国外铁路节能减排发展新趋势

周新军

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

国外铁路节能减排发展新趋势

周新军

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

国外铁路节能技术发展至今已呈现出多极发展的趋势，既有传统节能技术的延续发展，也有新节能技术不断地得到推广和运用，还有尚处在实验阶段的节能技术成果的有序转化。这些节能技术发展倾向主要集中在两个方面，一是降低列车牵引能耗，二是应用和推广新能源替代节能技术，而力求实现两者的有机融合则成为有些国家铁路节能技术发展的未来归宿。

国外铁路；节能技术；发展趋势；新能源和可再生能源；机车用能

国外铁路绝大多数从一开始就实行企业化的运作方式，这使得它们在发展铁路运营技术的同时，也必须注重节能技术的发展，节约能源，从而节约整个运输成本。伴随着铁路运输技术和装备技术的不断发展，国外铁路节能技术也正在经历着从以传统节能技术为主向以现代节能技术为主的转变，节能技术发展的新趋势越来越明显。相比传统节能技术，现代节能技术的节能减排效果更好，因而所体现的环保效益也更为显著。综合国外各国铁路节能技术的特点，节能技术发展的新趋势主要体现在以下几个方面：

1 传统节能技术发展趋势

铁路传统节能技术注重通过技术的提高使得原有的能耗降低，从而使碳排放量相应降低，比如，节煤、节油、节电等技术。从目前的发展趋势来看，传统节能技术中，列车的再生制动节电技术、重载运输节能技术更多地受到关注和青睐。

1.1 再生制动节能技术

国外铁路利用再生制动进行节能减排已有一定的发展历史，目前这项技术正在不断完善，应用和推广的范围也在不断扩大。简单地说，再生制动节能技术就是在列车减速时，将电动机转换为发电机运行，产生再生电力回馈电网达到节能效果。日本各大铁道公司目前正在引进的节能技术之一就是利用再生能源。这里的再生能源就是指在列车刹车时，将电机作为发电机工作所产生的电力。据有关资料介绍，在容纳150名乘客的10节车厢以时速90km运行时，从刹车到列车停止的30s内大约能够产生1 500kW的再生电量。产生的再生电力通过专门架设的电线输送给其他列车，它们以这些再生电量作为动力，从而实现了列车的节能运行[1]。当然，再生能量的多少很大程度上取决于列车运行的线路，瑞典的Lotschberg铁路线有50%可以再生，即两列下山的车辆所再生的能量可以驱动一列车上山。对于有着许多刹车和加速环节的区域列车，以及中等坡道的条件下，最高的再生率大约为20%。在城际列车的线路上，再生率可达30%。

铁路利用再生制动实现节能还有其他形式。例如，东大阪的新生驹变电所设有可控硅逆变器，靠回收制动车辆的回生电力，每年回收70万kW·h的电力，供给非行车用电使用。又如，德铁采用使列车的气体制动能转换成电能反馈接触网的节能方案，2003年反馈电能为281GW·h，相当于122座现代化风力发电设备的发电量。再如，日本铁路采用“可变电压可变频率(VVVF)变压控制装置”以更有效地制动。这一装置可将供电线路中的直流电转换为交流电，根据电车的加速度和速度的变化调整电压和频率，从而使得电机更有效运转。其最大优点就是比过去的列车减少了约30%的耗电量。京王电铁公司京王线与井之头线全线都完成了再生能源利用设备的安装，2012年9月已在全部列车上安装了VVVF变压控制装置。大手铁道公司约有50%的列车安装了VVVF变压控制装置。目前，只有京王电铁公司运营的全部线路上都采用上述节能技术[1]。

1.2 重载运输节能技术

国外铁路公司采用重载运输方式初衷主要是提高列车运输的规模效益、降低运输成本。不过后来人们很快就发现，重载运输还能降低能耗。例如，澳大利亚BHP公司从1973年采用重载运输技术后，能耗连年下降。2000年与1980年相比，燃油消耗下降了43%[2]。正是因为有这双重效应，铁路重载运输已成为许多国家追求的现代货运组织方式，被世界公认为铁路货运发展的重要趋势。美国、澳大利亚、前苏联以及德国、法国等欧洲国家比较早地开行了重载列车，而且重载量呈现不断加大的趋势。2001年6月，澳大利亚BHP公司试验开行了总重达99 734t、净重82 000t的重载列车，创造了迄今为止重载列车的世界纪录。近年来，印度等发展中国家也在积极推进重载铁路运输。

1.3 新材料节能技术

通过机车和车厢制造材料的更新实现节能，其目的是通过开发车辆发电系统的降耗技术以及能量储藏技术来实现铁路系统的进一步节能化。从材料方面来看,存在以下研究课题:利用超导线材的开发和线材的超导化来减少发电时的耗能；选用轻金属和高分子材料来实现车辆质量的轻量化等[3]。

1.4 新型节能机车

由于列车能耗主要体现在机车上，因此，机车是否节能是降低列车运行能耗的关键所在。因此，设计制造新型节能机车，能有效实现节能目标。比如，多发电机组调车机车。美国帕特里奥特铁路公司的子公司SAV已试验过一台由加拿大铁路动力技术公司制造的2000英制马力(1491 kW)RP20BD型内燃机车。这种3柴油发电机组式机车被设计成在相同环境条件下可比普通机车节省燃油30%～50%，且可减少氮氧化物(NOx)排放量至少达70%[4]。

又比如，混合动力内燃动车。传统内燃动车由柴油机提供全部动力，而混合动力内燃动车除柴油机外，还可由新型蓄电池提供电能。西日本铁路公司在充分利用内燃动车动力系统特点的同时，有效利用柴油机能量和再生制动能量。其方法是，将柴油机能量(柴油机输出轴的机械能)作为牵引时优先使用的能量(动能))，而将再生制动能量(蓄电池的电能)作为辅助装置优先使用的能量(电能)。由于柴油机不为辅助装置提供能量，所以为牵引系统提供的输出能量达到最高水平(即柴油机的辅助装置耗能最小的状态)，车辆就能快速加速，从而缩短牵引时间。另外，在停车时，由蓄电池为辅助装置提供电能，柴油机处于停机状态。这样，减少了柴油机运转时间，发挥了节能效果[5]。

2 新能源节能技术应用与发展

现代节能技术主要是通过替代技术实现用低碳能源或者无碳能源替代高碳或者有碳能源，从而使能耗结构发生根本性改变，促使能效进一步提升。

2.1 列车牵引用能日益低碳化

牵引能耗在国外铁路能耗中占有比较大的比重，有些国家甚至在60%以上。按日本新干线的数据，用于行车方面的能耗大约占铁路总能耗的87%。列车牵引是能源消耗的主要部分,列车牵引消耗82%的电能和90%的柴油[2]。因此，降低牵引能耗成为降低整个能耗的关键之一。目前的趋势就是采用新能源替代化石能源。比如，新能源发电替代传统的煤电、生物柴油替代燃油等。

2.1.1 新能源电能替代煤电

油改电无疑是铁路牵引用能低碳化的一大技术进步，但由于目前大多数国家牵引用电主要是使用煤电，尽管从使用过程来看，并不产生碳排放，但却有碳排放的“嫌疑”。至少目前为止，多数专家认为，从全生命周期理论来看，追根溯源仍然会产生一定的碳排放，需要为碳排放“担责”。而且，有些国家电气化铁路的增加导致机车牵引用电量的快速增加，对整个国家而言，无疑会加大发电环节的碳排放。因此，从推进全社会减碳的角度看，使用煤电并不是最优的选择。

核电属于低碳、密集型能源，没有温室气体排放，核电链对公众产生的辐射照射约为煤电链的1/50。法国是一个核电占有量比较高的国家，2008年核电占其总发电量的87.5%。尽管近年来比例有所下降，2014年为75%，但仍然占据着绝对的主导地位。由于核电具有比较大的风险，一旦泄露会对周边环境造成极大的破坏，很多国家因此对发展核电持谨慎态度。但对发展可再生能源发电均持欢迎和支持的态度。2015年7月22日，法国国民议会(下议院)通过了一项环保法案，规定2050年之前大幅度降低对核电的依赖，并提高可再生能源的运用。在各种发电方式中，可再生能源的电力比重必须提高到32%，远高于2012年的13.7%的比例。

于是，有些国家开始考虑，铁路牵引用电环节也逐步加大新能源发电的使用，最终逐步实现用新能源发电全部替代煤电，真正做到列车运营时无碳排放。

目前德铁有10%以上的电能来自水力、风力和太阳能。德国联邦铁路公司作出了一个大胆的计划，将提高列车运营过程中所使用的风能、水电和太阳能的比例，预计在2014年从当时的20%提高到28%，2050年实现零碳排放。

2.1.2 生物柴油替代石油柴油

有研究表明[6]，采用生物柴油尾气中的有毒有机物排放量仅为1/10，颗粒物为普遍柴油的20%，一氧化碳和二氧化碳排放量仅为石油柴油的10%，无硫化物和铅有毒物的排放。目前国外铁路已有个别公司使用生物柴油替代石油柴油的案例。2007年，英国Virgin公司在其高速旅客列车上开始试验燃用20%生物柴油混合燃料，以减少二氧化碳排放量。2009年11月，加拿大太平洋铁路(CP)公司与加拿大国家自然资源部合作，开展了一项为期5个月的生物柴油燃料试验计划，用4台GE Transportation公司制造的AC4400型内燃机车(装用FDL-16型柴油机)在卡尔加里和埃德蒙顿之间进行专项运营试验，试验中机车使用5%的生物柴油混合燃料。

2.1.3 液化天然气替代柴油

液化天然气虽然是化石能源，但被公认是地球上最干净的化石能源，无色、无味、无毒且无腐蚀性。近年来，美国、俄罗斯和加拿大等国家正在积极研制、改装和试验燃用液化气的内燃机车，取得了一定的成果。俄罗斯在将液化天然气用于汽车运输、铁路运输和空中运输方面积累了许多经验。在铁路方面，俄罗斯已试制出燃用液化天然气的机车技术。2012年底，俄罗斯成功研发和试制了全世界第一台完全使用液化天然气燃料的内燃机车，并准备对此进行改造并投入批量生产[7]。俄罗斯还研制出新型交流货运电力机车，提高能源利用效率。

2.1.4 燃料电池机车

燃料电池基于电化学原理，而不是燃烧原理，将燃料能量直接转化成电能，具有节约能源、无噪声、高效率、低排放、少维护的特点，非常适宜用做运输系统的能源。燃料电池通过氧与氢结合成水的简单电化学反应而发电。在铁路方面，一些铁路厂商和研究机构，如加拿大庞巴迪公司和日本铁道综合技术研究所，都在对燃料电池在铁路车辆应用的可行性进行研究。近来，日本铁路由日本铁道综合技术研究所牵头，一直在进行燃料电池在铁路车辆应用方面的研究。目前，日本铁道综合技术研究所携手东日本铁路公司，已成功研制出了世界首台混合型燃料电池机车。东日本铁路公司已对这台混合型燃料电池机车进行了测试。该机车用氢燃料电池取代内燃机车，但其控制系统仍然采用混合型内燃机车控制系统。当机车加速时，由燃料电池和蓄电池供电；当机车制动时，则向蓄电池重新充电。每添加一次氢燃料，机车可运行80km。除用氢燃料电池试验外，日本铁道综合技术研究所还准备进行采用醚类和硼素等其他元素的燃料电池进行可行性研究[8]。

2.2 非牵引能耗中清洁能源比重逐步加大

据日本新干线的统计，非直接行车方面的耗能约占铁路总耗能量的13%，包括车站和列车用照明、空调、热水、机器等的能耗。在这些能耗中照明占40%。由于对旅客服务设施的不断改善，铁路非行车方面能耗占总能耗的比重呈逐年上升趋势[9]。

2.2.1 铁路沿线利用新能源为设备供电

美国早在20世纪80年代初就开始在堪萨斯城南方铁路应用太阳能供电装置，在80多英里的干线上，装了59个太阳能供电装置，为沿线地面信号机、轨道电路和转辙机提供电源。典型的太阳能供电设备是由四组太阳能电池组成。太阳能电池给安装在预制房屋内的镉镍蓄电池充电。通过比较，在很多边远地区，采用太阳能电池供电比用公用电网供电的成本要低。假如太阳能电池装置坏了，也很容易更换。如果工作不正常，能立即发信号给调度员。装置所需的唯一的维修是定期清扫太阳能电池板。电动转辙机、全部必要的照明和调度集中所需的线路、终端编码设备都由太阳能电池装置供电。用于道岔的是24V装置，用于信号设备的是12V装置[10]。

2.2.2 铁路车站利用新能源发电供电

德国铁路股份公司在新柏林总站建筑物上采用再生能源，安装了高效能的太阳能光电设备，整个太阳能发电设备的额定功率(189±18.9)kW。投入运用后，仅从2002年6月底至8月初的头4个星期，该设备就向公共电网输电2.2万kW·h。这座太阳能电站每年发电16万kW·h，加上其它新型能源的应用，德国铁路公司使用环保技术能源的比例将占总能源消耗量的13%，大大高于目前全德国6.25%的平均值。

纽约Stillwell Avenue地铁车站与车站建筑结合处安装了太阳能光伏发电系统，太阳电池组件覆盖了整个车站的屋顶。该项目是目前美国铁路上使用非晶硅薄膜电池光伏屋顶的最大项目。总安装功率约为210kWp，每年大约可以产生25万kW·h的电能，能够满足该车站每年用电需求的15%。在天气晴朗的情况下，光伏发电系统的发电电能可以足够供给车站65%的电力需求。

日本近畿铁道在一部分车站安设了太阳能电池，以供空调使用，虽然成本较高，但可减少C02的排放。名古屋铁道在舞木、犬山、丰明等处的车辆检查场设有太阳能热水器，为洗刷车辆提供热水，起到了很好节能和保护环境的作用[11]。

此外，日本铁路公司还利用车站屋顶的太阳能热水器收集太阳能，贮存大量热水代替燃油作为冬季屋顶融雪的能源。

3 在线能耗监测技术

国外研究机构已在进行列车能耗在线监测的实验。实验的基础是基于电气化铁路网络要么使用高电压交流，要么使用低电压直流这一用电背景，通过有关直流供电网络的试验研究获得一些初始结果[12]。使用方法是在一列火车和两个变电站之间使用定制的监控设备，其目的是分析来自列车安装设备记录的数据，连同那些来自变电站的记录数据。使用这些组合信息，可以计算瞬时功率流，从而得以洞察供电网系统的损失。到目前为止，这个系统已纪录了既来自列车、又来自变电站的短期内的初级仪表阶段的数据。通过在线能耗监测，计量列车运行过程中的能耗，并诊断不合理的用能环节，以实现提高列车运行中的能效水平。

4 结束语

本文所阐述的这些国外节能技术，有些虽然已经在国外早已投入应用，如重载运输技术，但仍有比较大的发展潜力，因此仍然代表着铁路节能技术的一个发展方向。有些节能技术已经开始得到大规模的应用，如应用新能源替代节能技术，昭示着铁路未来节能技术的一个重点发展方向。还有一些节能技术虽然还停留在实验阶段，但其发展潜力仍然不可低估，一旦试验成功，就会被大规模地投入生产和运营。需要说明的是，前述三种类型的节能技术划分也是相对的。比如，在线节能技术，既可以理解为一种传统节能技术的新发展，因为它不涉及能源替代，但也可以理解为一种现代节能技术，因为它已经融入了现代信息技术。对于中国铁路部门而言，需要重点关注的是国外铁路节能技术发展的前沿动向，以此来推动铁路节能技术的新发展。

[1] 张文丽.日本“举国”利用再生电力节能降耗推广铁路节能技术[J].能源研究与利用，2015(2)：24-25.

[2] 杨浩.铁路重载运输[M].北京：北京交通大学出版社，2010.

[3] 唐源.日本铁路材料研究开发的最新动向[J].国外机车车辆工艺，2014(1)：1-4.

[4] 陈新(译).加利福尼亚地区短线铁路试验多发电机组调车机车[J].国外内燃机车，2009(2)：38.

[5] 小林诚等.西日本铁路公司混合动力内燃动车的开发[J].国外内燃机，2012(2)：36-39.

[6] 吕鹏梅，袁振宏，马隆龙，等.酶法制备生物柴油的动力学及其影响因素[J].现代化工，2006(增2)：19-22.

[7] 王月(译).俄罗斯铁路股份有限公司节约柴油新措施[J].国外内燃机车，2009(2)：37-38.

[8] 沈熙侏.铁道车辆的新能源：燃料电池[J].交通与运输，2009(4)：8.

[9] 徐艳．从节能角度看高速铁路[J]．佳木斯大学学报，2005(10)：579-581．

[10] 陈佳玲.太阳能供电装置在美国铁路上的应用[J].铁道科技动态，1982(7)：35.

[11] 吴景林.日本铁路的节能[J].哈尔滨铁道科技，2001(4)：13-14.

[12] Edward Stewart, Paul Weston, Clive Roberts, etal.Monitoring the energy consumption in DC Railways[R].IET Conference on Railway Traction System,2010.

New Development Trend of Energy Saving and Emissions Reduction of the Foreign Railways

ZHOU Xinjun

(Energy Saving & Environmental Protection & Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Up to now, the technological development of the energy saving of the foreign railways has presented the multipolar trends which have not only the continual development of the traditional technology of energy saving, but also the constant promotion and application of the new technology of the energy saving. Besides that, there are orderly transformation of the technological achievements of energy saving which are still at the experimental stage. These technological development tendencies of energy saving are mainly concentrated on two aspects. One is to reduce energy consumption of the train traction, and the other is to apply and promote the alternative technology of energy saving by using the new energy. Striving to achieve organic integration of the two aspects has become the future aim of the technological development of the energy-saving of the railways in some countries.

foreign railways; technological development; development trend; new energy and renewable energy; locomotive energy consumption

2095-1671(2016)02-0090-05

2016-02-23；

2016-03-07

中国铁道科学研究院基金项目《澳大利亚高铁建设市场开拓若干重要问题前期研究》(编号2015YJ003)阶段性研究成果。

周新军(1967—)，湖南东安人，博士后，研究员，从事能源经济与节能发展战略研究。

F532,F206

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