公路交通与能源融合实践模式探究

第19卷 第94期 交 通 节 能 与 环 保
V ol.19 No.2 2023年04月 Transport Energy Conservation ＆ Environmental Protection April. 2023
doi: 10.3969/j.issn.1673-6478.2023.02.018
公路交通与能源融合实践模式探究
姚 沅1，付 豪1，梁叶云1，田孝武2
（1. 葛洲坝集团交通投资有限公司，湖北 武汉 430000； 2. 葛洲坝（武汉）新能源发展有限公司），湖北 武汉 430000）
摘要：目前公路交通与能源融合项目的投资、建设、运营存在盈利模式不清晰、交通侧能源侧要求不明确、政策机制不完善等方面的问题，严重制约了公路交通与能源融合项目的发展。

针对上述问题，本文以示范项目为依托，开展了政策机制、安全环境、标准体系、运维模式、关键技术、解决方案的探索研究，形成可复制的公路交通与能源融合项目投建营模式，推动交能融合行业高质量快速发展。

关键词：交通与能源融合；制约因素；项目实践；关键技术 中图分类号：U491
文献标识码：A
文章编号：1673-6478（2023）02-0100-06
Research on Practical Mode of Integration of Highway Transportation and Energy
YAO Yuan 1, Fu Hao 1, LIANG Yeyun 1, TIAN Xiaowu 2
(1. Gezhouba Group Transportation Investment Co., Ltd., Wuhan Hubei 430000, China; 2. Gezhouba (Wuhan) New Energy Development Co., Ltd., Wuhan Hubei 430000, China)
Abstract: At present, there are some problems in the investment, construction and operation of highway transportation and energy integration project, such as unclear profit model, unclear energy demand and imperfect policy mechanism, etc., which seriously restricts the development of highway transportation and energy integration projects. In the light of the above-mentioned problems, based on the demonstration project, the exploration and research on policy mechanism, safety environment, standard system, operation and maintenance mode, key technologies and solutions have been carried out to form a replicable mode of construction of highway transportation and energy integration projects, and promote the rapid development of high-quality transportation and energy integration industry.
Key words: transportation and energy integration; constraints; project practice; key technologies
0 引言
实现碳达峰、碳中和，是以习近平同志为核心的党中央统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是着力解决资源环境约束突出问题、实现中华民族永续发展的必然选择。

目前交通行业碳排放量约占全社会碳排放总量10%，其中公路交通碳排放在交通行业
收稿日期：2022-12-06
作者简介：姚沅（1972-），男，湖北武汉人，研究生，高级工程师，研究方向为交通工程、新能源.（）
占比约80%[1]，因此，公路交通担负着加快形成绿色低碳运输方式、实现减污降碳的重大责任，亟须加快推动能源结构转型，大力发展可再生能源。

近年《交通强国建设纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》等的发布旨在建设高质量综合立体交通网，促进交通基础设施网与运输服务网、信息网、能源网“四网”融合；为优化交通能源结构，交通与能源融合发展的战
第2期姚沅等，公路交通与能源融合实践模式探究101
略与政策相继发布，旨在促进交通基础设施网与能源网融合发展，为实现能源与交通的可持续发展奠定良好基础[2]。

根据华北电力大学国家交能融合发展研究院测算，预计到2025年，全国高速公路分布式光伏年发电量可达780GW⋅h，全国高速公路用电自洽率为4.2%，可再生能源电力渗透率为19.2%，年减少碳排放77.8万t；到2030年，全国高速公路分布式光伏年发电量为8 990GW⋅h，全国高速公路用电自洽率为19.9%，可再生能源电力渗透率为39.1%，年减少碳排放896.3万t[3]。

由此可见，公路交通与能源融合发展领域市场规模和前景巨大。

1面临的问题
交能融合概念的发展催生了新的行业契机，但交能融合项目的推进目前也存在一系列亟待解决的问题：一是关键技术未突破；二是项目盈利模式不清晰；三是交通侧及能源侧需求不明确；四是政策机制不完善、标准体系不健全；五是典型应用场景不成熟。

1.1 关键技术未突破
国内外能源与交通融合领域主要在“源”层面开展了初步探索，缺乏“源-网-荷-储”一体化深度融合的理论及技术。

交通沿线光伏规模化应用技术、“风光储充换氢”综合供能技术、智能微电网技术、用能安全稳定保障及品质提升技术、能源智慧管控技术等关键技术问题也制约了该领域的发展。

1.2 盈利模式不清晰
交能融合项目光伏组件的装机容量需要根据高速公路沿线的资源禀赋条件、线位走向、沿线消纳情况、并网条件等因素确定，不同的项目实际情况差异较大。

同时，在项目总投资构成中，设备购置费通常占到项目总投资的80%以上，例如光伏、储能等设备的价格对投资影响较大，影响投资控制。

因此，还需要进一步探索成熟可行的盈利模式。

1.3 交通侧、能源侧影响不明确
在交通侧，各省交通运输主管部门缺乏可参考的交能融合安全性论证依据，反映在三个方面：一是光伏项目实施后对道路行车安全的影响，对过往行驶车辆及周围居民的光影响，车辆发生事故冲出护栏后对司乘人员的二次伤害等；二是光伏项目实施对交通基础设施的影响，主要是在高速公路现有边坡进行建设活动，新建设施对公路边坡稳定性的影响；三是光伏项目实施对生态环境的影响，主要包括对道路两侧原有植被生态、周边环境和沿线群众生活的影响。

在能源侧，一是项目所在地消纳能力不足，可能要求更高的储能占比，导致项目投资增大、收益不及预期等；二是新能源指标获取难，新项目每年只有一次申报机会，准备时间较长，获取难度大；三是并网稳定性影响，交能融合项目目前多选用分布式光伏，采用低压多点并网方式，微电网并网后对大电网的稳定性可能产生影响。

1.4 政策机制不完善、标准体系不健全
目前我国的交能融合发展尚处于起步阶段，相关政策机制还不十分健全。

交通行业和能源行业的管理职能部门之间，存在着较大的跨行业、多部门协调的体制壁垒[4]，缺乏交能融合相关的政策和协调机制。

交通与能源两个领域的融合界面还不清晰，单独涉及两个行业的技术标准规范目前已相对健全，但两个行业的部分标准规范未有效衔接，风、光、热、储、氢、换、充等清洁能源一体化应用在交通领域的融合应用技术体系尚未形成，导致交能融合项目的设计、建设、运维、验收等工作缺乏有效参考与指导。

1.5 应用场景不成熟
现有工程实践多数处于小规模探索阶段。

如针对高速公路、港口、铁路等应用场景，常见为小规模分布式光伏发电补偿案例，电气化公路、能源自洽公路和隧道、交能融合集成装备等技术和场景大多处于试点探索阶段，尚未形成可实施的典型应用场景解决方案和示范工程。

2公路交通与能源融合项目实践
山东枣（庄）菏（泽）高速交能融合示范工程项目遵循“低碳、智慧、高效、安全”的建设理念，打造了涵盖路域清洁能源（光伏）、清洁能源储能技术、服务区充换电站、零碳服务区（屋顶光伏、风电路灯）、交通供配电系统改造升级、智慧交通系统、环保节能设
102交通节能与环保第19卷
施、四网融合展厅等多种元素的“源网荷储充”一体化项目。

公路全长177.8公里，跨8个县，光伏总装机容量为124MW，该项目填补了国内交能融合领域多层级一体化融合系统关键技术与示范应用的空白，为我国交通与能源领域绿色低碳转型提供了有力支撑。

在项目实施过程中，本文针对交能融合项目存在的各类实际问题，对其可行的实践模式进行了探索研究。

2.1 关键技术方面
针对交能融合关键技术未突破的现状，山东枣菏交能融合示范工程率先应用了一批新技术。

（1）交通沿线光伏故障诊断技术。

建立光伏组件的可靠性数据库，根据故障模式和故障表现判定故障原因及故障后果，提出预防措施，结合光伏组件监测系统，实现了高速公路光伏组件的运行监控及故障诊断。

（2）交通沿线光伏镜面自洁技术。

构建灰尘与镜面黏附机理模型，研制光伏表面超疏膜，根据现场超疏膜除灰性能优化超疏膜设计。

（3）交能融合“源-网-荷-储”一体化技术。

根据交能融合系统电源、电网、负荷和储能等可行性布局，搭建“源-网-荷-储”多层级一体化的技术架构，指导技术集成应用和示范项目建设，如图1所示。

图1 交能融合“源-网-荷-储”一体化构架图
Fig.1 Integrated architecture diagram of "source-network-load-storage" for traffic and energy integration
（4）交通用能自洽系统。

综合考虑风、光等可再生资源分布特点，微网网络架构、负荷需求特性和储能运行特点，构建用能自洽水平较高的系统模式，如图2所示。

目前枣菏高速年用电总量为400MW⋅h，当前新能源系统发电总量超过500MW⋅h，经测算整个系统新能源自洽率达到100%。

图2 交通用能自洽系统
Fig.2 Self-consistent system of transportation energy use
（5）交通基础设施新能源供给潜力评估方法。

结合交通行业相关规划以及太阳能、风能资源评估方法等技术规范，分情景、分交通基础设施类型评估其潜在的新能源发电可装机容量和发电量，提出交通基础设施新能源开发潜力的评估方法。

（6）基于分布式可再生能源的交能融合微电网规划方法。

构建适宜的新能源发电模型和储能设备，考虑多种成本建立以交通沿线分布式可再生能源为主体的微电网规划模型，如图3所示，提出高速公路风光储充换氢电站的选址和定容方法。

图3 微电网规划图
Fig.3 Microgrid planning diagram
（7）高速公路基础设施低碳运营策略。

从微电网智能运行控制、光储充电站充放电优化和隧道节能管理等方面着手，实施高速公路低碳运营策略，如图4所示。

第2期
姚沅等，公路交通与能源融合实践模式探究 103
图4 低碳运营策略图
Fig.4 Low-carbon operation strategy chart
（8）高速公路交能融合碳排放核算评估方法。

构建碳足迹核算模型，建设交通设施全生命周期能耗排放计算方法，实现基建工程各阶段碳排放的一键归集
和指标分析。

2.2 盈利模式方面
交能融合项目主营业务收入一般为售电收入。

自洽率和上网电价是关系到交能融合项目能否盈利的最核心边界条件。

具体到项目中，可采用自发自用、
余电上网或全额上网的模式，通过售电产生盈利。

上网电价主要受国家和地方政策影响，可适当向地方争取配套政策。

自洽率主要受高速公路上基础设施设备数量、交能融合应用场景等因素影响，因此可通过丰富交能融合应用场景提高能源自洽比例。

具体运作模式如图5所示。

图5 能源运作模式图
Fig.5
Energy operation mode diagram
104交通节能与环保第19卷
2.3 能源侧、交通侧需求方面
（1）交通侧：聚焦高速公路交能融合典型场景，研究了交能融合工程可能对司乘人员眩光、基础设施结构稳定等带来的安全影响，以及可能对周边敏感目标造成的光污染、对边坡植被造成的环境影响问题，形成交能融合安全影响评价、环境影响评价指南；对于高速公路交能融合典型场景，构建事故成因数据库，研究建立了适合不同区域、不同可再生能源利用方式的交能融合安全管理体系。

（2）能源侧：分布式光伏单点并网容量设置不高于6MW，不需报主管部门规划申请指标；以每个分布式为一个单独的项目，向所在县的审批局办理项目备案，向电网公司办理接入和消纳；开展交直流一体化多能变换技术在交能融合微电网高速公路应用的研究，分析风电、光伏等新能源发电互补增效特性，结合电源负荷特征研究微电网运行对并网电能质量的影响及电能质量改进措施，提出高速公路交能融合微电网典型场景下稳定入网的方法。

2.4 政策标准体系方面
（1）政策机制：结合我国交能融合政策分析和趋势研判相关结论，从规划标准、创新研发、工程示范、管理体制等方面开展系统研究，提出我国交能融合政策相关发展建议，为相关行业主管部门交能融合政策的制定提供支撑。

相关建议内容如图6所示。

图6 政策建议图
Fig.6 Policy suggestion chart
（2）标准体系：对国内外交通、能源技术标准体系建设的情况进行深入调研，系统梳理国内外交能融合涉及领域已有或已立项的国际、国家、行业、地方、团体和企业等各类型关键技术标准。

针对制约交能融合领域发展的技术标准壁垒和实际工程中出现的需求，制定新编和需要修订的标准清单，构建覆盖高速公路交能融合设计、建设、运维、验收等全流程的科学、完善的交能融合关键技术标准体系。

标准体系如表1所示，标准体系之间的关系如图7所示。

表1 相关技术标准体系表
Tab.1 Table of relevant technical standard system
国家标准行业标准地方标准团体标准拟编合计
源
太阳能利用技术53 44 38 53 87 275 风能利用技术37 57 19 8 0 121 其他能源利用技术 2 20 46 0 9 77
网并网型微电网技术9 5 2 10 27 53 离网型微电网技术0 2 0 3 10 15 配电网技术9 10 0 2 16 37
荷充换电设施相关技术9 13 20 22 1 65 制加氢设施相关技术13 1 4 10 1 29 基础设施用能技术7 4 14 2 1 28
储电化学储能技术13 30 2 15 18 78 氢储能技术0 0 0 0 17 14 其他储能技术 1 2 1 8 5 17 合计153 188 146 133 192
812
第2期姚沅等，公路交通与能源融合实践模式探究105
图7 标准体系关系图
Fig.7 Standard system diagram
2.5 典型应用场景方面
在山东枣菏交能融合示范工程上，对交能融合典型应用场景进行了探索与实践。

（1）分布式光伏在高速公路领域规模化应用
基于高速公路路域分布式光伏发电潜力和经济性分析，结合交通用能特性，开展分布式光伏在高速公路领域规模化应用技术研究，形成分布式光伏发电在高速公路领域规模化应用场景。

相比小规模试验段，光伏规模化应用可以大大减少沿路建设电力设施的电网建设成本，形成分布式光伏发电在高速公路领域规模化建设标准，利用分布式能源特性，对沿路的用电负荷进行供电，例如路灯、基站、摄像头、沿路用能设备（通信网络）、电动汽车充电、路面融冰等新型用能设备。

此外，规模化建设能带动建材、交通运输、零售、设备器材等相关产业的发展。

（2）（近）零碳服务区建设
遵循“清洁低碳、安全高效”的能源发展战略思想，发挥服务区所在区域多种能源组合优势，大力开发服务区的各种能源资源，加强资源高效加工转化和综合协调利用，依托服务区合理建设包含风电、光伏、储能、充换电基础设施、加氢站等不同形式的能源站，为服务区提供绿色低碳的能源供应，推动能源生产和消费革命，形成绿色能源利用生态体系，创建特色（近）零碳服务区，形成（近）零碳服务区建设应用场景。

（3）隧道能源自洽系统应用
充分利用隧道的地理优势和可再生资源优势，以高速网络摄像机、环境传感器、智能空开、灯控开关等作为感知设备，以宽带载波电力线作为通信桥梁，配以智能终端作为控制核心，形成集“清洁能源 + 智能微网 + 隧道清洁能源供应”于一体的隧道能源自洽系统应用场景。

（4）典型智慧（综合）能源公路集成应用
分析电气化公路能源需求与多元清洁能源供给基础，通过研究分布式路域沿线新能源开发、服务区、隧道智能微网、交通供配电系统改造升级技术等技术，建设智慧（综合）能源公路集成应用示范控制平台系统，对于示范区域的光伏、储能及负荷进行可观可控，与电网系统形成多能互补交能融合综合能源平台。

（5）光伏廊道
利用高速公路净空上方空间，提高公路的光伏开发潜力，在大幅提高交通系统能源自给率的同时，满足未来智能交通路端设备随时随地的用电需求。

3结语
基于山东枣荷交能融合示范工程项目的实践经验，结合对交能融合行业的发展分析，公路交通与能源融合项目将向以下几个方面拓展：
（1）交通能源一体化规划设计。

在传统高速公路规划设计的基础上，融入沿线新能源资源开发条件，（下转第113页）
第2期石占斌等，公路工程应用工业固废碳减排效果研究113
层用粉煤灰约1 300t，石灰用量约200t，碎石用量约5 000t，产生碳排放量为293tCO2，因此对于每公里实际使用粉煤灰后的碳减排量为40tCO2，应用粉煤灰后碳减排率为12%，具有一定的碳减排效果。

4结论
（1）以G65包茂高速（包东段）为例研究钢渣应用碳减排量，每使用1t钢渣代替1t碎石可减少18.17kgCO2排放，应用钢渣代替碎石，八车道每公里可减排58.3tCO2，钢渣应用后碳减排率高达81%，碳减排效果显著。

（2）以兴巴高速（清水河段）研究粉煤灰与石灰组合代替水泥的碳减排量，采用粉煤灰加石灰替代水泥后，四车道每公里可减排40tCO2，应用粉煤灰后碳减排率为12%，具有一定的碳减排效果。

（3）工业固废代替原材料应用于公路工程的碳减排量受被替代材料的碳排放因子以及各类材料的运距影响显著。

（4）在兴巴高速（清水河段）粉煤灰试验段中，使用粉煤灰加石灰的组合替代水泥，由于目前石灰生产的碳排放高于水泥生产的碳排放，因此使用粉煤灰带来的减碳量并不能显著降低粉煤灰与石灰组合的碳排放量，但在该实验段中，由于石灰和粉煤灰的获取较水泥容易，运距较短，因此最终粉煤灰与石灰的混合物相较于水泥本身实现了一定量的碳减排，但是碳减排效果较为有限。

参考文献：
[1]杜建国. 我国全面启动碳交易市场[J]. 生态经济, 2018, 34 (3) :
10-13.
[2]李晓易, 谭晓雨, 吴睿, 等. 交通运输领域碳达峰、碳中和路径研
究[J]. 中国工程科学, 2021, 17 (6) : 15-21.
[3]刘杰, 高嘉蔚. 交通基础设施碳排放核算关键问题及对策探索
[J]. 交通节能与环保, 2021, 17 (5) : 4-9.
[4]孙坚, 耿春雷, 张作泰, 等. 工业固体废弃物资源综合利用技术
现状[J]. 材料导报, 2012, 26 (11) : 105-109.
[5]李阳. 利用工业固体废弃物生产建材的碳排放分析[J]. 粉煤灰,
2012, 24 (3) : 20-24.
[6]李娜, 万瑶宇, 柴丽. 内蒙古大宗工业固废在交通建设领域综合
利用问题及对策研究[J]. 内蒙古公路与运输, 2021 (6) : 60-62. [7]梁铎, 温永钢, 杨超, 等. 钢渣在水泥稳定碎石基层中的工程应
用研究[J]. 武汉理工大学学报: 交通科学与工程版, 2020, 44 (2) : 250-254.
（上接第105页）
实现规划设计阶段的交能融合。

在交通能源一体化规划设计的基础上，可将高速公路项目与配套新能源项目打捆开发，实现高速公路及配套新能源工程同步施工投产。

（2）高速公路施工期绿色供能。

高速公路施工过程中，供电困难，供电成本高，且施工期与运营期用电规模和特性相差较大，高速公路绿色施工转型需求迫切。

进行分布式新能源开发，可进一步满足施工期及运营期的用电需求，降低综合用电成本。

（3）路域外新能源规模化协同开发。

高速公路周边近区的大片可利用土地资源的能源化利用，以新能源规模化全额并网消纳为主，获取相对可观的增量收益，同时可兼顾路域内新能源接入及公路设施供电。

（4）“电-热-储-氢”综合能源服务。

高速公路综合用能绿色低碳转型需求迫切，高速公路服务区、养护区自身存在冷、热、电、气等多品类用能需求，且该类对象的用能需求相对较大，因此可以开发综合能源服务场景。

（5）智慧公路融合运营。

基于交通基础设施网、能源电力网、信息网、物流运输网等多网融合，通过一体化智慧融合调度平台，实现多类网络之间的协同智慧运营。

参考文献：
[1]曾晓莹, 邱荣祖, 林丹婷, 等. 中国交通碳排放及影响因素时空
异质性[J]. 中国环境科学, 2020, 40(10): 4304 4313.
[2]毛宁, 李齐丽, 刘杰, 等. 交通运输行业光伏发展现状及对策建
议[J]. 交通节能与环保, 2022, 18(02): 11 14.
[3]贾利民, 师瑞峰, 马静, 等. 中国陆路交通基础设施资产能源化
潜力研究[M]. 北京: 科学出版社, 2020.
[4]高嘉蔚, 孙芳, 毛宁, 等. 公路交通与能源深度融合发展思路与
展望[J]. 交通节能与环保
, 2022, 18(02): 018.。