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新能源“高鐵”將成現(xiàn)實

發(fā)布時間:2023-05-24 10:07:00來源: 中國科學(xué)報

  新能源汽車如今家喻戶曉,但用新能源支持電氣化鐵路運行,過去是想都不敢想的。這一“聽起來不可能”的鐵路供電方式,即將在我國成為現(xiàn)實。

  不久前,國能新朔鐵路有限責(zé)任公司完成“軌道交通‘網(wǎng)-源-儲-車’協(xié)同供能應(yīng)用技術(shù)研究”項目的公開招標(biāo),將在新準鐵路上接入光伏和儲能裝置,建成我國首個以新能源為供能主體的牽引變電所。

  “將光伏、風(fēng)電、儲能等新能源接入鐵路,就相當(dāng)于給鐵路‘健身’,改變其‘飲食結(jié)構(gòu)’?!北本┙煌ù髮W(xué)電氣工程學(xué)院院長吳命利為《中國科學(xué)報》記者打了個比方。

  完全依賴高壓電網(wǎng)將成歷史

  我國傳統(tǒng)電氣化鐵路完全依賴高壓電網(wǎng)。運行中,鐵路變電所使用兩路電源供電,一路停電,另一路會緊急切換投入供電。

  即便如此,近年來列車因斷電停運的新聞仍時有曝出。吳命利估算,以運煤的重載鐵路計算,中斷半小時,少跑3列萬噸列車,至少造成上百萬元損失。

  目前,我國電網(wǎng)約70%是火力發(fā)電。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下,電網(wǎng)開始向清潔能源轉(zhuǎn)型,引入太陽能、風(fēng)能等可再生能源。

  吳命利團隊聯(lián)合新朔鐵路供電分公司開發(fā)的“網(wǎng)-源-儲-車”協(xié)同供能技術(shù),實際上是通過公用電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電、電池儲能、列車4個元素相互作用,將鐵路沿線的可再生能源就地開發(fā)、消納利用。

  在西北等缺少高壓電網(wǎng)的偏遠地區(qū),利用鐵路沿線豐富的太陽能、風(fēng)能等自然資源,可以實現(xiàn)就地開發(fā),直接接入鐵路使用?!叭绻F路沿線有大量分布式電源,即使原先的高壓電源‘臨時罷工’,也不至于出現(xiàn)鐵路無法跑車的現(xiàn)象?!眳敲赋?。

  電氣化鐵路供電一般需要110千伏,高速鐵路更是需要架設(shè)220千伏以上的高壓專用線。鐵路電源從發(fā)電廠至變電所,通過電網(wǎng)傳輸,先升至高壓再降至中壓供給列車。“如果就地開發(fā)的可再生能源足夠,那么支持列車運行所需的公用電網(wǎng)甚至可降至10千伏或35千伏,還可以避免在升壓、傳輸、降壓等環(huán)節(jié)產(chǎn)生損耗?!眳敲嬖V《中國科學(xué)報》。

  為鐵路運行節(jié)省開支

  一列以每小時250公里運行的8輛編組高鐵耗電量近5000度,時速達350公里時耗電量大致翻倍。電費一直是高鐵運營成本的一項巨大支出。據(jù)統(tǒng)計,我國軌道交通年用電量超過1000億度。

  一個變電所造價約2000萬元,很多時候,電氣化鐵路外部電源造價幾乎與鐵路供電設(shè)施造價持平,甚至更高。

  如果采用新能源供電,鐵路將不再需要如此高昂的電費與造價?!拔覀冏鲞^核算,新能源供電大約10年內(nèi)就能收回成本,而新能源供電設(shè)備的壽命通常為15至20年?!眳敲f,由于造價相對便宜、自身資源豐富、不受變電所擴建約束,礦山鐵路已向新能源供電拋來橄欖枝。

  針對這項符合“雙碳”戰(zhàn)略的解決方案,我國正與歐洲、印度賽跑。德國、西班牙、日本的新能源供電,主要服務(wù)于車站,如照明。目前,全球唯一將新能源直接供給電氣化鐵路運行的是印度。2020年,印度巴拉特重型電力有限公司在鐵路上投產(chǎn)了1.7兆瓦的太陽能光伏發(fā)電站,直接為鐵路的牽引系統(tǒng)供電。

  然而,印度在鐵路沿線接入的光伏發(fā)電僅作補充之用?!拔覀冊谛聹疏F路開展的試點項目,不僅可補充供能,還可以完全替代變電所獨立供電,這一探索在世界上是首次?!眳敲f。

  他告訴《中國科學(xué)報》,我國目前已有10萬公里電氣化鐵路,而在電網(wǎng)薄弱地區(qū),更適合采用新能源供電的方式開展新線建設(shè),如川藏鐵路可充分利用當(dāng)?shù)氐奶柲?、風(fēng)能為列車供電。

  此外,在可再生能源豐富地區(qū),既有鐵路牽引供電系統(tǒng)也可接入新能源,擴大清潔能源占比,逐步實現(xiàn)電氣化鐵路能源轉(zhuǎn)型。

  新能源給鐵路供電可靠嗎

  鐵路上運行的列車時有時無,而可再生能源發(fā)電并不是說有就有,能量該如何調(diào)度?怎樣把可再生能源所發(fā)的電都用在列車上?什么時候儲能、什么時候放能?

  在設(shè)計方案時,這些不斷涌現(xiàn)的科學(xué)問題縈繞在研究者心頭?!拔覀兘梃b電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)的做法,并預(yù)測列車負荷,制定了一套調(diào)度算法,最終在保障列車足夠供電的情況下,實現(xiàn)能源的最優(yōu)利用。”吳命利說。

  很多人疑惑,電氣化鐵路運行需要很大電力,新能源供電究竟能否支持這么大的電力?

  北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授楊少兵指出,鐵路運輸具有間歇性特點,即軌道上并不總是有列車運行,特別是在偏遠地區(qū),可能一天就發(fā)七八趟車。無車的時候變電所可以把能源存儲起來,待到有車時再提供支持。只要協(xié)調(diào)好可再生能源發(fā)電和儲能的配比,新能源足夠支撐鐵路運行。

  那么,是高鐵使用的高壓電網(wǎng)可靠,還是新能源的中壓電網(wǎng)可靠?

  楊少兵表示,高壓電網(wǎng)的可靠性無須置疑,除非是整個電網(wǎng)遭到破壞,但這也不是沒有可能。遇到戰(zhàn)爭、極端自然災(zāi)害,比如2008年的南方凍雨就破壞了大范圍的區(qū)域電網(wǎng),導(dǎo)致電氣化鐵路停運。如果沿線有分布式能源,列車行駛到哪里都有供能裝置,就可以在應(yīng)急的時候發(fā)揮作用。

  如今,新能源鐵路供電即將開展工程試點。吳命利又把目光對準了大規(guī)模推廣時可能遇到的問題?!跋乱徊?,分布式電源沿線幾十公里都要布局,如何開發(fā)沿線的可再生資源,從而實現(xiàn)集中供電,我們將通過示范工程一步步摸索?!?溫才妃)

(責(zé)編:李雅妮)

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