能源轉型背景下石化行業充換電站建設的思考

關 宇 柴思遠

〔中國石化北京城區石油分公司 北京 100076〕

“十四五”時期是我國生態文明建設的關鍵時期,對石化能源的消費總量和強度進行雙重控制提出了更高的要求[1]。在此背景下,2022年1-6月,中國新能源汽車銷售量達到汽車銷售總量的21.6%,已超過《新能源汽車產業發展規劃》中提出的“十四五”末發展目標[2],新能源汽車對成品油的替代影響日益凸顯。據新能源汽車國家大數據平臺的數據顯示,2022年新能源汽車累計行駛里程為1 724.8億km,同比增長70.87%,相當于替代油品消費1 007 萬t。預計2025年新能源汽車保有量超過4 000萬輛,在汽車保有量中占比達12%,2030年保有量預計達到1.25億輛,在汽車保有量中占比達到31%。據此推算,2025年和2030年新能源汽車補能替代成品油規模分別在3 000萬t和9 000萬t左右。因此,合理安排轉型升級的節奏,把握業務間的轉換進度,加速新能源汽車加能站,尤其是充換電站的規劃布局應作為石化企業轉型發展重點關注和探討的課題。

1 充換電站市場預測及情景聚焦

1.1 充換電應用場景及需求分析

從電動汽車充電設施用戶使用類別來看,因電動汽車的用途不同,對應的充電樁類別也有較大區別。目前城市中電動汽車按用途可劃分為五大類:公交車、出租車、私家車、物流環衛車以及公務車。

1.1.1 公交車

此類電動車型的主要特點是行駛時間、路線較為固定,對每日的電力能耗可進行量化和預期。由于公交車運行的電力需求較高,其充電需求主要集中在日間非運用高峰時段的快速補電及夜間的集中充電,充電功率主要以快充(120 kW及以上)為主,慢充(20 kW及以下)為輔。

1.1.2 出租車

出租車的運營性質決定了該類車型每日的行駛路線、運行區域與充電時間具有較大隨機性,且一般由2人交接班保持車輛處于24 h不停運轉狀態,其充電需求與司機的吃飯、休息時間關系密切,充電功率主要以快充(60 kW及以上)和換電為主,少見慢充。

1.1.3 私家車

相較于出租車而言,私家車的應用場景較為固定,工作日的主要啟停地點為居住區和工作所在地,非工作日則主要集中在商超、居住區和公園等公共區域。因其每天的使用時間相對固定,對快充樁的需求相對較低,充電功率主要以慢充為主,應急快充為輔。

1.1.4 物流環衛車

電動物流環衛車與公交車特點相似,工作路線相對固定,時間比較確定而且較長,受影響較小,一般均在白天作業,夜晚休息,主要依靠環衛車?？奎c和物流轉運點進行充電,對充電功率要求較低。除作業強度較高的作業點外,充電功率主要以慢充為主。

1.1.5 公務車

考慮到當前新能源汽車的發展時間相較于傳統燃油車較短,其技術穩定性有待增強,目前以企業名義進行登記的公務用車新能源覆蓋率相對較低。通過對現有數據進行分析發現,除個別外出業務較多的企業外,公務用車的使用率普遍偏低,在無公務出行需求時車輛主要停放在單位的停車區域,為電能補給提供了大量的時間,對充電功率要求較低。

1.2 充換電站建設位置分析

由于電力系統和電動汽車的動力結構、補能方式和技術發展與加油站和燃油汽車存在較大差異,充換電站建設位置的規劃與加油站點的規劃存在顯著區別,主要表現在以下幾方面:一是由電力自身性質決定的,電力本身具有實時平衡性和不易儲存性,電力系統的總發電和總用電在同一時刻必須保持一致,而電動汽車的無序、大功率集中充電(充換電站內)對電網的安全穩定運行和調度平衡提出了新的挑戰[3];二是燃油車用戶的加油位置比較單一,在通過率較高的加油站用時一般不會超過5 min。而電動汽車的充電位置隨機性較強,同時充電方式上可以靈活選擇快充、慢充、換電等不同速率的充換電方式;三是充換電站的技術突破較為迅速,電池的容量、安全性等也越來越高,使得未來充換電站的發展方向存在相對不確定性。以上因素決定了電動汽車充換電站的規劃需要考慮更多的影響因素。

此外,充電樁建設位置的不同,同樣對電動汽車充電設施的利用率有較大影響。根據城市內充電設施利用率數據調研發現,在公園(包括便民綠地等)、綜合性商場(商圈)和帶充電樁的街道等場所,電動汽車充電設施利用率較高、快充使用時間占比較大;機場和醫院等類別利用率較低,快充使用時間占比較小;同時充電站內的充電樁利用率整體也高于零散充電樁利用率。據此,在充電設施選址時,應對周邊情況進行充分調研,著重考慮停車便利性、商圈輻射性、人流量等,采用科學的充電需求估計方法,從電動汽車和充電站兩方面出發,結合流體動力學交通模型、排隊論模型、時間序列分析模型等對充電車輛的到達率、服務率進行評估;在建設上,充換電站應采取多階段規劃的方法,充分利用投資的同時實現對動態充電需求變化的覆蓋[4]。

2 充換電網絡發展及經營模式

對石化企業而言,充換電站網絡發展應當予以高度重視,但當前機動車對傳統石化燃料的硬需求仍然存在,如何把握成品油銷售和充換電業務間的轉換是當前面臨的重點和難點。根據石化企業,尤其是油品銷售企業的經營現狀,對充換電站布局主要可分為三個方面,即在營加油站、關停閑置站庫以及社會土地資源。

2.1 在營加油站充電業務發展

隨著新能源汽車保有量的不斷提升,不可避免地造成加油站原有燃油車用戶的流失,部分網點的客流量大不如前,針對有條件的加油站布局快充充電樁可以較好地與加油站原有業務進行配套,吸引顧客回流。企業應充分利用加油站已有營業室等室內資源,在充電基礎上配套包括但不限于洗手間、休息室、便利店、汽服維修等綜合業態,將加油站升級為多功能、多服務的綜合加能站。

2.2 關停閑置庫站充換電業務發展

因城市規劃、地方建設等問題部分關停、閑置的石油庫和加油站擁有較為豐富的土地資源,可在此基礎上對原有場地和建筑進行綜合改造,聯合新能源車企共同開發,打造新能源汽車大型綜合服務體。涉及業態包括充換電、新能源汽車銷售、餐飲服務、汽車服務、休閑服務、生活服務等。

2.3 利用社會土地資源發展充換電業務

充分利用大型商圈的聚集效應,依托已有停車場進行改造升級。針對公園類、綜合性商場和街道等場所的電動汽車充電設施利用率較高、快充使用時間占比較大的特點進行重點布局,深入挖掘潛在商業價值,配套自動售貨機、售賣亭等便民設施,打造品牌影響力和認同感,提升企業形象,為未來企業的轉型發展打造社會基礎。

3 充換電站站點安全管理

安全管理作為石化企業的重中之重,在充換電站建設發展方面具備著先天的意識優勢、制度優勢和文化優勢。從電動汽車的事故報道來看,目前充換電站主要面臨的安全風險為電動汽車鋰電池的爆燃風險。作為電動汽車唯一的動力來源,鋰電池的技術發展尚未完善,在受到溫濕度變化、自身設計缺陷或外部撞擊等因素的影響下,鋰電池由于其自身元素的不穩定性將會出現燃燒、爆炸等情況,進而導致整車起火事故。因此,電動汽車充換電業務的安全風險及其與目前油、氣、氫等業務相結合所帶來的疊加風險亟需深入研究,為石化企業能源轉型發展過程中涉及的安全、環保、消防和應急管理等方面提供新思路。

3.1 面臨的主要安全問題

(1)電池本身存在問題。鋰電池在使用過程中會因使用時長、使用環境的不同不斷發生性能變化,其安全性能(耐熱、耐過充性能等)也會隨之變化。同時每顆電池因排布位置不同產生性能、性狀上的不一致也會隨著時間進程不斷累積,進而降低整個電池系統的可靠性和安全性。

(2)電池管理系統可能存在問題。除電池本身存在的問題外,電池管理系統同樣是引發安全問題的一大因素,涉及到電動汽車廠商的智能系統設計、電池與車輛系統的適配度以及用戶在使用電動汽車過程中的人車交互等。因此,更好的電池管理對基于整車的安全管理系統提出了更高的要求。

(3)電池和電池組性能參數檢測的有效性和可靠性有限,受到系統中傳感器數量和布局的影響。

(4)其他如儲能系統缺乏致災危害評估、電池組管理硬件安全響應的及時性不能保證等,一旦故障發生,管控硬件如何聯動,如何配合都會影響充換電站點的安全。

3.2 安全措施及建議

(1)制定專項應急預案。針對電動汽車起火燃爆的特性,結合站點本身的消防要求,制定專項應急響應和預案。

(2)提高夏季防護等級。6～8月是電動車輛起火的高發期,特別是要針對高溫地區,結合氣象部門高溫及火險預警來加強管理。

(3)減少車輛充電后滯留。一些電動車在充電后把車輛繼續停留在站內,車輛在快充、超充之后的情況下,電池不穩定性提高,更易發生起火情況,風險較大。

(4)控制服務范圍。質量良好的電池和車輛系統能最大限度地減少起火事故發生。充換電站點運營過程中要對高風險車型進行重點監控,如老舊電動車、油改電車、箱式貨車、設計缺陷類電車、統計事故多或比例高的車型。

(5)配備防火隔擋器材和專用滅火器。電動汽車鋰電池起火初期可使用二氧化碳或干粉滅火器對火勢進行控制。當火勢較大、起火點難以施救時可通過絕熱阻燃材料對事故進行硬隔離,防止引燃其他車輛,造成事態蔓延擴大。

(6)增加熱檢測或物質檢測技術。電池起火早期會產生大量高熱氣體,可利用熱感應或物質檢測技術實現實時監測,傳感報警。同時充換電站應設置值班點人員應急值守,收到預警信息時應采取合適的措施控制火災或減少損失,對加油站防火安全和財產安全非常重要。

(7)充電樁選址要求。加油站內設置充電樁時應充分考慮充電需求、車輛通過需求、電力增容可行性以及應急處置便利性。加油站內增加充電樁,要優先選擇面積和安全距離較大的站點。

4 結束語

本文從發展背景及規模、充換電市場需求分析、發展經營模式及安全管理方面綜合討論了石化企業對城市內充換電站的布局規劃,重點討論了不同用戶群體在不同情境下的充換電站站點選擇和經營管理,為加速布局綜合加能站點建設和企業轉型發展提出了建設性意見。