分布式微电网在零碳川藏铁路的应用构想

分布式微电网在零碳川藏铁路的应用构想

朱利明,张立民,张荣虎

大唐四川发电有限公司， 四川 成都 610031

摘要：本文以川藏铁路为例，充分利用高原丰富的太阳能资源，提出了零碳技术下的川藏铁路“分布式微电网+充换电+制（储、充）氢”的纯绿色供能模式和整体解决方案，对降低川藏铁路工程造价和运营成本以及实现高原零碳铁路进行了充分论证。

关键词：分布式微电网；零碳；智慧；川藏铁路

导言：

习近平总书记强调，保护好青藏高原生态就是对中华民族生存和发展的最大贡献。笔者以川藏铁路为例，结合川藏高原丰富的太阳能资源，提出了零碳技术下的川藏铁路“分布式微电网+充换电+制（储、充）氢”的纯绿色供能模式，采用数个分布式微网+储能约10000kWh的磷酸铁锂电池+配置500kWh氢燃料电池的整体解决方案，可实现100%的清洁能源供应。同时，形成完全“自给自足”的离网供能系统，最终实现在非电气化铁路“零碳”行驶电力机车。

1零碳智慧铁路的设计构想

零碳智慧川藏铁路的构想思路是，一是该列机车设计取消受电弓，不再由牵引变供电，完全改由氢燃料电池和磷酸铁锂电池供电；二是在成都至新都桥段的车站略做改造，可通过购买绿电制备氢气和为电池充电（换电），实现零碳目标；三是在新都桥至林芝段按照“分布式微电网+充换电+制（储、充）氢”进行设计和建设；四是对拉萨至林芝段的车站新建分布式微电网及制氢和充电设施。

在近期无法解决氢燃料电池多电堆协同问题的情况下，火车的动力电源由磷酸铁锂电池提供，氢燃料电池作为火车照明、信号等非动力电源。待解决氢燃料电池多电堆协同问题后，火车所有电源均由氢燃料电池提供。

微电网是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷监控和保护装置等组成的小型发配电系统。在高原铁路车站建设分布式微电网，充分利用了分布式电源的灵活、高效应用的特点，是将传统电网向智能电网过渡的一种创新模式。根据运行线路的火车数量及频次，在地势略开阔的火车站周边建设分布式微电网（分布式微电网+充换电+制（储、充）氢），微电网有三个作用：一是要供火车站日常用电需求，二是为运行列车换用的磷酸铁锂动力电池充电；三是用于电解水制氢气和氧气，氢气提供给运行列车的氢燃料电池，氧气除正常保障运行列车所用之外，还可以提供给车站周边城镇使用。

流程如下图：

1.1青藏高原丰富的太阳能资源为铁路机车提供绿色能量来源

在青藏高原建设分布式微电网存在诸多优势。首先，青藏高原地广人稀，所以车站（火夹仲至拉萨段）周边有足够的空间建设分布式微电网。其次，青藏高原太阳能资源禀赋优异，年平均总辐射均在1700kWh/m2以上，对于光伏发电来说，这是不可多得的低成本优质资源。

笔者认为，川藏铁路新建雅林段及已投运的拉林段，可以考虑与高原旅游相结合，分布式微电网可选在有观景台的中间站或个别越行站，诸如在新都桥、雅江、理塘、毛垭坝、巴塘、白玉、贡觉、昌都、邦达等车站区域建设包含装机容量1万千瓦左右的小型光伏电站的微电网，每个微电网每年提供1600万千瓦时的电量，完全可以保障车站日常用电和为机车磷酸铁锂电池充电和制氢。

1.2 利用高原光伏发电制氢，为氢能源产业链研究应用奠定基础。

我国把氢能作为能源战略的发展重点，氢能利用及氢燃料电池被认为是战略性新兴产业发展的重要方向，燃料电池以商用车为重点，向大功率方向发展已成为共识。在高原送出受限区域，利用微电网电解水制氢（氧）、储氢及就地应用，供机车氢燃料电池使用，为未来氢能产业链研究及大功率氢燃料电池研究应用奠定基础。

假设每个制氢（氧）站配置100Nm³ /h左右规模的PEM电解槽制氢，年工作2000小时，每个制氢工厂最大生产能力达到20万Nm³“绿氢”。

1.3 氢燃料电池将为铁路机车提供非动力部分电力

目前，用于工业生产的氢燃料电池输出功率在100-150千瓦左右，一个电堆就能够满足要求。但是，放在轨道交通上为火车机车提供5000千瓦以上的功率需求还相差很远，选择动力系统方案必须通过多个电堆协同工作才能完成。氢燃料电池是氢气和氧气的电化学反应，使得供电过程会产生滞后效应，而这一滞后就让多电堆的协同工作变得十分困难。

所以在本方案的设计体系中，使用氢燃料电池将为铁路机车提供具有稳定输出的非动力电源是十分合理的。理论上，一个燃料电池系统效率为85%的状况下，1公斤的氢气能够产生13-16kWh的电量。

笔者认为，在紧急情况下，氢燃料电池还可作为磷酸铁锂电池充电的应急电源。建议机车配置5台氢燃料电池，总功率可达到500-700千瓦。氢燃料电池的能量密度约800KWh/吨，5台氢燃料电池重量约1.5吨。储氢罐按照70Mpa压力存储，每立方米存储氢气39Kg，假设带10罐氢气大约400Kg氢气，大约发电7000千瓦时，每个罐重约700公斤，总重量7000Kg。

1.4 采用磷酸铁锂电池作为电能的储放单元保证铁路机车动力。

磷酸铁锂锂离子电池（通常称为磷酸铁锂电池）具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应、绿色环保等一系列独特优点，并且支持无级扩展，适合于大规模电能储存。

高速列车运行时速高达350km/h，每小时耗电量约为9600度，当时速降为250km/h时，耗电量仅为4800度左右，即速度越快，牵引功率越大，耗电量也越大。按照250 km/h速度的耗电量，磷酸铁锂电池的能量密度约200kwh/吨左右计算，不难得出动车存储行驶1小时电量的磷酸铁锂电池重量约25吨。

笔者建议配置40-50吨磷酸铁锂电池。由于大规模的磷酸铁锂电池充电时间较长，建议使用换电模式可以解决充电时长的问题。具体操作方式为，将重达数吨的磷酸铁锂电池组单独装在末节车厢内，我们可以称之为“储能车厢”。充电时段“储能车厢”放在具有微电网的车站进行充电，当列车到达车站后，通过“重牛”将末节“储能车厢”替换，将充满电的“储能车厢”换上，替换下来的“储能车厢”继续在所在车站微电网充电。

通过测算，10000kWh电池组可供应火车机车运行2-3小时，运行里程达到300公里左右。

2高原零碳智慧铁路的经济性分析

零碳铁路的构想是基于国家双碳目标背景下的一个创新，在国内首次提出“分布式微电网+充换电+制（储、充）氢”的纯绿色供能模式和整体解决方案，最终实现非电气化铁路行驶电力机车。以川藏铁路为例，使用该方案将极大降低川藏铁路的建设成本及运营成本。

2.1微电网的建设成本低

微电网初步设计包括装机容量10000kw太阳能发电站，容量10000kwh磷酸铁锂储能电池，100 Nm³/ h的PEM 电解槽等全套制氢（氧）设备，储氢设备及一座撬装式加氢装置等。初期建设成本约1亿元，后期可随时根据用能情况进行扩容。

2.2可以有效地降低铁路的建设成本

川藏铁路新建雅安至林芝段位于青藏高原东南部，沿线山高谷深，线路跨七江、穿八山，新建正线1011公里，新建车站24座，全线桥隧总长 955km，桥隧比接近94%，其中，隧道大约占线路长度的83%。如果按照零碳智慧铁路设想建设，可以将原有的电气化铁路建设标准调整为非电气化铁路建设标准，不仅可以直接省去电气化专项部分投资，而且可以将隧道高度降低0.50米以上，两项合计可以节约建设投资约10%-20%。

2.3运行期可以节约电气化部分的运维费用

正在建设中的川藏铁路雅林段超长隧道众多、隧道超长、环境恶劣，地质环境极为复杂。这些因素将会导致电气化部分在运营期成本增加、维护十分困难。

就川藏铁路而言，如果采用“分布式微电网+充换电+制（储、充）氢”模式设计、建设和运营，无需建设电气化设备设施，不仅可以节约建设成本，同时，可以节约电气铁路的维护成本。所以，笔者提出的零碳铁路的构想，经济方面的优越性远超过传统的电气化铁路。

3零碳智慧铁路的优势及发展前景

“分布式微电网+充换电+制（储、充）氢”的供能整体解决方案，可实现100%的清洁能源供应，该解决方案可以适应川藏铁路的气候条件，不仅在经济方面优势明显，在技术和排放方面更加突出，未来前景可期。

3.1绿色环保

2020年中国国家铁路集团有限公司发布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》指出，中提出“提高绿色铁路承运比重，构建以铁路为主体的绿色低碳经济货运网络体系”。机车动力所需电力完全来源于光伏发电站，属于清洁能源。

3.2降本增效

电气化铁路的工程造价高、投资大，地处高原及无人区，气候恶劣，电源供电不稳定，维护成本高昂，安全隐患多。采用“分布式微电网+充换电+制（储、充）氢”的供能模式，无需电气化建设和维护，运行成本低廉。

3.3离网供能

高原地质、气候条件恶劣，电网造价高、运行不稳定。分布式微电网可以作为作为海拔较高的偏远火车站的电源或其他用途备用电源，也充分利用微电网灵活、高效的特点。

3.4通过智慧能源管理

结合机车的运行特性，进一步优化分布式微电网的建设规模及合理的换电站点，提高能源供给的安全性。

3.5与未来大功率氢燃料电池接轨

随着燃料电池的技术和氢存储技术的发展，大功率氢燃料电池应用在轨道交通已经成为可能。

3.6社会价值

制氢的副产气体为氧气，可以为高原列车和周边城镇提供氧气供给。解决高原供氧，是提升高原地区人民生活水平、保障高原地区人民身体健康、提升高原地区旅游事业发展的重要举措，是造福藏区的民生工程。

4 结论

分布式微电网在铁路上的应用，符合国家新能源应用的发展前景和高原铁路的实际需要。随着新能源技术的发展，“分布式微电网+充换电+制（储、充）氢”的技术将不断完善，也是高原铁路实现零碳目标的必经之路。

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