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，即將在我國成為現實。
不久前，國能新朔鐵路有限責任公司完成“軌道交通‘網-源-儲-車’協同供能應用技術研究”項目的公開招標，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、風電、儲能等新能源接入鐵路，就相當于給鐵路‘健身’，改變其‘飲食結構’。”北京交通大學電氣工程學院院長吳命利為《中國科學報》記者打了個比方。
完全依賴高壓電網將成歷史
我國傳統電氣化鐵路完全依賴高壓電網。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，我國電網約70%是火力發電。在“雙碳”戰略目標下，電網開始向清潔能源轉型，引入太陽能、風能等可再生能源。
吳命利團隊聯合新朔鐵路供電分公司開發的“網-源-儲-車”協同供能技術，實際上是通過公用電網、可再生能源發電、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、消納利用。
在西北等缺少高壓電網的偏遠地區，利用鐵路沿線豐富的太陽能、風能等自然資源，可以實現就地開發，直接接入鐵路使用。“如果鐵路沿線有大量分布式電源，即使原先的高壓電源‘臨時罷工’，也不至于出現鐵路無法跑車的現象。”吳命利指出。
電氣化鐵路供電一般需要110千伏，高速鐵路更是需要架設220千伏以上的高壓專用線。鐵路電源從發電廠至變電所，通過電網傳輸，先升至高壓再降至中壓供給列車。“如果就地開發的可再生能源足夠，那么支持列車運行所需的公用電網甚至可降至10千伏或35千伏，還可以避免在升壓、傳輸、降壓等環節產生損耗。”吳命利告訴《中國科學報》。
為鐵路運行節省開支
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。據統計，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。“我們做過核算，新能源供電大約10年內就能收回成本，而新能源供電設備的壽命通常為15至20年。”吳命利說，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了1.7兆瓦的太陽能光伏發電站，直接為鐵路的牽引系統供電。
然而，印度在鐵路沿線接入的光伏發電僅作補充之用。“我們在新準鐵路開展的試點項目，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。”吳命利說。
他告訴《中國科學報》，我國目前已有10萬公里電氣化鐵路，而在電網薄弱地區，更適合采用新能源供電的方式開展新線建設，如川藏鐵路可充分利用當地的太陽能、風能為列車供電。
此外，在可再生能源豐富地區，既有鐵路牽引供電系統也可接入新能源，擴大清潔能源占比，逐步實現電氣化鐵路能源轉型。
新能源給鐵路供電可靠嗎
鐵路上運行的列車時有時無，而可再生能源發電并不是說有就有，能量該如何調度?怎樣把可再生能源所發的電都用在列車上?什么時候儲能、什么時候放能?
在設計方案時，這些不斷涌現的科學問題縈繞在研究者心頭。“我們借鑒電網綜合能源系統的做法，并預測列車負荷，制定了一套調度算法，最終在保障列車足夠供電的情況下，實現能源的最優利用。”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?
北京交通大學電氣工程學院教授楊少兵指出，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，可能一天就發七八趟車。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。只要協調好可再生能源發電和儲能的配比，新能源足夠支撐鐵路運行。
那么，是高鐵使用的高壓電網可靠，還是新能源的中壓電網可靠?
楊少兵表示，高壓電網的可靠性無須置疑，除非是整個電網遭到破壞，但這也不是沒有可能。遇到戰爭、極端自然災害，比如2008年的南方凍雨就破壞了大范圍的區域電網，導致電氣化鐵路停運。如果沿線有分布式能源，列車行駛到哪里都有供能裝置，就可以在應急的時候發揮作用。
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模推廣時可能遇到的問題。“下一步，分布式電源沿線幾十公里都要布局，如何開發沿線的可再生資源，從而實現集中供電，我們將通過示范工程一步步摸索。”
