我國(guó)陸路交通能源系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究

楊勇平，武平，程鵬，師瑞峰，田新首

（華北電力大學(xué)國(guó)家能源交通融合發(fā)展研究院，北京 102206）

一、前言

交通發(fā)展先后經(jīng)歷了畜力、煤炭、石油等時(shí)代，每次交通方式的升級(jí)都離不開(kāi)能源轉(zhuǎn)型：生物質(zhì)能源與畜力交通的融合成就了農(nóng)業(yè)文明；蒸汽機(jī)與化石能源的融合拉開(kāi)了工業(yè)文明的序幕，形成了第一次工業(yè)革命；電動(dòng)機(jī)與電力的融合，推動(dòng)了第二次工業(yè)革命的發(fā)展。目前，交通運(yùn)輸消耗石油約占世界石油產(chǎn)量的2/3，相應(yīng)的碳排放量約占世界總量的1/4，加劇了全球溫室效應(yīng)[1,2]。隨著交通運(yùn)輸規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，交通能源系統(tǒng)完成由化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)型并形成零碳系統(tǒng)勢(shì)在必行[3~5]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，陸路交通作為重要的物流運(yùn)輸方式，能源消耗規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大；在碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）戰(zhàn)略目標(biāo)提出后，構(gòu)建以清潔能源為主體的新型陸路交通能源系統(tǒng)顯得尤為迫切。梳理國(guó)內(nèi)外交通能源系統(tǒng)發(fā)展[6~8]可以發(fā)現(xiàn)，交通系統(tǒng)自身蘊(yùn)含了充足的自然稟賦，特別是在我國(guó)西部陸路交通可及的地區(qū)，充分利用這些自然資源稟賦，形成服務(wù)于交通運(yùn)轉(zhuǎn)與運(yùn)維裝備的能源供給體系和方案；在提升交通能源自主保障水平、優(yōu)化交通能源結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還可在交通可及、能源不可及的地區(qū)形成自主能源供給，保障交通正常運(yùn)轉(zhuǎn)需求。例如，我國(guó)高速公路、高速鐵路沿線所蘊(yùn)含的太陽(yáng)能自然資源稟賦分別為1.023×1012kW·h、2.396×1011kW·h，充分利用這些自然資源稟賦將滿足陸路交通能源所需、提升交通能源自洽水平[8,9]；從電氣化鐵路能源供給角度提出了新能源接入電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實(shí)施方案，配置新能源發(fā)電、電化學(xué)儲(chǔ)能等能源單元后可提升電氣化鐵路牽引供電的靈活性與可靠性[10~12]；在公路能源方面，電動(dòng)化趨勢(shì)明顯，確認(rèn)了規(guī)模化電動(dòng)汽車參與車-網(wǎng)互動(dòng)的可行性以及對(duì)能源電力系統(tǒng)支撐能力的提升作用[13~15]。因此，陸路交通系統(tǒng)作為能源消耗大戶，繼續(xù)從自身內(nèi)部挖掘新的能源供給能力，將是優(yōu)化交通能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)綠色低碳、環(huán)境友好型交通能源系統(tǒng)的重要方面。

在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，交通運(yùn)輸行業(yè)面臨嚴(yán)峻的減排降碳?jí)毫ΑＭ苿?dòng)我國(guó)陸路交通領(lǐng)域碳減排，構(gòu)建以清潔能源為主、能源高效利用的新型交通能源系統(tǒng)至關(guān)重要。針對(duì)于此，本文在分析國(guó)內(nèi)外交通能源系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，提出陸路交通能源系統(tǒng)框架構(gòu)建方案；以高速公路、高速鐵路為例，開(kāi)展新型陸路交通能源系統(tǒng)可利用的自然資源稟賦潛力分析評(píng)估，確立系統(tǒng)建設(shè)的必要前提；論證提出陸路交通能源系統(tǒng)的發(fā)展策略及創(chuàng)新方向，以期為新型交通能源系統(tǒng)的理論與應(yīng)用研究提供基礎(chǔ)參考。

二、陸路交通能源系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢(shì)

（一）陸路交通能源系統(tǒng)現(xiàn)狀

當(dāng)前，已有較多的新能源與鐵路、公路交通結(jié)合的案例，展現(xiàn)了能源與交通融合發(fā)展的巨大潛力：既可提高交通國(guó)土空間資源利用率，也可促進(jìn)新能源消納、降低碳排放，實(shí)現(xiàn)能源、交通行業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

在鐵路交通方面，德國(guó)鐵路用電量的10%以上由太陽(yáng)能、風(fēng)能、水力等可再生能源供給，正在建立兆瓦級(jí)光伏發(fā)電系統(tǒng)直接接入16.7 Hz 交流電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的示范工程；預(yù)計(jì)2050 年可實(shí)現(xiàn)鐵路零碳運(yùn)行[16,17]。荷蘭鹿特丹中央火車站建成歐洲最大的屋頂光伏項(xiàng)目，年發(fā)電量可達(dá)3.2×105kW·h [18]。東日本鐵路公司在日本東京火車站建設(shè)了453 kW·h 分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，供給軌道交通牽引用電[19]。英國(guó)建設(shè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)接入直流牽引供電系統(tǒng)的示范工程，每兆瓦太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備每年可減少碳排放量約245 t，促進(jìn)了鐵路牽引用能的清潔化與自主化[20]。此外，在軌道車輛方面，氫動(dòng)力列車發(fā)展迅速[21]，如廣東省佛山市高明區(qū)現(xiàn)代有軌電車示范線率先采用了氫能源有軌電車作為運(yùn)營(yíng)車輛；2018年起，德國(guó)下薩克森州采用了法國(guó)阿爾斯通公司生產(chǎn)的氫動(dòng)力列車執(zhí)行區(qū)域性客運(yùn)任務(wù)。

在公路交通方面，借力新能源汽車的快速發(fā)展，“光儲(chǔ)充”一體化充電站得到廣泛應(yīng)用[22~24]。2015年，美國(guó)通過(guò)在公路邊坡架設(shè)太陽(yáng)能電池板來(lái)發(fā)電，功率達(dá)到99 kW[25]。2016年，世界首條光伏公路在法國(guó)西北部投入運(yùn)營(yíng)，長(zhǎng)度約為1 km。意大利建造了太陽(yáng)風(fēng)能橋，在橋面鋪設(shè)密集的太陽(yáng)電池板以連續(xù)生產(chǎn)電力，在支柱之間安裝風(fēng)力機(jī)，從而將通行、景觀、綠色能源結(jié)合起來(lái)，年發(fā)電量約為4×105kW·h[26]。2020年，山西省高速公路服務(wù)區(qū)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)，裝機(jī)總?cè)萘繛?95 kW，年發(fā)電量約為6.5×105kW·h，以“車棚光伏＋屋頂光伏＋地面光伏”模式實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的環(huán)境收益[27]。

（二）陸路交通能源系統(tǒng)展望

能源、交通行業(yè)快速發(fā)展，互聯(lián)程度不斷增強(qiáng)，呈現(xiàn)的趨同化特征日益顯現(xiàn)，這為陸路交通能源系統(tǒng)的變革提供了前提條件。

現(xiàn)階段，我國(guó)新能源電力得到廣泛應(yīng)用，尤其是風(fēng)力、光伏發(fā)電進(jìn)展較快。2021年，我國(guó)累計(jì)風(fēng)電、光伏發(fā)電并網(wǎng)規(guī)模分別為3.3×108kW、3.1×108kW；2030年，風(fēng)、光并網(wǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)超過(guò)1.2×109kW，為以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供清潔脫碳的能源保障[28]。與此同時(shí)，“安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)”的現(xiàn)代化綜合交通體系建設(shè)成為趨勢(shì)，交通用能清潔化、動(dòng)力電氣化發(fā)展特征顯著，如2020年我國(guó)純電新能源汽車保有量為4×106輛[29]，電氣化鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到1.063×105km [30]。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，能源與交通勢(shì)必出現(xiàn)重大變革，催生新模式、新技術(shù)并獲得加速應(yīng)用，以此實(shí)現(xiàn)能源清潔化、交通綠色化轉(zhuǎn)型升級(jí)與可持續(xù)發(fā)展；在能源安全、交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)下，推動(dòng)陸路交通能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，是交通與能源協(xié)同共進(jìn)的創(chuàng)新實(shí)踐，也是綠色發(fā)展支撐“雙碳”戰(zhàn)略的必然路徑。

從發(fā)展路徑角度看，我國(guó)面臨資源緊缺、氣候變化、環(huán)境污染帶來(lái)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此粗放式、非協(xié)同的增長(zhǎng)方式難以為繼；面向綠色發(fā)展的戰(zhàn)略規(guī)劃和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，是應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)的主要舉措和根本途徑。應(yīng)運(yùn)而生的能源轉(zhuǎn)型與供給側(cè)改革、交通綠色化與智能化發(fā)展，亟需協(xié)同能源、交通開(kāi)展統(tǒng)籌規(guī)劃[31~33]。在世界倡導(dǎo)節(jié)能減排、我國(guó)推行高質(zhì)量發(fā)展的背景下，梳理能源交通融合的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，重新審視新發(fā)展格局下陸路交通能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與形態(tài)，在推動(dòng)能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、促進(jìn)交通動(dòng)力電氣化及用能清潔化方面具有積極作用。

從經(jīng)濟(jì)社會(huì)的角度來(lái)看，在以國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體、國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的發(fā)展格局下，疊加“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，高質(zhì)量發(fā)展已成為新時(shí)期經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主旋律；能源與交通作為主要的基礎(chǔ)保障，直接決定相關(guān)發(fā)展的模式、形態(tài)與質(zhì)量[34,35]。因此，陸路交通能源系統(tǒng)的變革將形成新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)重構(gòu)、聚集、引領(lǐng)、帶動(dòng)等作用的發(fā)揮。

未來(lái)，能源、交通將由條塊分割、行業(yè)隔離式發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗷ャ暯印⒓扇诤系膮f(xié)同發(fā)展模式，以清潔低碳、融合高效的新型綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施體系，驅(qū)動(dòng)能量流、交通流的高效協(xié)同。陸路交通能源系統(tǒng)的變革，是加速能源革命與交通轉(zhuǎn)型、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也將提升能源、交通行業(yè)的低碳化發(fā)展水平并以更強(qiáng)的脫碳競(jìng)爭(zhēng)力支撐國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

三、陸路交通能源系統(tǒng)框架構(gòu)建

（一）系統(tǒng)架構(gòu)

在“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享”的發(fā)展理念引導(dǎo)下，能源、交通行業(yè)的運(yùn)行水平大幅提升，用能結(jié)構(gòu)更加清潔，趨同化特征顯現(xiàn)。①能源行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)表現(xiàn)在三方面：能源生產(chǎn)清潔化，呈現(xiàn)由高碳向低碳轉(zhuǎn)型趨勢(shì)；能源消費(fèi)電氣化，電能的終端能源消費(fèi)占比持續(xù)提升；能源配置廣域化，新能源開(kāi)發(fā)從大規(guī)模并網(wǎng)逐步轉(zhuǎn)向集中式并網(wǎng)與分布式接入并舉的模式。②交通行業(yè)的演變特征表現(xiàn)在三方面：用能清潔化是交通系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在，大規(guī)模利用電能、氫能等替代能源，降低交通行業(yè)對(duì)石油等化石能源的依賴，減少交通系統(tǒng)的碳排放；動(dòng)力電氣化是交通系統(tǒng)提高能源利用效率的必經(jīng)途徑，在清潔化用能格局的推動(dòng)下，電動(dòng)機(jī)將替代內(nèi)燃機(jī)成為主流動(dòng)力裝備，全面電氣化是大勢(shì)所趨；系統(tǒng)集成化是交通系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效集約運(yùn)行的重要舉措，通過(guò)交通通道資源、自然稟賦的統(tǒng)籌協(xié)同與有效銜接，提高交通國(guó)土空間利用率、降低建設(shè)成本、增強(qiáng)交通樞紐功能水平。

整體來(lái)看，能源、交通行業(yè)的清潔化、高效化、集成化發(fā)展方向趨同，內(nèi)生聯(lián)系加深，在智慧能源、自主交通等領(lǐng)域的融合應(yīng)用更是率先展開(kāi)。論證提出了我國(guó)陸路交通能源系統(tǒng)架構(gòu)（見(jiàn)圖1）：①動(dòng)力層是實(shí)現(xiàn)能源、交通系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的能源系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)能源與交通系統(tǒng)的運(yùn)行，主要有石油、天然氣、電力、氫能等能源形式，為物理層設(shè)備和設(shè)施的運(yùn)維提供動(dòng)力保障；②物理層是能源、交通系統(tǒng)各類設(shè)備與終端的集合，作為動(dòng)力層的物理載體，主要有變電站、客貨樞紐、載運(yùn)工具等，為應(yīng)用層業(yè)務(wù)和服務(wù)的實(shí)施提供運(yùn)行支持；③應(yīng)用層是能源、交通系統(tǒng)各類業(yè)務(wù)服務(wù)的集合，作為價(jià)值創(chuàng)造的平臺(tái)，主要有規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)維、用能充電、動(dòng)力補(bǔ)給等業(yè)務(wù)和服務(wù)。

（二）系統(tǒng)形態(tài)

1.互聯(lián)電力網(wǎng)

互聯(lián)電力網(wǎng)著眼于交通基礎(chǔ)設(shè)施，重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)力層，側(cè)重于交通基礎(chǔ)設(shè)施自有資源稟賦的開(kāi)發(fā)利用；先期利用新能源發(fā)電為交通系統(tǒng)提供清潔能源，后續(xù)結(jié)合交通載運(yùn)裝備需要，以電解水制氫、合成氨等方式提供載運(yùn)裝備所需燃料。電能作為清潔、高效、便捷的二次能源，將主導(dǎo)陸路交通能源系統(tǒng)的動(dòng)力層融合發(fā)展。在該視角下，交通資產(chǎn)進(jìn)行能源化開(kāi)發(fā)并與電力技術(shù)、信息技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)能源融合模式形成能源產(chǎn)銷清潔化、高效化、一體化的互聯(lián)電力網(wǎng)；以智能電網(wǎng)為主體，實(shí)現(xiàn)能源、交通動(dòng)力層的充分融合，為能源、交通系統(tǒng)提供清潔、高效、自主的動(dòng)力保障。

圖1 我國(guó)陸路交通能源系統(tǒng)架構(gòu)

互聯(lián)電力網(wǎng)這種融合形態(tài)的突出特征是以電力為中心，以實(shí)現(xiàn)陸路交通能源系統(tǒng)的產(chǎn)用一體化為目標(biāo)；依托交通基礎(chǔ)設(shè)施的空間資源，通過(guò)交通基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)能源化開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)與利用設(shè)施的有效融合；交通基礎(chǔ)設(shè)施用能負(fù)荷同時(shí)為可再生能源提供了廣闊的消納空間，避免了棄風(fēng)、棄光現(xiàn)象。針對(duì)此類交通能源融合模式，重點(diǎn)加強(qiáng)電力網(wǎng)絡(luò)與交通用能系統(tǒng)之間的銜接及融合，加快清潔電力替代進(jìn)程，提升能源系統(tǒng)效率與清潔化水平。

2.電動(dòng)化交通

電動(dòng)化交通著眼于交通載運(yùn)裝備，重點(diǎn)關(guān)注物理層，側(cè)重于交通載運(yùn)裝備動(dòng)力系統(tǒng)的類型革新；將原有以石油為主的動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)為以電化學(xué)、氫、氨等清潔能源為主的動(dòng)力系統(tǒng)，降低載運(yùn)裝備的碳排放量。電動(dòng)化交通以電能替代傳統(tǒng)化石能源作為載運(yùn)裝備動(dòng)力源，是交通節(jié)能減排的重要趨勢(shì)，將引導(dǎo)陸路交通能源系統(tǒng)的物理層融合發(fā)展。在該視角下，以交通動(dòng)力源的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)為導(dǎo)向并與現(xiàn)代制造技術(shù)、動(dòng)力電氣技術(shù)相結(jié)合，以載運(yùn)裝備為主體形成高效率、低排放的電動(dòng)化交通格局。電動(dòng)化交通也是能源、交通系統(tǒng)融合發(fā)展的重要節(jié)點(diǎn)：作為用能終端，相應(yīng)的清潔化、低碳化進(jìn)程取決于能源系統(tǒng)動(dòng)力供給品質(zhì)；作為新型載運(yùn)工具，直接決定交通載運(yùn)裝備的能源利用效率。

電動(dòng)化交通這種融合形態(tài)的突出特征是以電能為動(dòng)力源，以實(shí)現(xiàn)交通載運(yùn)裝備用能的高效化為目標(biāo)；利用電能替代傳統(tǒng)化石能源，實(shí)現(xiàn)車載動(dòng)力的清潔化、高效化轉(zhuǎn)型；隨著氫能技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)揮氫的比能優(yōu)勢(shì)，氫動(dòng)力交通作為有效補(bǔ)充，將克服鋰電續(xù)航里程、補(bǔ)給時(shí)間等不足，進(jìn)一步推動(dòng)交通系統(tǒng)的深度脫碳。針對(duì)此類交通能源融合模式，重點(diǎn)加強(qiáng)電能、氫能與交通載運(yùn)裝備動(dòng)力的融合，在清潔能源消納、動(dòng)力效能提升、碳減排等方面發(fā)揮重要作用。

3.能源交通融合網(wǎng)

能源交通融合網(wǎng)著眼于交通能源一體化發(fā)展，重點(diǎn)關(guān)注業(yè)務(wù)層，側(cè)重于利用交通系統(tǒng)的自然資源稟賦制取零碳交通燃料；在供給交通載運(yùn)裝備所需的同時(shí)，形成能源捕獲-燃料制取-交通加注一體化的新型交通能源一體化系統(tǒng)。能源交通融合網(wǎng)強(qiáng)調(diào)以能源網(wǎng)、交通網(wǎng)并存形式來(lái)實(shí)現(xiàn)陸路交通能源系統(tǒng)的應(yīng)用層融合，即各種品類能源和電動(dòng)化交通并重，無(wú)需以單一網(wǎng)絡(luò)主導(dǎo)融合過(guò)程；電、熱等各式能源供給可通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)直連或交互，無(wú)需經(jīng)過(guò)以電為中心的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。在該視角下，統(tǒng)籌規(guī)劃能源、交通系統(tǒng)，以微能網(wǎng)單元建設(shè)、交通自主運(yùn)轉(zhuǎn)為主要特征；根據(jù)各式能源的生產(chǎn)和利用需求，構(gòu)建電、氫、冷、熱等多能耦合的交通自洽能源系統(tǒng)，促進(jìn)能源產(chǎn)用、交通出行等應(yīng)用的整合與銜接。

能源交通融合網(wǎng)這種融合形態(tài)的突出特征是能源電力網(wǎng)、電動(dòng)化交通網(wǎng)對(duì)等共存，以實(shí)現(xiàn)多能綜合供配、交通能源自洽為目標(biāo)；打破能源、交通系統(tǒng)的行業(yè)壁壘，推動(dòng)通道共用、樞紐共建、終端集成，實(shí)現(xiàn)各自業(yè)務(wù)的深度融合。作為新型網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)設(shè)施，能源交通融合網(wǎng)兼具能源網(wǎng)、交通網(wǎng)屬性，是資源配置、自主保障能力更強(qiáng)的陸路交通能源系統(tǒng)形態(tài)，成為提高能源利用與交通運(yùn)轉(zhuǎn)效率的重要途徑。

四、陸路交通能源系統(tǒng)潛力評(píng)估——以光伏資產(chǎn)化潛力為例

光伏發(fā)電具有組件靈活、安裝便捷的特點(diǎn)，因而十分適合與陸路交通基礎(chǔ)設(shè)施相結(jié)合，形成清潔高效的交通自洽能源系統(tǒng)。本文針對(duì)高速公路、高速鐵路等陸路交通線路上自有的國(guó)土空間資源，分別提出利用交通資產(chǎn)能源化開(kāi)展光伏發(fā)電的融合策略；以京滬高速公路、京哈高速公路、京滬高速鐵路、京哈高速鐵路等典型交通線路為例，具體開(kāi)展?jié)摿υu(píng)估。

（一）交通基礎(chǔ)設(shè)施能源化潛力評(píng)估模型

在高速公路方面，光伏可利用的國(guó)土空間主要分為道路沿線空間、服務(wù)區(qū)空間：前者包括路側(cè)邊坡、邊溝，道路上方專屬空間；后者包括建筑屋頂、停車場(chǎng)、出入匝道等。為客觀評(píng)估高速公路光伏資產(chǎn)化潛力，文中以上述可用空間的70%作為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)算。在高速鐵路方面，光伏可利用國(guó)土空間主要分為鐵路沿線空間、車站空間：前者包括沿線兩側(cè)邊坡、軌道專屬空間；后者包括車站屋頂、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、雨棚等區(qū)域。為客觀評(píng)估高速鐵路光伏資產(chǎn)化潛力，文中以沿線兩側(cè)10 m 空間資源、火車站屋頂、廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、雨棚總面積的70%為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)算。光伏可開(kāi)發(fā)潛力評(píng)估模型如圖2所示。

（二）交通基礎(chǔ)設(shè)施用能自洽率評(píng)估

為了評(píng)估交通基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)能源化后的供能自洽率，文中引入總自洽率、經(jīng)時(shí)自洽率、電能時(shí)移率3 個(gè)指標(biāo)（見(jiàn)圖3）[8]，針對(duì)典型場(chǎng)景交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)能源化潛力、基礎(chǔ)設(shè)施用電負(fù)荷開(kāi)展案例分析：以華北—華東地區(qū)的京滬高速公路、東北地區(qū)的京哈高速公路為例，展示高速公路能源化的發(fā)展?jié)摿Γ灰匀A北—華東地區(qū)的京滬高速鐵路、東北地區(qū)的京哈高速鐵路為例，評(píng)估高速鐵路能源化發(fā)展?jié)摿Γㄒ?jiàn)表1）。

圖2 我國(guó)陸路交通基礎(chǔ)設(shè)施光伏資產(chǎn)化潛力評(píng)估模型

圖3 交通系統(tǒng)能源化潛力與用電需求量關(guān)系示意圖（發(fā)電—消耗疊加曲線）

表1 典型陸路交通線路基礎(chǔ)設(shè)施可發(fā)電潛力測(cè)算

合理簡(jiǎn)化交通線路的空間分布差異性，分別選用42.5°N、35.0°N緯度的輻照數(shù)據(jù)進(jìn)行京滬高速公路/ 鐵路、京哈高速公路/ 鐵路的裝機(jī)容量測(cè)算。結(jié)果表明，高速公路、高速鐵路系統(tǒng)通過(guò)交通基礎(chǔ)設(shè)施光伏能源化利用的總自洽率均遠(yuǎn)高于100%，即交通系統(tǒng)完全可以通過(guò)自身資產(chǎn)能源化潛力開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的自洽供能；經(jīng)時(shí)自洽率介于41%~59%，即交通系統(tǒng)通過(guò)資產(chǎn)能源化所開(kāi)發(fā)的電能需要采用儲(chǔ)能系統(tǒng)或者與外部電網(wǎng)互濟(jì)，才可滿足自身的全部用能需求。

五、我國(guó)陸路交通能源系統(tǒng)發(fā)展策略

（一）總體策略

本文立足國(guó)情實(shí)際、參照國(guó)際趨勢(shì)，論證提出了我國(guó)陸路交通能源系統(tǒng)發(fā)展策略（見(jiàn)圖4），以期協(xié)同建設(shè)低碳化、集約化的新型基礎(chǔ)設(shè)施體系，促進(jìn)能源和交通行業(yè)的高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展。整體來(lái)看，我國(guó)陸路交通能源系統(tǒng)可分為3個(gè)層級(jí)：①動(dòng)力層，保障基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)的能量供給，通過(guò)動(dòng)力層的能源融合來(lái)推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提升交通行業(yè)的脫碳競(jìng)爭(zhēng)力；②物理層，作為能源與交通裝備設(shè)施的集合、能源利用效率提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)物理層的裝備融合來(lái)推動(dòng)交通能源動(dòng)力系統(tǒng)清潔化、低碳化、高效化；③應(yīng)用層，承載數(shù)據(jù)信息和服務(wù)功能，通過(guò)管廊共用、樞紐共建、功能集成等方式來(lái)推動(dòng)能源與交通社會(huì)功能的有效銜接。

我國(guó)陸路交通能源系統(tǒng)存在3種形態(tài)：①互聯(lián)電力網(wǎng)，以能源行業(yè)為主，以智能電網(wǎng)為載體，為交通系統(tǒng)提供清潔能源保障，驅(qū)動(dòng)陸路交通能源系統(tǒng)動(dòng)力層的充分融合；②電動(dòng)化交通，以交通行業(yè)為主，以交通載運(yùn)工具為對(duì)象，通過(guò)交通動(dòng)力源的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)，引領(lǐng)陸路交通能源系統(tǒng)物理層裝備的有效融合；③能源交通融合網(wǎng)，強(qiáng)調(diào)能源網(wǎng)、交通網(wǎng)并重，通過(guò)陸路交通能源系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)同運(yùn)維，提高陸路交通能源系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)“兩網(wǎng)”應(yīng)用的深度融合。

圖4 陸路交通能源系統(tǒng)發(fā)展策略

我國(guó)陸路交通能源系統(tǒng)受到3 種驅(qū)動(dòng)力的作用：變革驅(qū)動(dòng)、效率驅(qū)動(dòng)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。交通基礎(chǔ)設(shè)施能源供給將由“遠(yuǎn)方來(lái)”轉(zhuǎn)為“遠(yuǎn)方來(lái)”“周邊取”共存，以電能代替石油的交通動(dòng)力系統(tǒng)再電氣化持續(xù)發(fā)展，這些主動(dòng)變革將會(huì)帶來(lái)陸路交通能源系統(tǒng)整體效率的顯著提升，也將催生陸路交通能源系統(tǒng)的新技術(shù)、新模式。加快交通能源系統(tǒng)的清潔化、低碳化，推動(dòng)鐵路電氣化進(jìn)程，推廣新能源動(dòng)力的公路運(yùn)載裝備，共同促進(jìn)交通能源系統(tǒng)與交通動(dòng)力系統(tǒng)的減碳降耗、提質(zhì)增效發(fā)展。

（二）軌道交通能源方面

通過(guò)軌道交通供用能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，分別構(gòu)建面向電氣化鐵路的新型牽引供電系統(tǒng)、面向非電氣化鐵路的新型動(dòng)力系統(tǒng)，共同實(shí)現(xiàn)軌道交通能源系統(tǒng)清潔化、再電氣化的發(fā)展目標(biāo)。

在清潔化發(fā)展方面，充分利用軌道交通空間資源，將分布式發(fā)電設(shè)施接入電氣化軌道交通系統(tǒng)，推動(dòng)非電氣化軌道交通區(qū)域內(nèi)的自然資源稟賦開(kāi)發(fā)與利用；將能源電力生產(chǎn)設(shè)備納入軌道交通交通系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，形成兼具能源、交通屬性的新型基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通交通系統(tǒng)的能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、補(bǔ)給功能一體化（可視為互聯(lián)電力網(wǎng)的具體形式）。

在再電氣化方面，非電氣化軌道交通牽引動(dòng)力由化石燃料驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向清潔電力驅(qū)動(dòng)，促進(jìn)非電氣化軌道交通交通系統(tǒng)載運(yùn)用能實(shí)現(xiàn)再電氣化，分為以電能作為動(dòng)力源、以氫能作為機(jī)車動(dòng)力源再由燃料電池轉(zhuǎn)化為電能兩種方式；完成軌道交通載運(yùn)裝備的電能替代，以電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)獲得優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)交通載運(yùn)裝備的節(jié)能與增效（可視為電動(dòng)化交通的直接表現(xiàn)）。

在此基礎(chǔ)上，促成以能源生產(chǎn)為主的互聯(lián)電力網(wǎng)、以能源消費(fèi)為主的電動(dòng)化相結(jié)合，充分利用軌道交通沿線自然稟賦資源，以新能源發(fā)電為軌道交通提供清潔電力，形成電力“遠(yuǎn)方來(lái)”“周邊取”共存的能源電力供給新模式；基于清潔電力制備交通零碳燃料，加速清潔原料燃料替代交通終端化石能源的進(jìn)程，形成清潔能源發(fā)電-零碳原料燃料-電動(dòng)化驅(qū)動(dòng)的新型交通能源系統(tǒng)（可視為能源交通融合的關(guān)鍵所在）。

（三）公路交通能源方面

通過(guò)公路交通資產(chǎn)能源化潛力開(kāi)發(fā)，分別構(gòu)建面向公路交通基礎(chǔ)設(shè)施自洽能源系統(tǒng)與載運(yùn)裝備電動(dòng)化、氫能化的新型動(dòng)力系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)公路交通能源系統(tǒng)綠色化、智能化的發(fā)展目標(biāo)。

在基礎(chǔ)設(shè)施自洽能源系統(tǒng)構(gòu)建方面，根據(jù)我國(guó)氣象、經(jīng)濟(jì)、人口特征，地勢(shì)三大階梯特征以及地理空間骨干電網(wǎng)分布、交通負(fù)荷需求分布等，劃分能源交通融合場(chǎng)景；在綜合考慮道路交通風(fēng)光可再生能源自洽率、滲透率、經(jīng)濟(jì)性、碳減排等綜合因素的前提下，優(yōu)先開(kāi)發(fā)自然稟賦好、負(fù)荷小的區(qū)域，隨后開(kāi)發(fā)其他區(qū)域；實(shí)現(xiàn)交通基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)能源化潛力的梯次開(kāi)發(fā)利用，最終形成我國(guó)公路交通系統(tǒng)的自洽清潔能源系統(tǒng)。

在載運(yùn)裝備電動(dòng)化、氫能化轉(zhuǎn)型方面，逐步構(gòu)建分布式的“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-充”道路交通自洽供電系統(tǒng)；發(fā)展小型化的綠氫制備設(shè)備，完善氫氣“制-儲(chǔ)-運(yùn)”一體化的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)；開(kāi)展氫、氨聯(lián)合儲(chǔ)運(yùn)，研發(fā)公路交通載運(yùn)裝備氫能化、氨能化并存的新型動(dòng)力系統(tǒng)，率先實(shí)現(xiàn)載重汽車動(dòng)力的清潔化。通過(guò)新型動(dòng)力裝備的研制，充電、加氫服務(wù)設(shè)施的規(guī)模化及網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，最終實(shí)現(xiàn)交通載運(yùn)裝備的綠色化、智能化。

六、陸路交通能源系統(tǒng)的創(chuàng)新方向

（一）成套核心裝備研制

高可靠、高適應(yīng)性的能源捕獲與變換成套核心裝備，是陸路交通與能源融合的關(guān)鍵。陸路基礎(chǔ)設(shè)施能源捕獲/存儲(chǔ)與變換的運(yùn)行場(chǎng)景變化多樣，面臨高寒、沙漠高風(fēng)沙、高海拔空氣稀薄、高鹽霧腐蝕等惡劣運(yùn)行環(huán)境。因此，集成交通基礎(chǔ)設(shè)施、能源捕獲/存儲(chǔ)系統(tǒng)面臨著復(fù)雜苛刻的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)裝備性能的穩(wěn)定可靠提出挑戰(zhàn)。

能源側(cè)的光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、變流器、儲(chǔ)能等可再生能源發(fā)電裝備，其運(yùn)行特性、壽命周期等可能因運(yùn)行環(huán)境不同而出現(xiàn)明顯變化；對(duì)材料、生產(chǎn)工藝、運(yùn)行特性、主動(dòng)支撐控制功能提出了新增的適應(yīng)性要求，因而能源捕獲與變換成套核心裝備均需進(jìn)行適配性設(shè)計(jì)與調(diào)整。

交通側(cè)推廣應(yīng)用新能源，清潔能源，智能化、數(shù)字化、輕量化、環(huán)保型交通成套技術(shù)裝備，積極運(yùn)用智能高速鐵路、智能道路、智能航運(yùn)、自動(dòng)化碼頭、數(shù)字管網(wǎng)、智能倉(cāng)儲(chǔ)與分揀系統(tǒng)等新型裝備設(shè)施，交通裝備相關(guān)的智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)和運(yùn)維技術(shù)。

（二）融合系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)維

場(chǎng)景適配是陸路交通能源融合系統(tǒng)構(gòu)建及運(yùn)維的重要前提，表現(xiàn)為交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化與能源一體化發(fā)展，用能管理朝著協(xié)同彈性化方向發(fā)展。陸路交通能源系統(tǒng)基于不同場(chǎng)景組網(wǎng)而表現(xiàn)出多樣化的模式，是以能源轉(zhuǎn)化單元、交通基礎(chǔ)設(shè)施用能單元、多類型儲(chǔ)能等裝備為主體的綜合能源系統(tǒng)、自洽系統(tǒng)，其運(yùn)行需要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、統(tǒng)一的能量管理系統(tǒng)。

能源系統(tǒng)與交通系統(tǒng)作為供需雙方參與的協(xié)同規(guī)劃運(yùn)行體系，電網(wǎng)接入條件多變，強(qiáng)電/弱電/無(wú)電情形并存。需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求研發(fā)適配技術(shù)，如強(qiáng)電網(wǎng)接入下的交通能源融合系統(tǒng)清潔能源利用與自洽提升技術(shù)、電網(wǎng)末端薄弱環(huán)節(jié)接入時(shí)的系統(tǒng)內(nèi)電力電子設(shè)備強(qiáng)主動(dòng)支撐能力與穩(wěn)定性增強(qiáng)相關(guān)技術(shù)、偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)配網(wǎng)時(shí)的交通系統(tǒng)特有孤網(wǎng)與微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電裝備的同步控制及構(gòu)網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)。

（三）技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

能源、交通兩大基礎(chǔ)性行業(yè)的趨同化發(fā)展特征凸顯，能源與交通融合發(fā)展加速，勢(shì)必出現(xiàn)行業(yè)體制、技術(shù)體系的重大變革，批量產(chǎn)生新模式、新技術(shù)。對(duì)照陸路交通能源系統(tǒng)的重大需求、技術(shù)構(gòu)成、產(chǎn)業(yè)態(tài)勢(shì)，現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系僅反映各自分散領(lǐng)域的裝備特性及技術(shù)要求，不能滿足場(chǎng)景適配場(chǎng)景下的可再生能源發(fā)電技術(shù)要求，時(shí)效性也顯滯后，在全面支撐新的綜合性領(lǐng)域發(fā)展方面存在明顯差距。

在研究制定陸路交通能源系統(tǒng)的適配標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持目標(biāo)能力導(dǎo)向，形成有關(guān)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系總體建設(shè)方案，據(jù)此細(xì)化可再生能源標(biāo)準(zhǔn)，支持包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫能、生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源體系化發(fā)展，促進(jìn)能源轉(zhuǎn)型。結(jié)合能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸?shù)膶W(xué)科交叉背景，界定標(biāo)準(zhǔn)在陸路交通能源系統(tǒng)適配場(chǎng)景中的應(yīng)用范圍，協(xié)同構(gòu)建場(chǎng)景全覆蓋的技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)體系。明確術(shù)語(yǔ)與定義，進(jìn)一步在適用范圍內(nèi)把握裝備動(dòng)態(tài)特性，針對(duì)工作環(huán)境、功率預(yù)測(cè)、有功/ 無(wú)功控制、運(yùn)行適應(yīng)性、電能質(zhì)量、啟停、安全、繼電保護(hù)、離/并網(wǎng)控制模式、通信與信息、檢測(cè)等，提出相應(yīng)技術(shù)要求。發(fā)揮陸路交通能源系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)對(duì)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)躍升的引導(dǎo)和規(guī)范作用。

七、陸路交通能源系統(tǒng)發(fā)展建議

陸路交通能源系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)行將是跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的創(chuàng)新工程。能源與交通融合是提高資源利用效率的重要載體，也是新發(fā)展格局下能源與交通行業(yè)“創(chuàng)新、綠色、高效、協(xié)同”發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求，還是實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的構(gòu)成要素。持續(xù)推動(dòng)我國(guó)陸路交通能源系統(tǒng)建設(shè)，驅(qū)動(dòng)能源和交通行業(yè)由條塊分割、缺少統(tǒng)籌的獨(dú)自發(fā)展模式轉(zhuǎn)向功能融合、系統(tǒng)集成的協(xié)同發(fā)展模式，在形態(tài)功能上實(shí)現(xiàn)更深層次的融合，在運(yùn)轉(zhuǎn)模式上實(shí)現(xiàn)更高效率的協(xié)同，進(jìn)而形成清潔、高效、共享的綜合基礎(chǔ)設(shè)施體系。

一是穩(wěn)步推進(jìn)以清潔能源為主導(dǎo)、以電能為媒介的現(xiàn)代交通能源系統(tǒng)。在全球能源革命的趨勢(shì)下，電能在交通行業(yè)領(lǐng)域持續(xù)滲透，依托現(xiàn)代能源、先進(jìn)材料、信息通信等技術(shù)，以電能深度替代和以石油為主體的交通終端化石能源消費(fèi)，以交通行業(yè)電氣化水平的顯著提升推動(dòng)清潔能源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用。

二是引領(lǐng)創(chuàng)建清潔能源發(fā)電-零碳原料燃料-電動(dòng)化驅(qū)動(dòng)的新型交通動(dòng)力系統(tǒng)。在清潔原料燃料替代交通終端化石能源的進(jìn)程中，充分利用我國(guó)自然資源稟賦，以新能源發(fā)電方式形成低碳電力供給，而后利用低碳電力制備原料燃料，從而為交通再電氣化發(fā)展提供零碳原料燃料并支持電動(dòng)化載運(yùn)裝備革新。

三是規(guī)劃建設(shè)交通能源一體化新型基礎(chǔ)設(shè)施。通過(guò)能源、交通系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃和協(xié)同建設(shè)，融合能源、交通屬性，打破各自行業(yè)壁壘，建立陸路交通與新能源用地的統(tǒng)籌規(guī)劃、一體化設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)等機(jī)制，推動(dòng)通道共用和樞紐共建，提高兩大領(lǐng)域的資源配置與自主保障能力。