Стратегии интеграции возобновляемых источников энергии в транспортные объекты

Растущий императив для возобновляемой энергии в транзитных центрах

Транспортные объекты - аэропорты, железнодорожные станции, автобусные депо, порты и грузовые терминалы - являются одними из крупнейших потребителей энергии в построенной среде. Они работают 24/7 для питания освещения, HVAC, эскалаторов, систем безопасности и инфраструктуры зарядки электромобилей. По мере усиления глобального давления на декарбонизацию эти центры становятся основными кандидатами на производство возобновляемой энергии на месте. Интеграция чистой энергии не только снижает эксплуатационные расходы, но и изолирует объекты от неустойчивых цен на ископаемое топливо, повышает устойчивость сетей и согласуется с целями корпоративной устойчивости. В этой статье рассматриваются наиболее эффективные стратегии для внедрения возобновляемых источников энергии в транспортную инфраструктуру, от солнечной и ветровой до систем хранения и интеллектуального управления.

Солнечная электростанция

Фотоэлектрические (PV) системы остаются наиболее широко распространенными возобновляемыми технологиями на транспортных объектах из-за их масштабируемости, снижения затрат и совместимости с существующими построенными поверхностями. Например, аэропорты часто обладают огромными участками неиспользуемой земли вокруг взлетно-посадочных полос, парковок и крыш терминалов - все идеально подходит для солнечных батарей.

Крыша и парковка Canopy Solar

Установка фотоэлектрических панелей на крышах терминалов, ангарных крышах и гаражах превращает в противном случае простаивающее пространство в энергогенерирующие активы. Станция навеса для парковки — где панели установлены на конструкциях, покрывающих парковки — служит двойным целям: генерирование электроэнергии и обеспечение тени для транспортных средств. Растущее число европейских и американских аэропортов развернуло системы навеса в мегаваттном масштабе. Например, Международный аэропорт Индианаполиса установил солнечную ферму мощностью 12,5 МВт на закрытой свалке, в то время как Международный аэропорт Денвера [FLT: 2] управляет массивом на крыше мощностью 1,6 МВт и отдельной системой наземного монтажа мощностью 1,5 МВт. На железнодорожных станциях солнечные панели могут быть интегрированы в навесы платформ или конструкции на крыше. Станция Каназава [FLT: 4] В Японии есть большой навес из стекла и фотоэлектрического оборудования, который обеспечивает значительную часть дневного электричества станции.

Интегрированная фотоэлектрическая система (BIPV)

Технологии BIPV — такие как солнечные фасады, солнечное стекло и солнечная черепица — позволяют транспортным зданиям генерировать энергию, не жертвуя архитектурной эстетикой. Несколько аэропортов экспериментировали с BIPV в терминальном остеклении. Эти системы менее эффективны, чем обычные панели, но компенсируют стоимость традиционных строительных материалов. В Европе аэропорт Амстердама Схипхол интегрировал BIPV в свои новые расширения терминала, захватывая солнечную энергию при сохранении естественного дневного освещения.

Наземные солнечные фермы

Когда земля доступна, наземные солнечные фермы предлагают самую низкую стоимость за ватт и самое простое обслуживание. Многие аэропорты разработали солнечные фермы на буферных зонах, травянистых районах или списанных взлетно-посадочных полосах. Например, Albuquerque International Sunport[1] арендует 200 акров для солнечной фермы мощностью 9 МВт, которая компенсирует почти 40% использования электроэнергии в аэропорту. Такие проекты часто включают соглашения о покупке электроэнергии (PPA) со сторонними разработчиками, требующие нулевого авансового капитала от транзитного органа.

Солнечные навесы для зарядки электромобилей

По мере ускорения электрификации транспорта солнечные навесы, интегрированные с зарядными станциями EV, создают мощную синергию. Долгосрочные парковки в аэропортах, парки и автостоянки на железнодорожных станциях и парковочные места для автобусных депо могут размещать зарядные узлы на солнечных батареях. Эти системы снижают нагрузку на сеть и обеспечивают возобновляемые электроны непосредственно для электромобилей. Такие компании, как SolarEdge и EVgo , сотрудничают с транзитными агентствами для развертывания такой инфраструктуры.

Использование энергии ветра

В то время как солнечная энергия доминирует, энергия ветра может дополнять возобновляемую смесь, особенно в прибрежных или открытых местах, где преобладают постоянные ветры. В отличие от крупных турбин коммунального масштаба, транспортные средства обычно развертывают турбины малого масштаба (до 100 кВт) или среднего масштаба (100-500 кВт).

Маленькие ветровые турбины на структурах

Вертикальные осевы ветровых турбин (VAWT) особенно подходят для городских и пригородных транзитных узлов, потому что они тише, вибрируют меньше и могут захватывать ветер с любого направления. Некоторые железнодорожные станции установили VAWT на башенных конструкциях или интегрировали их в конструкции мостов. Hauptbahnhof Berlin (Центральный вокзал Берлина) включает в себя несколько небольших турбин на его крыше, что обеспечивает скромную, но символическую долю мощности станции. Более амбициозные проекты, такие как King's Cross Central Development в Лондоне, включают в себя встроенные в здание ветровые турбины, которые питают районную энергетическую систему.

Оффшорный ветер для портовых сооружений

Порты и морские терминалы имеют естественное преимущество для интеграции оффшорного ветра. Они могут покупать электроэнергию непосредственно у морских ветровых электростанций через PPA или устанавливать турбины на волнорезы и пирсы. Порт Роттердама имеет агрессивные планы стать крупным морским ветровым узлом, используя турбинные фундаменты в качестве источников энергии для портовых операций. В Соединенных Штатах Порт Лос-Анджелеса оценивает оффшорный ветер для питания своих программ электрификации терминала.

Решения для хранения энергии

Возобновляемые источники по своей природе являются прерывистыми, что делает хранение энергии критически важным спутником для любого транзитного объекта, стремящегося к высокому проникновению возобновляемых источников. Без хранения объект может по-прежнему полагаться на сетевое электричество, когда солнце не светит или ветер не дует.

Литий-ионные аккумуляторные системы

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторные банки являются наиболее распространенным решением для хранения сегодня. Они могут быть размещены в контейнерах на парковках, в подвалах или на крышах. Эти системы обеспечивают быстрое время отклика для регулирования частоты и могут перемещать солнечную генерацию с полуденного до вечернего пикового времени. В международном аэропорту Сан-Франциско установлена литий-ионная система мощностью 2,7 МВт / 5,4 МВтч для поддержки своего портфеля возобновляемых источников энергии и снижения заряда спроса. Для автобусных депо аккумуляторное хранилище может буферизировать зарядные нагрузки высокой мощности электрических автобусов, позволяя меньшим солнечным батареям обслуживать больший парк.

Потоковые батареи и альтернативные технологии

Для более длительного хранения (4-12 часов) ванадиевые окислительно-восстановительные аккумуляторы обеспечивают преимущества в жизни и безопасности цикла, хотя и при более высоких первоначальных затратах. Несколько железнодорожных операторов в Японии и Германии тестируют проточные аккумуляторы в сочетании с солнечными батареями в масштабе станции. Сжатое хранение энергии воздуха (CAES) и хранение водорода также изучаются для очень крупных объектов, таких как аэропорты с многодневными резервными требованиями.

Сетевое интерактивное хранение и управление спросом

Умные системы хранения могут участвовать в программах реагирования на спрос, продавая избыточную накопленную энергию обратно в сеть в пиковые времена. Транспортные средства с их высоким потреблением базовой нагрузки являются идеальными активами реагирования на спрос. Управление транспорта залива Массачусетс (FLT: 1) использует комбинацию солнечной энергии плюс хранение на нескольких пригородных железнодорожных станциях, чтобы снизить максимальные затраты на спрос более чем на 30%.

Геотермальные и другие возобновляемые технологии

Помимо солнечной и ветровой энергии, транспортные средства могут использовать геотермальные тепловые насосы для кондиционирования помещений. Эти системы используют стабильную подземную температуру для нагрева и охлаждения терминалов, снижая спрос на электроэнергию по сравнению с обычными HVAC. Международный аэропорт Портленда установил крупномасштабную систему наземного теплового насоса, которая обеспечивает значительную часть его тепловой и охлаждающей нагрузки. В более холодном климате геотермальные могут снизить потребление природного газа для отопления пассажирских зон ожидания.

Биомасса и биогаз редко используются в транспортных узлах из-за ограничений пространства и обращения с топливом, но некоторые автобусные депо экспериментировали с биометаном из отходов в автобусы с СПГ. Гидроэнергетика, как правило, слишком специфична для большинства объектов, хотя каналы вблизи аэропортов использовались для низкотопливной гидроэнергетики в редких случаях.

Интегрированные системы управления энергией (EMS)

Истинная ценность возобновляемой генерации и хранения реализуется только тогда, когда весь энергетический ландшафт управляется разумно. Современные платформы EMS используют машинное обучение для прогнозирования солнечной и ветровой выработки, прогнозирования нагрузки на объект и автоматического отправки хранения. Эти системы также могут заряжать электромобили только тогда, когда возобновляемая генерация в изобилии, организовывать точки HVAC и общаться с сетью коммунальных услуг для реагирования на спрос.

Например, в международном аэропорту Денвера работает микросеть, которая координирует свои солнечные батареи, аккумуляторные батареи и резервные генераторы для обеспечения нормальной работы и аварийной мощности. Такие микросети могут выходить из основной сети во время отключений, обеспечивая работу критически важных транспортных функций. Международный аэропорт Лос-Анджелеса [FLT: 2] разрабатывает «умный энергетический хаб», который объединяет 30 МВт солнечной энергии, 30 МВт хранения и тысячи зарядных устройств EV под единой системой управления.

Политика и стимулирующие рамки

Интеграция возобновляемых источников энергии в транспортные объекты в значительной степени зависит от политики. Федеральные и государственные стимулы в Соединенных Штатах, такие как инвестиционный налоговый кредит (ITC) для солнечной энергии, производственный налоговый кредит (PTC) для ветра и гранты Федерального управления транзита (FTA) и Департамента энергетики (FLT: 2) снижают капитальные затраты. Многие штаты предлагают чистый учет или виртуальный чистый учет, который зачисляет избыточную генерацию по розничным ставкам - необходимы для объектов, которые генерируют больше энергии, чем они потребляют в определенное время.

Программа стимулирования самогенерации Калифорнии (FLT:1) (SGIP) финансировала хранение аккумуляторов в нескольких транзитных агентствах. В Европейском союзе (FLT:2) Recovery and Resilience Facility Facility (FLT:3)) предоставляет миллиарды для зеленой транспортной инфраструктуры. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) (FLT:4) опубликовало руководящие принципы для интеграции возобновляемых источников энергии в транспортные объекты. Партнерства с коммунальными компаниями также могут разблокировать специальные тарифы или соглашения о производстве на месте.

Критически важно, что новые строительные нормы все чаще требуют возобновляемой генерации на месте для крупных зданий. Стандарты энергоэффективности зданий 2025 года Калифорнийской энергетической комиссии подталкивают терминалы аэропортов и транзитные станции к чистой энергии с нулевым энергопотреблением, ускоряя установки.

Тематические исследования в области возобновляемых источников энергии

Международный аэропорт Денвера (DIA)

DIA является мировым лидером в области возобновляемых источников энергии в аэропортах. Его солнечная ферма мощностью 16 МВт (завершена в 2023 году) охватывает 50 акров и обеспечивает почти 40% операций терминала. В сочетании с 8 МВт-ч литий-ионного хранилища, ветровой турбиной мощностью 1 МВт и контроллером микросетей DIA добилась снижения выбросов парниковых газов на 25% с 2010 года. Аэропорт планирует достичь чистого нуля к 2040 году, в значительной степени полагаясь на расширенные солнечные и геотермальные.

Транспортное агентство SunLine (Калифорния)

Этот автобусный депо в Thousand Palms, Калифорния, управляет одной из крупнейших систем хранения солнечной энергии на транзитном объекте в США. Солнечный навес мощностью 1,5 МВт над верфью технического обслуживания обеспечивает 80% электроэнергии объекта, в то время как батарея мощностью 1 МВт / 4 МВтч хранит избыточную энергию для зарядки ночного автобуса. SunLine также использует водородные топливные элементы для своего автобусного парка, что делает его витриной с нулевым уровнем выбросов.

Eurostar в Лондоне, St. Pancras International

В 2022 году историческая станция Сент-Панкрас интегрировала фотоэлектрические панели в свою викторианскую структуру крыши (установка BIPV, чувствительная к наследию). Массив мощностью 300 кВт обеспечивает около 10% электроэнергии станции, и проект получил награду RIBA за превосходство в дизайне. Станция также закупает 100% возобновляемую электроэнергию от ветровых электростанций за пределами площадки под PPA.

Проблемы и стратегии смягчения

Несмотря на значительные преимущества, необходимо устранить ряд препятствий:

  • Прерывность и надежность: Солнечная энергия и ветер переменные. Смягчение включает в себя сопряжение с хранением, диверсификацию возобновляемых источников (солнечный + ветровой + геотермальный) и поддержание сетевого соединения. Объекты также могут использовать гибкие по требованию нагрузки (например, сменная зарядка HVAC или EV) для соответствия возобновляемой генерации.
  • Космические ограничения: Городские транзитные узлы часто не имеют крыши или земельной площади. Решения включают в себя внешние солнечные фермы (общинные солнечные), низкопрофильные крыши навесов и вертикальные ветряные турбины. Творческое использование воздушного пространства над путями или взлетно-посадочными полосами изучается с помощью солнечных структур «ткани напряжения».
  • Первоначальные капитальные затраты: Хотя LCOE для солнечной энергии в настоящее время ниже, чем для электросети, первоначальные затраты остаются препятствием. Варианты включают PPA (без первоначальных затрат на объект), зеленые облигации, соглашения об услугах коммунальных услуг и государственные гранты. Многие агентства сообщают о сроках окупаемости 5-10 лет.
  • Регулятивные и проблемы безопасности: Аэропорты имеют строгие ограничения по высоте и бликовым лучам для солнечных панелей. Оттенковое стекло или антибликовые покрытия могут смягчать блики. Ветровые турбины вблизи траекторий полета требуют тщательного сидения. Для таких установок существуют руководящие принципы OFGEM и FAA.
  • Техническое обслуживание и эксплуатационная сложность: Возобновляемые системы добавляют новые потребности в техническом обслуживании. Заключение контрактов с опытными поставщиками O&M и использование удаленного мониторинга могут обеспечить управляемость затрат. Объекты должны планировать циклы удаления снега, очистки панелей и замены батарей.

Будущие тенденции и новые технологии

Следующее десятилетие обещает более глубокую интеграцию между транспортом и возобновляемыми источниками энергии.

  • Интеграция между транспортными средствами (V2G): Электрические автобусы и трансферы из аэропорта с двунаправленной зарядкой могут выступать в качестве мобильного хранилища, выгружая энергию обратно на объект в пиковые периоды. Пилотные программы в Университете штата Делавэр и UPS продемонстрировали жизнеспособность V2G.
  • Водородные топливные элементы для резервного и сверхмощного применения:] Несколько аэропортов тестируют водородные топливные элементы в качестве резервной мощности для наземного вспомогательного оборудования и для питания тяжелых грузовиков. Избыток возобновляемой энергии может быть преобразован в зеленый водород посредством электролиза, сохранен и использован при необходимости.
  • Искусственный интеллект для прогнозирования управления энергией: Модели машинного обучения, которые объединяют прогнозы погоды, данные о занятости и цены на энергию в реальном времени, оптимизируют время зарядки батарей, переключения нагрузок или продажи электроэнергии в сеть.
  • Интегрированный в строительство возобновляемый текстиль: Гибкие тонкопленочные солнечные элементы могут быть встроены в тканевые навесы, убирающиеся навесы и даже ленты для багажных конвейеров — футуристическое, но правдоподобное расширение.
  • Системы масштаба сообщества: Транзитные хабы могут стать якорными арендаторами местных возобновляемых микросетей, которые питают близлежащие районы, способствуя государственно-частному партнерству, которое ускоряет переход на энергию.

Заключение

Интеграция возобновляемых источников энергии в транспортные объекты больше не является нишевым экспериментом — это проверенная, экономически эффективная стратегия сокращения выбросов, повышения энергетической безопасности и достижения целей в области устойчивого развития. От обширных солнечных ферм в аэропортах до интеллектуальных складов на автобусных депо технологии зрелые и экономика благоприятна. По мере укрепления политической поддержки и продолжения инноваций эти объекты будут развиваться от пассивных потребителей энергии в активные интеллектуальные узлы в сети чистой энергии. Планировщики транспорта, руководители объектов и политики должны воспользоваться возможностью сейчас для будущего, чтобы защитить свою инфраструктуру для декарбонизированного мира.

Для дальнейшего чтения посетите страницу NREL Transportation Energy , раздел IRENA Transport and Renewables и DOE Sustainable Transportation.