力网+电动化交通1能源交通图1我国陆路交通能源系统架构（二）系统形态1 .互联电力网互联电力网着眼于交通基础设施，重点关注动力层，侧

13、重于交通基础设施自有资源禀赋的开发利用；先期利用新能源发电为交通系统提供清洁能源，后续结合交通载运装备需要，以电解水制氢、合成氨等方式提供载运装备所需燃料。电能作为清洁、高效、便捷的二次能源，将主导陆路交通能源系统的动力层融合发展。在该视角下，交通资产进行能源化开发并与电力技术、信息技术相结合,通过能源融合模式形成能源产销清洁化、高效化、一体化的互联电力网；以智能电网为主体，实现能源、交通动力层的充分融合，为能源、交通系统提供清洁、高效、自主的动力保障。互联电力网这种融合形态的突出特征是以电力为中心，以实现陆路交通能源系统的产用一体化为目标；依托交通基础设施的空间资源，通过交通基础设施资产能源

14、化开发来实现能源生产与利用设施的有效融合；交通基础设施用能负荷同时为可再生能源提供了广阔的消纳空间，避免了弃风、弃光现象。针对此类交通能源融合模式，重点加强电力网络与交通用能系统之间的衔接及融合，加快清洁电力替代进程，提升能源系统效率与清洁化水平。2 .电动化交通电动化交通着眼于交通载运装备，重点关注物理层，侧重于交通载运装备动力系统的类型革新；将原有以石油为主的动力系统升级为以电化学、氢、氨等清洁能源为主的动力系统，降低载运装备的碳排放量。电动化交通以电能替代传统化石能源作为载运装备动力源，是交通节能减排的重要趋势，将引导陆路交通能源系统的物理层融合发展。在该视角下，以交通动力源的电动化转型

15、升级为导向并与现代制造技术、动力电气技术相结合，以载运装备为主体形成高效率、低排放的电动化交通格局。电动化交通也是能源、交通系统融合发展的重要节点：作为用能终端，相应的清洁化、低碳化进程取决于能源系统动力供给品质；作为新型载运工具，直接决定交通载运装备的能源利用效率。电动化交通这种融合形态的突出特征是以电能为动力源，以实现交通载运装备用能的高效化为目标;利用电能替代传统化石能源,实现车载动力的清洁化、高效化转型；随着氢能技术的快速发展，发挥氢的比能优势，氢动力交通作为有效补充，将克服锂电续航里程、补给时间等不足，进一步推动交通系统的深度脱碳。针对此类交通能源融合模式，重点加强电能、氢能与交通载运装备动力的融合，在清洁能源消纳、动力效能提升、碳减排等方面发挥重要作用。3 .能源交通融合网能源交通融合网着眼于交通能源一体化发展，重点关注业务层，侧重于利用交通系统的自然资源禀赋制取零碳交通燃料;在供给交通载运装备所需的同时,形成能源捕获-燃料制取-交通加注一体化的新型交通能源一体化系统。能源交通融合网强调以能源网、交通网并存形式来实现陆路交通能源系统的应用层融合，即各种品类能源和电动化交通并重，无需以单一网络主导融合过程；电、热等各式能源供给可通过相应的转换器实现直连或交互，无需经过以电为中心的转换环节。在该视角下，统筹规划能源、交通系统，以微能网单元建设、交通自主运转为主要特征；