電氣化公路可行性分析

李婷

北京市常青市政工程有限公司 北京 100036

電氣化公路項目是近年來備受關注的一項新興領域。隨著城市化進程和交通問題的加劇，傳統公路交通面臨著諸多挑戰，例如交通擁堵、環境污染和能源消耗等[1-2]。為了解決這些問題，并促進可持續發展，電氣化公路項目應運而生。目前行業內如交通運輸部科學研究院、交通運輸部公路科學研究院、中交第一公路勘察設計研究院、中交集團車輛公司、湖南省株洲市中車株洲電力機車研究所等均有相關團隊正在逐步開展相關項目的可行性研究，一些產品如中車“天行”電氣化公路也取得了重要進展。本文對目前研究情況進行分析，以期更全面掌握了解電氣化公路發展的前景及可行性。

1 電氣化公路必要性分析

1.1 電氣化公路定義

電氣化公路 ( Electric Highway，簡稱 eHighway)的概念最早由德國西門子公司于2010年提出[3-4]。電氣化公路是指利用電力技術對公路進行供電，使汽車能夠通過電源直接充電運行的道路。其原理是通過架（埋）設在公路上的導電線圈，將電能傳送到車輛的發動機或電池中，從而驅動汽車行駛。電氣化公路的核心是電力供應系統。這個系統由供電設備、電力導線和監控系統組成。電力導線將電能傳輸到感應器，感應器再將電能傳遞給道路上的電動車輛。供電設備則負責提供穩定而安全的電力供應，而監控系統則可以實時監測電力供應的情況，確保整個系統的正常運行。

1.2 電氣化公路原理

作為電氣化公路的建設背景而言，還要了解電氣化公路的工作原理。經查閱相關資料后，目前行業內普遍認為：

電氣化公路是指利用電力技術對公路進行供電，使汽車能夠通過電源直接充電運行的道路。電氣化公路運輸系統詳見圖1，其原理是通過架（埋）設在公路上的導電線圈，將電能傳送到車輛的發動機或電池中，從而驅動汽車行駛。

圖1 電氣化公路運輸系統

電氣化公路的核心是電力供應系統。這個系統由供電設備、電力導線和監控系統組成。電力導線將電能傳輸到感應器，感應器再將電能傳遞給道路上的電動車輛。供電設備則負責提供穩定而安全的電力供應，而監控系統則可以實時監測電力供應的情況，確保整個系統的正常運行。

同時電氣化公路要明確是公路的電氣化，從而帶動運輸工具的電氣化，而不是根據運輸工具的電氣化反過來讓公路適應。在此前提下，公路行業首先要從工程建設方面建立幾個重大且明確的技術標準規范，如：路面寬度還是否采用現有的技術標準，由于電氣化運輸是線狀，相似于電氣化鐵路，可將貨物裝用采用長條形，減少車輪橫向距和路面寬度，通過增長貨車的長度來提高載貨能力，從而減少路面寬度大大節約公路造價，才具有可實施性。

1.3 必要性分析

通過研究電氣化公路項目，特別是重型貨車的電氣化運營進行可行性研究，以評估其技術、經濟、社會和環境等方面的可行性。通過分析相關數據和信息，應全面探討電氣化公路項目的潛在優勢和可能的挑戰，為決策者和利益相關者提供可靠的參考。

電氣化公路作為一種創新的技術解決方案，旨在為電動車提供持續、便捷的充電服務，以進一步推動新能源汽車的普及和應用。其主要目的包括：

（1）解決充電基礎設施不足的問題

電動車的續航里程是用戶購買和使用電動車的重要考慮因素之一。由于目前充電樁分布不均，許多城市和居民區缺乏充電設施，導致電動車的充電困難。電氣化公路能夠通過在道路上嵌入電力導線，實現在行駛過程中對電動車進行無線充電，有效解決了充電基礎設施不足的問題。

（2）減少充電時間，提高用戶體驗

傳統的插座充電方式需要較長的充電時間，且需要用戶手動操作。而電氣化公路采用無線充電技術，可以在行駛過程中對電動車進行充電，極大地縮短了充電時間，提高了用戶的便利性和體驗。

（3）降低能源消耗和碳排放

電氣化公路的充電系統可以通過布置在道路上的電力導線為電動車提供持續供電，減少了電動車需要攜帶大容量電池的需求。這不僅減輕了電動車的整體重量，提高了能源利用效率，還有助于減少電池材料的消耗和廢棄物的產生，從而降低了能源消耗和碳排放。

（4）促進新能源汽車產業發展

電氣化公路作為一項關鍵的基礎設施建設項目，對于推進新能源汽車產業的發展具有重要意義。其建設將帶動充電設施制造、電動車輛生產以及相關配套產業的發展，形成完善的產業鏈條和就業機會。

綜上所述，電氣化公路作為一種解決新能源汽車充電難題的技術創新，旨在提供持續、便捷的充電服務，當前根據現實情況推動普及和發展的舉措就是重型貨車的電氣化，通過解決充電基礎設施不足、減少充電時間、降低能源消耗和碳排放等問題，電氣化公路具有預期的應用潛力和推廣價值。其建設將進一步促進新能源汽車產業的發展，推動交通行業的綠色轉型，為實現可持續發展做出貢獻。

2 電氣化公路可行性分析

2.1 概述

電氣化公路解決的問題不僅僅是碳排放的問題，作為近年來備受關注的一項新興領域。隨著我國經濟重心向內循環轉移，城市化進程和交通問題的加劇，傳統公路交通面臨著諸多挑戰，例如交通擁堵、環境污染、化石能源進口依賴度高、電力能源供給和消耗地域差異大等特點。為了解決這些問題，并促進可持續高質量發展，電氣化公路項目是可行的解決方法之一。

同時電氣化公路被認為是推動電動車普及的重要手段之一。除了貨運電動車，在乘用車方面電動車也有電氣化發展的可能。傳統電動車由于電池容量有限，充電樁數量有限，且需要停車充電，且大面積的充電設施配套，占用大量的土地資源，特別在城市發展空間也相當飽和的情況下，也帶來諸如消防安全隱患、擠占停車位、不利于電動車的普及。而電氣化公路則可以實現無縫供電，讓電動車無需擔心續航問題，從而更大程度促進了電動車的普及，擴大了其發展空間。

2.2 技術情況分析

電氣化公路是路網、電網、車網“三網”深度融合的集中典范，讓車路電協同更立體。然而電氣化公路不僅是“三網”融合，還要囊括公路特別是高速公路的自有的通信網，充分挖掘現有設施的發展潛力。從山東公路特別是高速建設近期及以后建設模式看，依托高速公路同步建設光伏等新能源實現高速公路網與綠色能源網融合已邁出實質性的步伐，近期即將通車的濟南至濰坊高速公路是很好的實例，光伏發電除自用外剩余并網并通過其它措施達到運營期“碳中和”即“零碳高速”。

從技術架構看，電氣化公路總體由公路系統、供電系統和受電車輛系統三部分構成，三個系統需要加強協作、協調配合。公路系統的標志立柱及面板等對供電系統布設制約較大，可能需要較大、全面的改造和投入。供電系統尤其是接觸網等不能進入公路凈空限界（大致范圍是路幅寬度及之上高度5m構成的空間范圍），以保障車輛通行安全，這是國家“強條”，同時要考慮接觸網等穿越上跨構造物（橋小凈空一般僅滿足5m要求）且不規律分布這個現實。關于受電車輛，受電車輛離開電網大約可行駛30-50km，很難達到“門到門”運輸，如再裝卸一次，費用增加、時間延長，優勢就不明顯、競爭力弱了。應研究牽引車頭，在場地內采用甩掛運輸的方式更換車廂，提高效率、避免貨物裝卸。

電氣化公路不僅是技術問題，更是各部門協調與合作的問題。因此，推動技術進步的同時，積極協調各部門參與是至關重要的。

2.3 經濟和社會性分析

2.3.1 經濟性分析

僅考慮能源消耗成本，電氣化公路汽車運輸成本比柴油和蓄電池汽車分別降低53%和55%。在不考慮供配電設施建設成本、購車新增費用和車輛折舊條件下，電氣化公路車輛相比柴油車增加了少量電池及電力驅動系統，相比蓄電池車大幅減少電池重量，在總質量一定的前提下，其載質量介于柴油車和蓄電池車輛之間。在電氣化高速公路上行駛的電力汽車能耗費用不超過普通燃油汽車能耗費用的 1/2。在考慮電氣化公路建設成本增加因素的情況下，電力汽車在電氣化高速公路上行駛的能耗加上建設成本的分攤，仍然小于普通高速公路上燃油汽車運行成本的一半。至于電力汽車的制造成本，雖然增加了安裝集電器的成本，但當采用“電網集電+儲能電池”模式時，只需要電動機，省去了內燃機，而且傳動機構大為簡化，因而汽車制造成本可以比燃油汽車低。

與換電和氫燃料電池相比，電氣化公路方案省去了充放電或制氫/發電環節，電能利用效率極大提高，避免了大容量電池或儲氫及氫燃料電池系統的使用，減少整備質量，提高貨物運輸的經濟性。公路沿線的風力發電、光伏發電等可直接接入電氣化公路供電網，既為貨運車輛提供綠色的能量來源，又有助于新能源的消納。若考慮在公路沿線布置太陽能發電，按照線路供電功率1MW/km，光伏板發電功率200 W/m2計算，僅需在公路邊坡布置寬度為5 m的光伏板即可滿足車輛行駛的全部功率需求，實現“零碳”公路。

與電氣化鐵路不同的是，電氣化公路沒有固定軌道，公路路面可能存在路面不平整的情況，因此在車輛行駛過程中，受電弓需要對車輛走行偏移進行補償，并且雙極受電弓運行也比鐵路單極受電弓運行更有難度，這些都對應用于電氣化公路的受電弓提出了更高研發，但暫無成熟的技術方案。與換電站和加氫站相比，電氣化公路供電線路的運營成本較低，但供電線路的建設成本依然很高。

2.3.2 社會性分析

電氣化公路與節能降碳是應對氣候變化和保護環境的重要措施。電氣化公路通過提供充電基礎設施、促進電動汽車的普及等方式，減少能源消耗和碳排放。北京地區的電動公交車，通過建設電氣化公路充電站和智能充電樁，為電動公交車提供便捷的充電服務。這些舉措有效地減少了傳統公交車的尾氣排放和碳排放，改善了城市空氣質量。德國在部分高速公路上實施了電氣化公路項目，為電動卡車提供電力供應。這些電氣化公路系統通過架設電纜和起重裝置，為電動卡車提供連續供電，減少了傳統卡車的燃油消耗和碳排放。然而，電氣化公路面臨基礎設施建設、技術支持、經濟成本和社會接受度等方面的挑戰，需要政府、企業和社會共同努力，推動電氣化公路的發展與應用，實現可持續發展和環境保護的目標。

3 結論和建議

電氣化公路具有一定的前景，技術上預期能夠實現，效益分析顯示基本能夠支撐項目開展，具有一定的可行性。建議如下：

1)不難發現公路電氣化，在目前階段應從貨運作為突破口，在實施步驟的宏觀策略應分近期目標和遠景目標，分步分階段循序漸進實施；在道路設施方面盡快出臺相關頂層標準文件；運輸工作方面將傳統的燃油動力驅動的貨運車輛轉變為以電力驅動的車輛的技術指標要盡快明確。

2)補充完善相關的內容。電氣化公路項目的成本效益分析對于評估其可行性至關重要。決策者、投資者應以長期眼光看待該項目，通過合理的商業模式和收費機制，確保項目的可持續發展和穩定利潤。具體還應對如下7個方面開展進一步分析研究:

①資金籌措計劃：為了實施電氣化公路項目，需要制定詳細的資金籌措計劃。可以考慮政府撥款、投資者合作、貸款和銷售收入等多種方式來籌措資金。

②環境影響評價：電氣化公路項目對環境的影響是必須考慮的因素之一。需要評估項目對土地利用、水資源、生態系統和噪音等方面的影響，并提出相應的減輕措施，以保護環境。

③社會影響評價：電氣化公路項目對社會的影響也需要進行評價。需要考慮到項目對交通流量、道路安全、就業機會和城市發展等方面的影響，并提出相應的改進方案。

④風險分析與管理：對電氣化公路項目的風險進行分析和管理是保證項目順利實施的關鍵。需要識別潛在的風險，制定相應的應對措施，并建立有效的監測和管理機制。

⑤工程進度計劃：為了保證電氣化公路項目按時完成，需要制定詳細的工程進度計劃。包括項目的各個階段、關鍵節點和里程碑的時間安排，并協調各方合作，確保項目的推進。

⑥組織架構和人力資源：為了有效管理電氣化公路項目，需要建立合適的組織架構和配置足夠的人力資源。包括確定項目團隊的組成、職責分工和溝通協調機制，以確保項目的順利進行。

⑦監測與評估：在電氣化公路項目實施過程中，需要進行監測和評估，以確保項目的進展和效果。包括對充電設備的運行情況進行監測、對道路使用情況進行評估等。

3)把握公路貨運電氣化的發展趨勢。

①技術進步和成本下降：隨著電動汽車技術的不斷進步和成本的逐漸下降，電動貨運車輛的性能和可靠性將得到顯著提升。同時，隨著電池技術和充電設施的不斷改進，電動貨運車輛的續航里程和充電速度也將得到改善。

②政策支持和法規推動：為了應對氣候變化和環境污染等問題，許多國家和地區已經出臺了鼓勵電動車輛使用的政策和法規。例如，一些國家提供購車補貼和稅收優惠，以鼓勵企業和個人購買和使用電動貨運車輛。這些政策的出臺將進一步推動公路貨運電氣化的發展。

③綠色供應鏈和企業社會責任：越來越多的企業將綠色供應鏈和環保理念作為企業社會責任的一部分。采用電動貨運車輛可以提高企業形象，并滿足消費者對環保產品的需求。因此，隨著企業對可持續發展的關注度增加，公路貨運電氣化將成為供應鏈管理的重要組成部分。

④可再生能源利用：公路貨運電氣化的另一個重要趨勢是與可再生能源的結合。通過將電動貨運車輛與太陽能、風能等可再生能源系統相結合，可以實現真正的零排放運輸。這不僅有助于減少碳排放，還可以降低運營成本。

⑤貨物要求：電氣化公路對于貨物運輸的種類、包裝、貯存等方面的特殊要求。

⑥依托工程驗證：可選擇專用的貨運通道或運輸專線進行驗證性工程試驗，探索總結建設經驗，特別是能比較準確反映電氣化公路的經濟性。