对铁路节能几个争议性问题的思考

周新军（中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京　100081）



对铁路节能几个争议性问题的思考

周新军
（中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京100081）

摘要：在铁路节能理论研究和实际工作中，长期以来存在着一些有待商榷的且带有普遍争议性的问题。从发展的角度对这些问题进行了分析探讨，从新的角度论述了高速铁路与节能的关系、电力牵引与碳排放关系、铁路能耗与水运能耗的比较以及铁路能效如何引入速度概念的问题，提出了一些创新性的观点，并对如何提高人们对铁路尤其是高速铁路在推进整个综合交通节能减排中所起作用的认识提出了建议。

关键词：高速铁路；节能；电力牵引；碳排放；单耗

随着全社会对节能减排的日益重视，近年来研究领域取得的成果在不断地增多。梳理这些成果发现，还存在着几个尚待商榷的带有争议性的问题。这些问题的存在不利于统一人们对铁路节能减排工作的认识，并由此可能低估铁路节能减排对交通行业乃至对全社会节能减排的贡献度。有鉴于此，对这些带有普遍争议性问题进行思考，有助于人们加深对铁路节能减排工作重要性的认识，对于发挥铁路在综合交通节能减排中的引领作用具有比较重要的理论和现实意义。

1高速铁路是否节能

高速铁路已成为当今世界铁路发展的主流，对此人们已逐步形成共识，争论越来越少。但在高速铁路是否节能的问题上目前的争论还比较大，主要集中在高速铁路与普速铁路的能耗比较上。长期以来占据主流的观点认为，高速列车单耗要比普速列车高，因而高速铁路没有普速铁路节能。这种认识一方面来自于对传统运输工具的感性认识，另一方面来自于传统的研究方法及其结论。在人们的感知中，速度与能耗呈正相关关系，速度越高，能耗也越大。比如：在飞机、小汽车和普速列车的比较中，速度高的运输工具能耗也越高。即使在同一种运输工具中，比如：同一辆小汽车或者不同的2辆汽车不同速度值的能耗比较中，速度高的能耗就大，反之亦然。因此，速度与能耗的正相关关系是成立的。但如果把这种结论延伸至高速铁路，就不那么正确了。最新的研究认为，列车的速度与能耗成负相关关系。比如：日本铁路出版物有关新干线的能源强度数值表明，新干线的能源强度正在不断下降，近期的希望号700 N在拥有比原新干线更高速度的同时，只使用了50%的能源，在提高22%的速度时，能源减少了32%。

而来自UIC的研究表明，在同一条线路上高速列车需消耗的能量要比普速列车要小。通过对多列火车的试验研究还发现了速度与能耗之间呈反向线性关系，即速度越高，能耗越低。用公式表示为：y=128.22x-0.411。y表示能耗，x表示列车的速度。速度与能耗关系如图1所示。

图1速度与能耗关系

尽管图1中所指的高速还没有达到国际上对高速铁路所规定的最低速度值（一般而言，列车时速达到或超过200 km/h以上的即为高速铁路），但这种速度与能耗的内在关系走向却是很明显的。

上述这些数据至少可以说明传统的研究方法和结论已经受到严峻挑战，需要重新定位，并作出合理的解释。当然，最新的关于高速铁路与能耗关系的结论也需要大量的实验数据和实际运营数据作为支撑，因此仍需要不断充实和完善。

2电力牵引是否产生碳排放

关于电力牵引是否产生碳排放的问题目前存在着较大的争论。一种观点认为，电力牵引如果使用的是煤电，仍然会产生一定量的碳排放，只是相对于使用燃油的内燃机车和使用燃煤的蒸汽机车而言，它产生的碳排放要低很多。但如果使用的是清洁电源，如：太阳能、水电、风电和核电等，则不产生碳排放。按照这种观点，我国的电气化铁路都产生碳排放，无论是电力机车牵引，还是高速动车组列车，原因是我国发电主要是煤电，大约占整个电源的85%左右的比例。另一种观点则认为，电力牵引不管使用何种电源，都不产生碳排放，理由是碳排放与使用何种电源没有关系，因此，只要是使用电力牵引，列车在行驶途中均不产生碳排放。长期以来，由于缺乏充分的论证，这2种观点都有着很大的市场，同时并存于节能研究领域与实践工作中。

前一种观点混淆了发电与用电的关系以及碳排放付费与责任分担的关系。众所周知，煤电碳排放产生于煤炭发电的环节，而在使用环节上并不产生碳排放。如果在用电环节上也计算碳排放，必然会造成重复计算，从而人为造成碳排放量的虚增。显然，从科学统计的角度出发，碳排放不应计入用电环节。这是其一。其二，很多持这种观点的人使用的论据来源于生命周期理论，按照这种理论，要从相关环节来计量碳排放，而不仅仅是发电这一个环节。有些学者将这一理论运用到煤电领域，就推论出用电环节也存在着碳排放。实际上这是一个认识上的误区。按照碳排放足迹生命周期理论，碳排放也只是涉及煤炭采掘、运输及发电这3个环节［1］，而没有涉及用电环节。如果运用这一理论来考察铁路行业电力牵引，情况比较复杂，需要分别来进行分析。电力机车牵引是否产生碳排放关键是看它是否承担煤炭运输任务，如果是，则有相应的碳排放，如果不是，就可以认为是无碳排放。在既有线上，电力机车往往承担着煤炭运输的任务，在我国这一任务还比较繁重，比如：大秦线每年都需要完成4亿t以上的煤炭运输任务，而这些煤炭运输都是使用电力机车牵引的货运列车来完成。那么，按照生命周期理论来界定，也产生一定的碳排放。但在高速铁路上，情况则大不相同了。由于世界高速铁路运输主要涉及客运（德国部分高速铁路客货混跑，承担少量货运业务，而日本新干线、法国TGV和我国的高速铁路完全是客运），因此，即便从碳排放生命周期理论来分析，高速铁路的运营基本上也不产生碳排放。其三，在有些国家和地区，针对用电环节实行碳排放付费，征收碳税，只能说明用电单位和个人需要承担碳排放的社会责任，并不意味着用电环节本身产生了碳排放。从煤电需求侧的角度看，用户节约用电，实际上也就等于发电厂少发电，相应地就减少了碳排放。反之则发电厂就会多发电，碳排放就会增加。这条供电链实际上是反映下游环节不同的行为方式对上游环节碳排放的影响。而从电价形成机制来看，即使在市场化程度很高的国家，电价也并非完全反映了成本因素，也或多或少地顾及社会公益的因素。因此，很多情形下电价本身就处在实际价格之下。如果要对发电征收碳税，煤电厂就不能完全承担，用户也需要分担一定的比例。

与第一种观点相比较，第二种观点比较切合节能实际，有利于铁路行业碳排放量的统计。更重要的是，它能使人们提高对电气化铁路的重视，正视这样一个基本事实：电力牵引的列车在行驶过程中也不产生碳排放。如果必须考虑生命周期理论，需要将电力牵引使用情况进行分类。如果进一步考察高速动车组列车，由于它不承担煤炭运输任务，可以认为它在任何条件下都不产生碳排放。

综上所述，可以形成一个结论：从理论的角度研究，使用电力牵引作业仍然会产生一定的碳排放，但从实践角度来看，使用电力机车则不产生碳排放。因此，在实践调度中，如果着力于节能减排，就应该尽量多地使用电力机车；在铁路建设方向上，就应该尽量建设电气化铁路尤其是高速电气化铁路。这是铁路在节能减排方面所具有的最大优势，对其他交通运输方式能产生显著的替代节能减排效应，因而它也是推动低碳交通快速发展的最大动力。

3在综合运输中铁路单耗是否最低

在综合交通方式中，相对公路、民航而言，铁路的单耗是最低的，这一点已没有任何异议。即便是公路、民航领域的研究者和支持者，只要站在客观公正的立场上，也都认可这一结论。如果说有什么不同的话，也只是论证的数据不统一，但结论都是高度一致的。目前的争论在于，在所有的交通方式中铁路的单耗是否最低。大部分的观点认为水运的单耗要比铁路低，过去的一些研究文献也提供了相关数据。但是，近年来的一些数据表明，铁路的能耗要比水运低。也就是说，在综合交通运输方式中，铁路是能耗最低的。显然，原有的观点同样遭遇到最新数据的挑战。

一直以来，水运和铁路被认为是能耗最低的2种运输方式，两者的差别并不大。以美国为例，1970年货运能源强度内河为1.22 kgce，铁路是1.55 kgce，两者相当，铁路稍高。但是经过近30年的发展，情况发生了根本性变化。到2008年，水运这一指标变为0.94 kgce，而铁路则变为0.68 kgce［2］，铁路能耗要低于水运，虽然两者能耗都在下降，但铁路能耗显然下降速度更快些。原因是多方面的，但牵引方式的变化、运输工具的改进以及节能技术的运用等是主要因素。

如果对我国的水运和铁路能耗情况做一个分析，两者变化程度会更大一些，主要原因在于我国铁路近年来发展速度迅猛，无论从运输工具的使用、线路质量、牵引能耗结构优化等方面与美国铁路相比都具有明显优势，尤其是我国电气化率已超过50%，已跨入世界先进电气化铁路国家的行业，从而使铁路能耗结构发生了根本性变化，电能已成为目前铁路主要消耗的能源。这些元素的变化，使得铁路节能的效果更为明显。而水运虽然也有比较快的发展，但相对于铁路而言，没有比较优势。从逻辑推理角度可以得出，铁路能耗下降比水运能耗下降要更快，两者的差距也会更大一些。有研究认为，我国铁路能耗仅为水运的1/3，当然这一数据仍需要进一步考证。

如果要对水运和铁路两者的单耗进行比较，规范的方法是以几年的连续数据进行比较，而不是就某一年或者某一个实验数据进行比较。表1就是从2003年至2007年相关数据的比较。从连续5年的数据可以看出，铁路单耗比水运的单耗要低，是4种交通运输方式中能耗最低的。

表1 2003—2007年各种运输方式单耗数据tce/万换算t km

4铁路能效如何引入速度因素

按照物理学的观点，能效是指在能源利用中，发挥作用的与实际消耗的能源量之比。目前衡量能效的指标一般是单耗，有2种表达方式。一是单位产品所消耗的能源，比如单位GDP所消耗的能源。另一种是单位能源所产生的产品（服务）或者产值。前者数值越低，能效越高，反之则反是。后者是数值越大，能效越高。因此，提高能效就是以更少的能耗生产或者提供更多的产品或服务。显然，现代意义上的节约能源并不是减少能源的使用，降低生活生产的品质，而应该是提高能效。因此，能效的比较最能体现各种交通运输方式的优劣势。这就是说，不能仅凭单耗高低判断哪种运输方式是否具有节能潜力或者优势。比如，骑自行车不产生能耗，但由于速度慢，效率低，因此，它的能效并不高，因而它并不是最优的选择工具。现代社会，骑自行车已被列入健身运动，而不是主要作为出行方式。

目前铁路行业单耗的计算，主要是考察单位运输工作量或者单位运输收入的综合能耗（或者主营综合能耗），这在以往的行业统计中是可行的。但目前铁路行业出现了一些新的情况，主要表现在高速铁路所占比重越来越大，这将成为今后中国铁路发展的新常态。由于高速铁路与普速铁路在速度等级上差别比较大，如果仅以单位运输工作量能耗进行比较，就忽略了速度因素，没有体现运输效率。同样，铁路在与其他交通方式进行能耗比较时，也存在同样的问题。为了改进比较方式的不足，有的研究引入了单位换算周转量能耗概念，试图加入运输效率的因素。但问题是，换算周转量引入的只是距离的因素，实际上并没有引入时间的概念，因而也没有很好地体现运输效率。因此，单位换算周转量还需要加入单位时间，可以每小时为单位。这样就变成单位时间单位换算周转量能耗，就能更好地体现能效的现代意义。

在对单耗的内涵做了上述改进后，可以发现，在各种交通运输方式的能效比较中，铁路尤其是高速铁路的优势更为明显。在与公路和水运的比较中，铁路不仅具有单耗低的优势，更具有速度优势。即使在普速铁路与高速公路的比较中，也具备一定的优势。在提速线路，既有列车速度基本上能达到120 km/h及以上。而高速铁路在与高速公路的比较，优势更加明显，平均300 km/h的运营时速也让高速公路上的小汽车望尘莫及。因此，在能耗和速度这2个方面铁路都显示出明显优势。当然，铁路在与民航的比较中，没有速度优势，但由于民航的能耗比铁路高出很多，而在速度上又不具备对高速铁路的绝对明显优势，因而在运输效率方面两者差别并不明显。2个因素综合的结果，依然可以说明高速铁路在能效方面比民航具有明显优势。

总体上比较，铁路能效在综合运输中占有十分明显的优势。根据日本研究机构提供的资料，日本铁路、公路以及民航在其综合运输中分担的运输量比例分别为29.0%、65.8%和5.2%，而各自能耗在交通总能耗的比例分别为3.4%、90.6%和6%，也就是说，日本铁路以占综合交通3.4%的能耗完成了29.0%的运量。

5结束语

铁路节能减排研究和实践中存在的一些分歧和争论究其原因有很多方面。从主观方面来看，一些学者和事务工作者没有很好地结合铁路发展形势来思考这些问题，同时由于受传统观点的束缚比较深，难以在短时间内得以解脱，因而很难在研究方法和思维上实现突破。从客观上看，交通行业有关能耗统计数据不齐全，加上出于保密的原因没有对社会层面进行公开，使得研究工作者难以对这些问题进行定量分析。随着时间的推移和能耗统计数据的不断完善，以及对问题的讨论不断深入，将会逐渐形成共识，并走向一致。这些问题看似简单，实则不然，不仅内涵丰富，而且还包含着一些政策含义。

但具体到交通行业有一个最优选择的问题。目前现实选择有2个方案，即用油和用电。尽管用电比用油节能环保，但宥于目前的技术条件，公路只能逐步加大使用电动汽车的比例，飞机与轮船尚不具备使用电力牵引的条件。另外，就用电本身而言，最优选择是增加新能源和可再生能源发电，逐步减少煤炭的使用。因此，对这些问题的探讨，已经超出了其本身的含义，还涉及更广的政策含义，由此涉及社会经济发展的可持续问题。本文对这些问题所给出的解释主要是从理论层面进行的探索，旨在引起更多专家学者和实务工作者对这些问题的关注和思考，不断纠正认识，形成新的理论范畴和政策依据。

参考文献：

［1］夏德建，任玉珑，史乐峰.中国煤电能源链的生命周期碳排放系数计量［J］.统计研究，2010（8）：82-89.

［2］欧阳斌，李忠奎，陈建营.典型发达国家交通运输能源消费特征分析与启示［J］.综合运输，2010（12）：65-71.

（本栏责任编辑孙晶）

Think of several railway energy⁃saving controversial issues

ZHOU Xin⁃jun
（EnergySavingandEnvironmentalProtectionResearchInstitute，ChinaAcademyofRailwaySciences，Beijing100081，China）

Abstract：In the work of the energy conservation theory re⁃search and practice on the railway，there are some debates for a long time and with widely controversial issues. In this paper，from the point of development it discussed more in⁃depth analysis of these problems. From the angle of the new high speed railway and the relationship between energy，electric traction relation with car⁃bon emissions，railway and water transportation energy consump⁃tion comparison of energy consumption and the efficiency prob⁃lems of the concept of how to introduce speed railway，the article puts forward some innovative ideas，railway. It especially proposed suggestions on how to raise awareness of railway the high⁃speed railway in advancing the comprehensive traffic understanding of the role of energy saving and emission reduction.

Key words：railway；energy saving；electric traction；carbon emissions；consumption

中图分类号：TK018

文献标志码：C

文章编号：1009-1831（2016）02-0036-04

DOI：10.3969/j.issn.1009-1831.2016.02.009

收稿日期：2015-06-05

基金项目：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”（2015YJ003）

作者简介：周新军（1967），湖南东安人，研究员，管理学博士，经济学博士后，研究方向为能源经济、战略管理及公司治理。在公开刊物上发表学术论文100余篇，出版专著1部，合著2部。