美国能源部：2021超级高铁技术（Hyperloop）对电网和交通能源的影响研究报告

超环路效应技术平台电网与交通运输能源 2021年1月 华盛顿，D.C. 20585 免责声明 本报告是根据美国政府机构赞助的工作而编制的。美国联邦政府、其任何机构或任何员工，均不对所提供信息的准确性、完整性或实用性作出明示或默示的保证，也不承担任何法律上的责任或义务。此处对任何特定商业产品、工艺或服务的提及，无论是通过贸易名称、商标、制造商或其他方式，都不必然构成或意味着美国联邦政府或其任何机构对其的认可、推荐或偏好。本报告中作者所表达的观点和意见，不一定代表美国联邦政府或其任何机构的观点。 [本页有意留空] 执行摘要 超回路技术，最初于2013年提出，作为一种创新的中短途或城际旅行方式，现在正由多家公司进行开发。支持者指出，该技术对乘客旅行和货物运输都具有潜在的好处，包括节省时间、便利性、服务质量，在某些情况下，还能提高能源效率。由于该系统由电力驱动，其与电网的接口可能需要包括储能策略在内的策略。在某些情况下，增加的基础设施可能为将超回路系统与可变能源资源整合，从而实现电网范围内的系统效益提供机会。 美国能源部（DOE）对潜在电网和能源效率影响的分析基于概念数据，这些数据来源于公开来源或由开发商提供，以及交通能源使用数据。此外，DOE还依赖美国国家航空航天局、沃尔佩交通中心和美国交通部对超回路系统的研究。电网影响建模由美国能源部太平洋西北国家实验室进行，使用美国三个地区的电网表示。 与概念论文中找到的信息一致，DOE的分析假定一个超环系统典型的旅行距离将在“城际”范围内，即介于100到1,000英里之间。数据显示，城际市场中的能源使用约占美国总交通能源使用的30%。 电网潜在影响 美国能源部的研究模型发现，一个运行中的超高速列车系统的能源和电力需求将是显著的。支持一个中型超高速列车系统在24小时内的电量需求可能在每天500至600兆瓦时（MWh）之间，用于载人旅行；而重载货物运输可能高达每天1,900兆瓦时。峰值电力需求可能在载人系统中为100至600兆瓦（MW），而重载货运系统可能高达2,000兆瓦。 虽然所需的能量量将会是显著的，但它很可能会在大多数发电和输电网络的运行能力范围内。然而，对于直接连接到电网的超级高铁系统来说，波动的电力动态可能会为电网集成带来严重的挑战。美国能源部（DOE）的建模发现，功率因数、幅度、短暂性、频率以及每天每小时的电力脉冲数量，都既...从网络（用于火箭舱发射和加速）和返回在再生制动期间，电网将引起电网内部的不寻常应力。这些应力如果持续存在，将对发电和输电设备、电力质量和长期系统维护及可靠性产生不利影响，对区域电网稳定性造成影响。这些影响需要通过缓冲技术或替代设计来减轻。美国能源部（DOE）了解解决这些问题的创新设计和技术（见第二章）。 可能对交通运输能源需求的影响 美国能源部（DOE）的分析发现，Hyperloop交通输送乘客在特定情况下，相较于其他交通方式如航空或轻型车辆的个人出行，能通过使用每乘客英里消耗的能量来衡量，实现高达20%的节能效果。与预测到2030年的平均车队效率相比，这样的节能效果将更小。如果与当今的“最佳等级”车辆相比，或者与具有较高的车辆利用率的未来车队相比，这样的节能效果将更小。即，乘客/车辆）因素。 美国能源部考虑了一个假设的案例，即一个300英里长的超回路客运系统，每天可运送15,000名乘客，其旅行需求通过从航空、铁路和公路交通的混合模式转换而来。预计到2030年，年能源节约约为2.8万亿英热单位，约占全国交通能源需求的0.01%。 这种储蓄可能从单个示范系统扩展到全国网络的程度，然而，将取决于超级高铁广泛部署和捕获其各自市场显著份额的能力。美国能源部（DOE）的分析假设了从1个系统到1,000个系统的城际网络渗透率的各个水平，并提供了假设的节能估算。在100至1,000英里范围内的城际旅客交通受到限制。一些城际路线的交通量很大，而另一些则相对较小。在国家层面上预期的节能将与其部署程度成比例，而这种部署本身可能受到城际交通量的限制。另一方面，如果此类系统能够创造显著的增加或诱导的旅行需求，整体能源系统使用可能会增加，而不是减少。 分析显示，超导磁悬浮列车运输的货运每种吨英里货运方式比其他所有运输方式（除航空运输外）都更节能。在重型货运运输的情况下，根据美国能源部（DOE）的估计，超回路系统在每吨英里货运能耗方面，至少比水运和铁路运输低8倍；而且至少比卡车运输低3倍。对于轻质货运，例如航空运输，由于城市间航空货运的能源消耗总量有限，能源节省将受到限制，该总量估计每年低于50万亿英热单位，或低于全国运输能源消耗的0.5%。然而，将所有高价值货运形式（包括非航空运输方式，如卡车运输）分配给超回路系统的情景表明，增加在能源使用方面，大约占总交通运输能源需求的1%，由于每吨英里运输的能量效率损失，与卡车运输相比。 除了能源之外，超回路文献表明，对于旅客旅行和货运，完全运行的超回路系统可能实现一系列潜在的好处。这些可能包括经济效益、环境因素、减少拥堵、节省时间、电网互补性或诱导需求。本分析专注于能源和电网。并未尝试进行总体净效益的计算。 缩略语和缩写 BTU英国热量单位美国能源部（Department of Energy）能源部EI东方互连EIA美国能源信息署ERCOT德克萨斯州电力可靠性委员会G重力加速度率（9.8米/秒²/秒）GW千兆瓦HTTHyperloop Transportation TechnologiesHz赫兹千伏千伏mph（英里每小时）每小时英里企业价值（MVA）兆伏安MW兆瓦兆瓦时兆瓦时 NASA国家航空航天局NERC北美电力可靠性公司PJM区域输电组织，协调特拉华州、伊利诺伊州、印第安纳州、肯塔基州、马里兰州、密歇根州、新泽西州、北卡罗来纳州、俄亥俄州、宾夕法尼亚州、田纳西州、弗吉尼亚州、西弗吉尼亚州和哥伦比亚特区的批发电力流动。每单位（无量纲）四边形的quadrillion (10^15)15) 英制热量单位（Btu） 燃料减排组（RMRG）落基山储备集团TBtu万亿（10^12）12）Btu STATCOM静态同步补偿器阿联酋阿拉伯联合酋长国方差膨胀因子（Variance Inflation Factor）伏安反应电抗 西部电力协调委员会（Western Electricity Coordinating Council）西方电力协调委员会 超环技术对电网和交通运输能耗的影响 目录表 缩写和缩略语 .................................................................................................I.报告目的 ............................................................................................................. iv 1 II.什么是Hyperloop？.......................................................................................................... 1 第三部分：Hyperloop对电网的影响............................................................ 11 第四部分：Hyperloop对交通运输能源使用的影响........................................... 24 第五部分：分析方法（附录）....................................................................... 36 I. 报告目的 2018年，部分受对城际交通模式先进和新型方法日益增长兴趣的推动，美国能源部对“超回路交通系统”的能量相关方面进行了研究。此类系统被认为有可能提高国家交通系统的能源效率。 本研究旨在：（a）模拟一个互联高速列车系统在不同网络渗透水平下对电网的需求，以及交通运输领域的整体能源消耗；（b）包括如何将这些系统整合到电网中的信息；（c）确定电网在推广高速列车技术中必须解决的问题的技术约束。本报告概述了研究、建模和分析的假设、方法和定量结果，并总结了研究的重大发现。 第二部分：什么是Hyperloop？ “hyperloop”一词广泛用于指一类使用胶囊或“车厢”以高速（可能接近速度极限）行驶的固定轨道地面交通系统。 在密封的管中，在部分或接近完全真空的状态下（sound）。1大多数概念设计都设想了使用磁悬浮技术来提升和引导舱体，以及使用线性电动机来进行加速和制动。这些概念消除了在车站和停靠点以外的轨道和轮子的需求，并最小化了由于空气阻力、热量和摩擦造成的能量损失。 这种超环概念被提出作为一种方便、更快且可能更节能的方案。 运输或货运的途径或方式，比现有的航空、铁路或公路运输方式。它通常侧重于连接一对城市，如图1所示概念图所示，但也适用于城市内部的运动，如从市中心位置到机场的往返，或者扩展到区域交通线路网络。 超环历史 真空管道交通的基本概念并非新颖。这样一个系统的初始原型于1909年在托木斯克理工大学进行了展示。2,3罗伯特·戈达德，作为火箭设计和空间探索领域的先驱而闻名，提出并申请了具有类似超级高铁概念特点的专利概念。该概念涉及由真空泵抽空的隧道轨道和由磁铁悬浮的车辆。4 现代研究人员持续致力于“真空管道运输技术”，统称为“ET3”。尽管此处未进行研究，其中一些研究正针对可能以每小时超过4000英里的速度旅行的国际旅行系统。5 公众对这些系统感兴趣的情况在2013年因Elon Musk通过SpaceX发布的一份概念论文而重新燃起。6一般被称为“Hyperloop Alpha”的论文概述了戈达德概念的现代形态。这是一套基于适度尺寸的舱室运输系统，每个舱室可容纳20-30名乘客，由线性电动机驱动，并在通过真空泵大部分抽空空气的钢制管道中行驶。该论文还介绍了一些此类系统广泛实施所面临的主要挑战。2013年论文中乘客舱的初始设计草图如图2所示。 2013概念文件之后，SpaceX赞助了一系列比赛，以“支持功能性原型开发并鼓励创新，通过挑战学生团队设计并构建最佳的高速Pod”。7几个团队参加了这些比赛，并且展示了小型舱体能达到290英里/小时的时速。8 潜在的超高速列车技术的益处 正如广泛提议的那样，超高速列车交通的主要好处将是实现两点之间比现有交通方式更快、更安全、更便捷、更节能，甚至可能更便宜的运输。如果此类系统能够占据运输市场的一大部分，它们还可能缓解道路、铁路和空中的拥堵。 多个因素预计将使超回路技术提高城市间的便利性并减少旅行时间。一个关键因素是系统设计带来的高速——巡航速度可达每小时700英里。这比汽车或铁路系统快得多，并且与或超过航空旅行的速度。另一个因素是地理位置和易于到达。理想的超回路系统设想在当地和方便地登机，通过消除或大幅减少旅程两端花费的时间来相对减少与航空旅行的旅行时间。这包括前往和离开登机点，如机场，等待飞机起飞，出租车和起飞，着陆以及其他延误。此外，超回路系统可能提供灵活的、及时的、基于需求的出发时间表。 超级高铁的支持者还建议限制起点和目的地之间的中途停靠站数量。这与其他地面交通方式（如高速铁路）相比，提供了进一步节省时间的机会。原始的Hyperloop Alpha概念论文预见，对于相距900英里或更短的城市对来说，节省时间将是最大的。9本文提出，在未来，超音速航空旅行（速度超过当前商业航空旅行）对于超过900英里的距离可能更加节省时间。根据购票和乘客/行李转运的物流情况，也可能有其他的时间节省。10 便利性是超回路乘客的另一个潜在好处。正如描述的那样，乘客超回路系统将以