關(guān)于鐵路節(jié)能效應(yīng)對策研究

滿朝翰

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

通運(yùn)輸業(yè)是我國的主要能源消耗行業(yè)之一，發(fā)展程度受到資源和環(huán)境承載力的制約。2011年，我國交通運(yùn)輸業(yè)的能耗總量占全社會能源消費(fèi)總量的比例為7.4%，2016年達(dá)到9.1%，上升幅度為40% 。鐵路作為節(jié)能型交通方式，充分發(fā)揮鐵路在交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能降耗的比較優(yōu)勢，有利于推動綠色交通的可持續(xù)發(fā)展[1]。

1 鐵路能源消耗現(xiàn)狀分析

1.1 能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)

能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)是指一定時期內(nèi)，用能單位所消費(fèi)的每種能源的數(shù)量及其占能源消費(fèi)總量的比重，主要反映各種化石類能源消耗情況，是分析鐵路能耗現(xiàn)狀的一項(xiàng)重要指標(biāo)。相對于能效指標(biāo)，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)更加傾向于反映鐵路能源消費(fèi)質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展能力[2]。目前燃油(汽油、柴油、原油等)和燃煤等化石類能源的消耗是二氧化硫、氮氧化物和煙塵的主要來源，對大氣環(huán)境產(chǎn)生不利影響。同時，燃油和燃煤的使用成本一直居高，鐵路運(yùn)輸企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益提升也受到制約。因此，提高電能、天然氣及太陽能等清潔能源和可再生能源的消耗比例，可以有效降低鐵路的環(huán)保壓力，減少能源成本支出。

近年來，鐵路的燃油和燃煤占總能耗的比例持續(xù)降低，2011年燃煤和燃油占比為60%以上，2016年降至40%左右，其中機(jī)車用油量下降幅度超過了40%；電力能源占比逐步提高，2011年電力占比僅為30%左右，到2016年已經(jīng)超過了50%[3]，其中機(jī)車用電量占比上升幅度為40%左右。鐵路已經(jīng)形成了以電力為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，說明近些年能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)得到了顯著優(yōu)化。

目前交通運(yùn)輸業(yè)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)與鐵路存在很大的差異。2016年交通運(yùn)輸、倉儲和郵政業(yè)的燃油占比達(dá)到了78%，遠(yuǎn)高于鐵路；相反電力比例僅為4%，遠(yuǎn)低于鐵路。由此可見，鐵路能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)要明顯優(yōu)于交通運(yùn)輸業(yè)的整體水平。由于運(yùn)輸工具技術(shù)水平的制約，其他運(yùn)輸方式的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)在近些年并沒有發(fā)生變化。一直以來，民航都是以航油占絕對比例的能源能消費(fèi)結(jié)構(gòu)。水運(yùn)與民航以汽油和柴油為最主要能源。公路的能耗結(jié)構(gòu)有一定改善，近些年電動汽車和“油改氣”汽車數(shù)量的增加，“以電代油”和“以氣代油”使得電力和天然氣的比重有所升高，但從總體看，電力和天然氣的比重仍然較低，柴油和汽油為主導(dǎo)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍未改變。然而，相對于其他運(yùn)輸方式，鐵路在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)方面具有十分顯著的比較優(yōu)勢，其燃油量的降低從某種程度上緩解了交通運(yùn)輸業(yè)的用油緊張局面，對交通運(yùn)輸業(yè)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改善起到一定的促進(jìn)作用。

1.2 能效水平

能效水平是指用能單位生產(chǎn)單位產(chǎn)品所消耗的能源折合標(biāo)準(zhǔn)煤的數(shù)量，主要反映能源消耗總量與產(chǎn)品產(chǎn)出量的關(guān)系，是衡量鐵路能源利用效率的重要指標(biāo)。目前鐵路能源消耗統(tǒng)計(jì)內(nèi)容包括機(jī)車牽引能耗(動車組、電力機(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車)、運(yùn)輸生產(chǎn)經(jīng)營性作業(yè)能耗(機(jī)務(wù)、車務(wù)、車輛、供電等站段能耗)，以及輔營用能(公寓、住宅等生活能耗)。其中，超過60%的能耗被應(yīng)用在機(jī)車牽引環(huán)節(jié)上[3]。機(jī)車用能對鐵路整體能源利用狀況有著十分重要的影響，因而分析鐵路能效水平需從2方面開展。一是從重點(diǎn)用能環(huán)節(jié)出發(fā)，采用機(jī)車單位牽引工作量能耗分析牽引能效水平；二是從鐵路整體用能角度出發(fā)，采用單位運(yùn)輸工作綜合能耗分析，包括機(jī)車牽引和生產(chǎn)生活在內(nèi)的整體能源利用效率。

2017年，機(jī)車單位牽引工作量綜合能耗指標(biāo)整體上呈降低趨勢，下降幅度達(dá)到17%左右。在機(jī)車能效水平顯著提升的有利條件下，同期的單位運(yùn)輸工作量綜合能耗指標(biāo)(以下簡稱“單耗指標(biāo)”)整體呈下降趨勢，從2011年的4.76噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里降至2017年的4.34噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里，下降幅度為13.4%，說明目前鐵路整體能源利用效率得到了顯著提升。

2011—2016年間，鐵路一直用占交通運(yùn)輸業(yè)的4%～6%的能耗完成了15%～20%的換算周轉(zhuǎn)量，說明鐵路整體能效水平僅為交通運(yùn)輸業(yè)平均水平的1/4～1/3左右。

相對于其他運(yùn)輸方式，目前鐵路能耗統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)還包括辦社會職能的輔營用能。為保證指標(biāo)數(shù)據(jù)的可比性，鐵路能效指標(biāo)采用單位運(yùn)輸工作量主營綜合能耗指標(biāo)。2011—2017年間，鐵路能效水平略高于水運(yùn)指標(biāo)，遠(yuǎn)低于公路和民航，僅為公路的1/3～2/5和民航的1/10左右。

鐵路能效水平明顯優(yōu)于交通運(yùn)輸業(yè)的平均水平，鐵路具有十分顯著的比較優(yōu)勢。加快鐵路發(fā)展，提高鐵路在運(yùn)輸市場中的份額，對提升交通行業(yè)整體能效水平有著十分重要的意義。

2 鐵路節(jié)能效應(yīng)對策分析

2.1 節(jié)能指標(biāo)分析

能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化和能源利用效率提升是近年來鐵路能源消耗的2個主要特征，這表明鐵路能源利用情況趨于向好。對這一利好現(xiàn)象出現(xiàn)原因的分析，不僅要從機(jī)車牽引這一主要用能環(huán)節(jié)上入手，更要對非牽引領(lǐng)域的用能情況進(jìn)行研究。牽引結(jié)構(gòu)和采暖方式的優(yōu)化正是鐵路在牽引和非牽引領(lǐng)域中最顯著的改變，也是鐵路節(jié)能指標(biāo)變化的重要原因。

2.1.1 牽引動力結(jié)構(gòu)

鐵路牽引環(huán)節(jié)能源利用狀況與動力結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，牽引機(jī)車類型的改變很大程度上影響著牽引能效水平和能源結(jié)構(gòu)。自從2005年鐵路淘汰蒸汽機(jī)車后，燃煤不再被應(yīng)用在牽引環(huán)節(jié)，鐵路牽引環(huán)節(jié)所消耗的能源僅為電力和柴油。一直以來鐵路從未停止對牽引結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作，電氣化改造工程一直都是鐵路的重要工作內(nèi)容。

2011—2017年，鐵路電氣化率從49.4%上升至68.2%。電力機(jī)車逐步替代內(nèi)燃機(jī)車，占比從2011年的46.45%上升至2017年的59.5%，機(jī)車用電量占牽引能耗總量比重已達(dá)到65%以上，充分發(fā)揮了電氣化鐵路在“以電代油”獨(dú)特優(yōu)勢[4]，鐵路牽引領(lǐng)域能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)由以前的燃油為主能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成以電力為主的牽引能源結(jié)構(gòu)，因而牽引動力結(jié)構(gòu)的改變很大程度促進(jìn)了鐵路整體能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

同時，電力機(jī)車的終端能源利用效率則達(dá) 30%～32%，內(nèi)燃機(jī)車的終端能源效率為25%～26%[5]，電力機(jī)車能效水平明顯高于內(nèi)燃機(jī)車，電力機(jī)車的單位總重噸公里牽引能耗僅為內(nèi)燃機(jī)車的1/3左右[6]，牽引動力結(jié)構(gòu)的優(yōu)化直接促進(jìn)了牽引環(huán)節(jié)和鐵路整體能效水平的提升。

2.1.2 采暖方式變化

自淘汰蒸汽機(jī)車后，燃煤鍋爐作為鐵路最為主要采暖方式，消耗了目前所有的煤炭(包括原煤、褐煤、洗精煤及焦煤等)，因而鐵路采暖方式的改變會對燃煤消耗量起到最為直接的影響。國務(wù)院于2013年發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)大氣污染防治行動計(jì)劃的通知》(國發(fā)[2013] 37號)，要求“全面整治燃煤小鍋爐”，加快推進(jìn)集中供熱、“煤改氣”“煤改電”工程建設(shè)。鑒于不斷增大的環(huán)保壓力，近些年各鐵路局集團(tuán)公司均加大了燃煤鍋爐的淘汰力度，太陽能技術(shù)、空氣源熱泵、接引市政熱力管網(wǎng)及鍋爐并網(wǎng)等更為清潔高效的采暖方式正逐步替代既有燃煤鍋爐。

清潔能源、新能源和可再生能源技術(shù)設(shè)備的應(yīng)用，使得燃煤被電能、太陽能、燃?xì)饧笆姓崃Φ饶茉刺娲?，其消耗量出現(xiàn)了大幅度下降，2011—2017年間的降低幅度超過了50%，對鐵路整體能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化起到了很大的積極作用。同時，太陽能技術(shù)、空氣源熱泵、接引市政熱力管網(wǎng)及鍋爐并網(wǎng)等采暖方式效率要明顯高于既有燃煤鍋爐，其中空氣源熱泵比較燃煤鍋爐的節(jié)能率將近80%[7]。因此，在更為高效的采暖方式應(yīng)用的影響下，鐵路采暖能耗量逐年降低，對整體能效水平的提升起到一定的促進(jìn)作用。

2.2 外部節(jié)能效應(yīng)分析

交通方式對交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能降耗能否起到積極作用主要取決于2個方面：一是具備促進(jìn)交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能降耗的基本條件和能力，即在節(jié)能降耗方面是否明顯優(yōu)于其他運(yùn)輸方式，是否擁有突出的節(jié)能優(yōu)勢等；二是所產(chǎn)生的外部節(jié)能效應(yīng)，主要指某種交通方式因運(yùn)輸市場份額的變化所產(chǎn)生的節(jié)能效應(yīng)，其中市場份額是影響外部節(jié)能效應(yīng)的最重要的因素，運(yùn)輸市場份額越高，代表著越多的客、貨運(yùn)量轉(zhuǎn)移至更為節(jié)能高效的交通方式上來，這樣才能充分發(fā)揮其比較優(yōu)勢，為交通運(yùn)輸業(yè)產(chǎn)生更多的節(jié)能量；相反，如果沒有較高的市場份額的支撐，無論這種交通方式具有多么顯著的比較優(yōu)勢，推動整體交通運(yùn)輸業(yè)的節(jié)能降耗也是無從談起。目前，鐵路能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和能效水平均要明顯優(yōu)于其他運(yùn)輸方式，鐵路的節(jié)能降耗核心地位正在逐步凸顯，說明鐵路已經(jīng)具備了交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能降耗的基本能力和條件。

鐵路和公路都屬于地面交通方式，具有強(qiáng)大運(yùn)輸能力，兼具客貨運(yùn)輸功能，均屬于通用性較好的網(wǎng)絡(luò)型交通基礎(chǔ)設(shè)施。相對于航空和水運(yùn)，鐵路和公路之間的旅客和貨物的相互替代性更高，并且二者在交通運(yùn)輸業(yè)占據(jù)十分重要的作用，共承擔(dān)了70%以上的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量和45%以上的貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量。因此，在計(jì)算鐵路外部節(jié)能效應(yīng)中認(rèn)為鐵路減少的工作量均被公路所替代，而鐵路增加的工作量只來自于公路。

定量計(jì)算鐵路的外部節(jié)能效應(yīng)的前提是準(zhǔn)確計(jì)算公路向鐵路轉(zhuǎn)移的換算周轉(zhuǎn)量。假設(shè)Zi為第i年鐵路占全社會周轉(zhuǎn)量比例，Qi為第i年全社會換算周轉(zhuǎn)量，如果保持與上一年周轉(zhuǎn)量比例不變，理論上第i年的鐵路承擔(dān)的換算周轉(zhuǎn)量為QiZi-1，實(shí)際上的第i年鐵路承擔(dān)的換算周轉(zhuǎn)量應(yīng)為QiZi，所以第i年由于鐵路替代公路所增加換算周轉(zhuǎn)量即為QiZi- QiZi-1。

工作量的變化會在一定程度上對公路和鐵路能效水平有所影響，為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，第i年鐵路仍以上一年的單耗指標(biāo)完成從公路轉(zhuǎn)移過來的換算周轉(zhuǎn)量QiZi- QiZi-1，其能耗量為(QiZi- QiZi-1) Ti-1。如果這部分換算周轉(zhuǎn)量未向鐵路轉(zhuǎn)移，而仍由公路運(yùn)輸，其能耗量即為(QiZi-QiZi-1) Gi-1，第i年鐵路替代公路所產(chǎn)生的節(jié)能量的計(jì)算公式[8]為

ΔJi正值為節(jié)能，負(fù)值反之。2011—2017年鐵路對公路的結(jié)構(gòu)替代節(jié)能效應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

2011—2017年，鐵路占全社會客運(yùn)周轉(zhuǎn)量的比重整體提高了9.8%，貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量比重下降6.3%，鐵路換算周轉(zhuǎn)量的比重整體下降了4.3%，在交通運(yùn)輸業(yè)中的市場份額有所降低，使得單耗指標(biāo)更高的公路替代了鐵路部分工作量，鐵路未產(chǎn)生外部節(jié)能效應(yīng)，相反使得能耗總量增加了1 398.17萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，在交通運(yùn)輸業(yè)節(jié)能降耗中并未起到積極作用。

2.3 對策分析

鐵路應(yīng)從發(fā)揮自身比較優(yōu)勢和進(jìn)一步擴(kuò)大比較優(yōu)勢2個層面開展節(jié)能工作，一方面提升鐵路的市場份額，扭轉(zhuǎn)目前不利局面；另一方面持續(xù)提高自身的能效水平，進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大鐵路的節(jié)能比較優(yōu)勢。

（1）提高鐵路市場份額。優(yōu)化鐵路規(guī)劃布局，擴(kuò)大鐵路網(wǎng)覆蓋面，積極發(fā)展鐵路快運(yùn)產(chǎn)品，提高運(yùn)輸供給質(zhì)量；積極爭取相關(guān)政策支持，發(fā)揮鐵路在大宗貨物中遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)墓歉勺饔?，將更多的客貨運(yùn)量從其他交通方式向鐵路上轉(zhuǎn)移，提高鐵路的市場份額。

（2）提升牽引能效水平。繼續(xù)推進(jìn)既有鐵路電氣化改造，提高電氣化率，優(yōu)化牽引動力結(jié)構(gòu)；實(shí)施合理的貨物運(yùn)輸組織方案，優(yōu)化空車和重車比例，根據(jù)客流特點(diǎn)優(yōu)化旅客列車開行方案和編組方案，提高運(yùn)輸效率；加強(qiáng)對再生制動反饋電能的研發(fā)和利用，提高再生制動電能儲存技術(shù)水平，提高機(jī)車乘務(wù)員節(jié)能優(yōu)化操縱水平，提高機(jī)車能效水平。

表1 鐵路對公路的結(jié)構(gòu)替代節(jié)能效應(yīng)計(jì)算結(jié)果Tab.1 Results of energy saving efficiency of the structural substitution of railway for highway

（3）強(qiáng)化能源管理體系建設(shè)。健全鐵路能源計(jì)量管理規(guī)章制度，規(guī)范和指導(dǎo)鐵路能源計(jì)量工作；加強(qiáng)新建、改建項(xiàng)目能源計(jì)量器具配備相關(guān)設(shè)計(jì)審查，確保能源計(jì)量器具設(shè)計(jì)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求和節(jié)能管理需要；加強(qiáng)既有能源計(jì)量器具管理，建立能源計(jì)量器具臺賬，逐步淘汰技術(shù)落后的能源計(jì)量器具，推進(jìn)能源計(jì)量器具智能化升級改造[9]。

（4）降低供暖系統(tǒng)能耗。加強(qiáng)對年代久遠(yuǎn)、沒有加裝保溫措施的既有建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能改造，提高其保溫性能；采用太陽能技術(shù)和空氣源熱泵技術(shù)等節(jié)能高效的采暖技術(shù)替代既有采暖鍋爐。

3 結(jié)束語

鐵路在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)和能效水平方面具有十分顯著的比較優(yōu)勢，但由于市場份額的下降，其節(jié)能優(yōu)勢沒有得到充分發(fā)揮，這已經(jīng)成為鐵路未來發(fā)展所面臨的一個重要問題。隨著國家綠色發(fā)展理念不斷深化和綠色交通發(fā)展的持續(xù)推進(jìn)，鐵路作為綠色節(jié)能型的交通運(yùn)輸方式，未來不僅要機(jī)車牽引、能源管理體系和供暖系統(tǒng)等方面入手，進(jìn)一步提高節(jié)能工作水平，擴(kuò)大自身的節(jié)能比較優(yōu)勢，更重要的是通過采取優(yōu)化規(guī)劃布局、提高運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量和爭取政策支撐等措施增加鐵路的客貨運(yùn)量，提高鐵路在交通運(yùn)輸業(yè)中市場份額，推動交通運(yùn)輸業(yè)的節(jié)能降耗工作，進(jìn)而為我國綠色交通發(fā)展提供有力支撐。