电能在未来交通运输中的应用

郭屹安

（石家庄市第一中学，河北 石家庄 050011）

0 引言

人们的生活离不开交通运输，交通运输行业也是一个国家的重要基础产业。交通运输的目的是实现人或物的空间位置转移，在这个转移过程中，需要消耗能量以克服摩擦阻力、空气阻力以及物质惯性。在人类文明发展之初，人们能利用的能量主要为人力和畜力，甚至这两种动力直到今天还在使用，如人力车、狗拉雪橇。后来随着人们对自然界认识的深入，逐渐掌握了利用一些自然现象中蕴含的能量来完成交通运输，如帆船。在第一次工业革命中，人们掌握了蒸汽机这种动力，于是在1825年诞生了火车。到19世纪后期，电力技术催生了第二次工业革命，电气化铁路在1879年应运而生。而今，人类的主要交通工具或者依靠以石油及其衍生物为代表的化石能源作为动力，或者依靠电力能源作为动力。

面向未来，人们对交通运输的需求只会越来越大，人类社会的生活品质也会更加的依赖交通运输行业。同时，交通运输行业的能量消耗势必逐步增大。在能源越来越紧缺的今天，我们有必要探讨今后交通运输应该发展哪种动力形式，哪种能源是未来交通运输可持续依赖的能源。

1 电能在今后的优势地位

当今世界，经济社会的发展对能源的依赖程度不断增加，生态环境对能源的约束力越来越强，能源问题在全世界范围内受到广泛的关注。截至目前，虽然化石能源的剩余存储量尚未对全球能源供应造成实质性约束，但是由于化石能源的不可再生性和全球能源区域性供应和消费的失衡，以及化石能源消费带来的温室气体排放，使得如何保障能源的可持续性供应成为人们关注的焦点。纵观全球能源与科技形式，新的技术革命必然是一场能源技术革命。

电能的巨大优势表现为：

（1）可以快速远距离传输，其使用不受地域限制。

（3）使用过程清洁无污染，不排烟排气。

（4）使用过程中变换、控制方便灵活。

（5）产生形式多样，可以综合利用各种一次能源，无枯竭之虑。

在能源生产领域，各国正在积极探索新能源发电。风能、太阳能、水力、潮汐及地热能等可再生能源的开发及利用，新一代核能利用技术，将成为能源生产领域的热点。未来清洁能源发电量及比重如图1所示。新一轮能源技术革命，将是一次以技术创新为先导，以电力为中心，以优化能源结构、提高能源利用效率、实现可持续发展为目标的深刻变革。

图1 未来清洁能源发电量及比重

2 交通运输中的电能应用

2010年我国交通运输业终端能源消费总量达到2.1亿吨标准煤，其中89%为油品 （只统计交通运输部门运营的公共交通工具的用油量，未统计其他部门和私人车辆的用油量），在世界终端能源消费中所占比重约为27.4%。在未来，随着交通运输业的快速发展，交通运输业能源消耗将持续增长，在交通领域将推进以电代油，提高交通行业电气化水平可以减少化石能源消费，减小环境污染，构建绿色交通体系。

以电能作为交通运输能源，具有功率大、噪声低、容易实现精密控制等显著优势，具有良好的发展前景。

2.1 电气化铁路

电气化铁路具有运输能力大、速度快、环境友好、能源消耗少等诸多优势，在中长距离、大运量货物运输方面具有绝对优势，也是中长途旅客运输及高密度城际旅客运输的骨干力量。2000年在非洲召开的世界铁路会议上，国际专家和学者一致认为，在客货运量大、基础设施比较好的国家应大力发展电气化铁路，其电气化率应达到50%～60%以上。

SPSS21.0统计分析,计量资料数值用±s表示,均行正态分布检验,采用双侧检验,比较用t检验。组内治疗前后采用配对t检验,两组组间比较则用独立样本t检验。计数资料率用卡方检验。P<0.05:差异有统计学意义。

实践证明，相较于传统的内燃牵引，电力牵引的优越性越来越大，如电力机车的效率要比内燃机车高54%，电力牵引运输成本比内燃牵引低60%，却实现了更高的运营速度，而且电力牵引恒功率范围宽，电制动功率也大，所以启、制动和加、减速性能也更为优越。电力牵引这种快跑、多拉的特性能更充分地满足铁路运输对提高行车速度、增加列车重量和加大行车密度的综合要求，可以明显改善社会物流状况和人们的旅行条件，并能缓解交通堵塞、减少大气污染、节省石油及土地等有限资源。

2.2 城市轨道交通

城市轨道交通是现代生活中与我们息息相关的重要城市组成部分，具有运输量大、安全性高、速度快等优点，能有效地缓解城市交通拥堵的情况。常见的种类主要包括地铁、有轨电车、轻轨、磁悬浮铁路等。城市轨道交通普遍采用电动车组，能够适应频繁启停、加速快的需要，并且无污染。电动车组的运行线路固定，自身不携带电能。大多数是在行驶过程中从牵引网上获取电能，也有的（如高速磁悬浮列车）是通过对行驶的专用轨道逐段供电获得动力。从供电的角度看，无论是地铁还是轻轨或是其他城市轨道交通形式，差异仅在于输送电能的方式和多少有所不同。

我国城市轨道交通建设正处于快速发展时期，截至2017年末，中国内地共34个城市开通城市轨道交通线路165条，总运营里程达到5033km，累计完成客运周转量1513.6亿人公里，在建线路长度6246km，规划线路总长7424km。运营规模、客运量、在建线路长度、规划线路长度均创历史新高。按平均人公里能耗为0.166kWh计算，2017全年全国城市运营轨道交通线路总能耗达250亿度电，其中，牵引与通风空调用电占总能耗的比例分别约为50%和35%。

城市轨道交通已经成为大型城市的重要甚至最大电能用户，为实现节能减排，采取技术对策进行节能增效势在必行。以地铁为例，地铁主要是为了缓解大城市交通压力，其站间平均距离在1km左右。由于列车站间距离短，列车需频繁启动，所以车速一般在80km/h～100km/h。地铁车辆再生制动过程中会产生数量可观的电能。一般可达牵引能量的30%～40%。再生制动就是车辆在减速制动时，牵引电机工作在发电机状态，将制动过程中产生的电能回馈到直流网。

目前，国内外绝大多数地铁列车均采用车载制动电阻方式进行电气制动，制动过程中产生的过剩电能不得不消耗在车载电阻上，这会产生大量热量，使线路周围，特别是隧道内空气温度升高，也反过来又进一步增加了车站内和车上空调通风装置的负担，造成城市轨道交通线路运营成本增加。随着电力电子技术的不断发展，逐渐涌现了再生制动能量的利用方法，包括储能式和逆变回馈式。逆变回馈型吸收装置利用逆变器将直流电逆变回交流电网，然后供给其他设备负载使用。传统的储能装置主要是蓄电池，随着科技的不断进步，超级电容储能和飞轮储能作为新兴储能方式的代表，近年来得到了普遍的重视和大力发展，并且在城市轨道交通中有所应用。例如，2007年，西武铁道公司在阿贺野变电所安装了超级电容储能装置；2013年东日本铁道公司在拜岛牵引变电所建成锂离子电池储能系统等。如果可以合理利用再生制动能量，将对节能产生积极的影响，降低运营成本。

2.3 电动汽车

汽车的应用可以追溯到1886年，在现代社会生活中，汽车已成为不可缺少的代步和运输工具，极大地改善着人们的生活方式，拥有汽车的人口或家庭比例，也成为衡量一个国家社会发展的重要指标。但同时，汽车的大量应用也造成了石油消耗和环境污染等一系列严峻问题。为了寻找新的发展空间，从20世纪90年代初起，世界各大汽车集团公司相继研制出多种电动汽车及电动汽车概念车，如1990年通用汽车的Impact纯电动轿车，1992年福特汽车使用钙硫电池的Ecostar，1996年丰田汽车使用镍氢电池的RAV4LEV，1996年法国雷诺汽车的Clio。

电动汽车除了在能源、节能环保方面展现巨大的竞争力外，在车辆性能方面也展现出了巨大的优势。电动汽车的转矩响应快，电机可进行分散配置，易于实现四轮独立驱动和四轮转向。随着网络、信息、线控技术等技术的不断进步，使得智能交通系统和无人驾驶技术的实现成为可能。

电动汽车在广义上可分为3类：纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（PHEV）、燃料电池汽车（FCEV）。电动汽车依靠电池提供动力，电池也是一直制约电动汽车发展的主要因素。目前为止，电动汽车用电池大致经历了3代发展。第一代铅酸电池凭借高能量比、价格低和能高倍率放电得到了广泛利用。第二代为碱性电池，主要有Ni-Cd、Li-ion、Zn/Air等，其比能量及比功率较铅酸电池都高，但价格却比铅酸电池高。第三代是以燃料电池为主的电池，直接将燃料的化学能转变为电能，是较为理想的汽车用电池，但目前仍处于研制阶段。受电池容量和寿命的影响，BEV目前仅适用于短距离低速行驶，HEV因存在双动力源，因此即可以满足正常驾驶，又降低了排放，在目前的技术水平下，实用价值较高，FCEV具有较大的潜力，有望在未来得到突破性进展。

为了扶持电动汽车的发展，2009年开展“十城千辆”计划，主要在城市的公交、出租、公务市政等领域推动电动汽车的应用。未来10年是中国新能源汽车发展的战略机遇期，中国政府相继出台了一系列电动汽车相关政策，并把新能源汽车列为战略性新兴产业之一，提出要重点发展插电式混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车技术，开展插电式混合动力汽车、纯电动汽车研发及大规模商业化示范工程。未来中国电动汽车将迎来新一轮的高速发展。

2.4 电力舰船

目前世界上大多数军用及民用舰船主要采用机械推进系统，利用高速旋转的原动机（通常为柴油机、燃气轮机和蒸汽轮机）通过齿轮机构降速后驱动螺旋桨以较低速度旋转，从而推动舰船在水中移动。由于现代舰船上离不开电控系统，舰船上必须要有电源，因此使用机械式推进系统的舰船一般至少配置两套原动机，一套用于推进，另一套用于发电。推进用原动机的功率占全船总功率的3/4以上，它只能提供给舰船推进动力，不能提供其他需要能量。

在电力舰船上，采用发电机先将高速原动机的旋转机械能转换为电能，再通过电力传输线将电能输送给推进电机，推进电机与螺旋桨直接连接，通过电机的旋转将电能转换为螺旋桨旋转的机械能来推进舰船移动。在电力舰船上，发电机组产生的电能，除用于推进外，也可方便地用于其他电力需求，可以将原有气动、液动、液压驱动的辅助机械及舰载武器装备实现电气化，构造成全电力舰船。

采用这种新型电力推进方式，由于取消了齿轮箱等大功率后传动机械装置和长轴系，可以显著地降低运行噪声。此外，全电力舰船可以根据舰船的航速、载重和电力负荷变化实时调整发电机组运行状态，减小原动机能源消耗，始终保持高效率运行，通过节能实现良好的经济性。

2.5 电力飞机

按照政府间气候变化专门委员会的报告，航空运输业目前贡献了全球二氧化碳排放量的2%，随着航空运输业的发展，这个贡献量将来可能增加到3.5%。航空运输业应对碳排放的一个有效策略是将飞机电气化，以减少燃油消耗，有两个技术路线：全电飞机和多电飞机。

全电飞机是由电机提供飞机的航行动力，驱动电机电源可由燃料电池、蓄电池、太阳能板、超级电容等供电。由于这类新能源电源的功率密度或能量密度还较小，不能提供超大功率或容量电源，目前全电飞机都是小型飞机，如空客公司2015年展出的E-Fan 2.0，该飞机采用两座设计，机身采用全碳纤维复合材料，总重只有半吨，在约9.4m长的机翼上配备有锂离子聚合物电池，为两台60kW驱动电机提供电源。E-Fan 2.0不排放二氧化碳，飞行时也几乎无噪声，最大速度可达218 km/h，可滞空1h。

多电飞机仍采用内燃机驱动，驱动功率可以比较大，而飞机的常规四种次级功率系统（液压、气动、电气、机械）统一用电气系统来实现。例如波音公司的787飞机和空客公司的A380飞机都采用了多电技术。此外，核能作为清洁能源之一，核电飞机将重新引起关注，美国在冷战时期已经将部分战略轰炸机改装为核动力。

2.6 真空管道交通

2013年Elon Musk提出了一个名为Superloop的超级列车计划，采用“真空管道”和“胶囊列车”，2016年建设了试验段。该运输系统由真空管道、载人舱体、悬浮部件、推进系统等部分组成，通过磁悬浮技术，将重达183kg、长达4.87m、高约1.5m，能容纳4名～6名乘客的胶囊状舱体“漂浮”于真空管道中，再利用推进系统将“胶囊”高速推向目的地。我国西南交通大学也建设了类似的小型试验装置。根据设想，真空管道交通系统的速度可以达到每小时2000km。

真空管道交通的磁悬浮需要电能，推进用的直线电机也需要电能。由于管道内接近真空，胶囊列车的空气阻力大大降低，这能显著减小能耗，此外，在列车即将到站需要减速时，动能又可通过直线电机进行能量回收和再利用。真空管道交通所需的电能可以沿线采用太阳能发电装置，并可配置电池储能设施，以满足运行需要。这种真空管道交通今后有望取代飞机称为人类长距离运输的主要交通工具。

结论

由于电能在未来能源结构中的中心地位，特别是由于电能具有能够综合利用各种一次能源不存在枯竭危险，在使用过程中清洁无污染、方便灵活可控等优点，在未来的公路、铁路、航空、水运等主要交通运输方式中，都将继续推进以电代油，提高交通运输行业的电气化水平，减少化石能源消费，减小环境污染，实现绿色出行。

以电能作为驱动动力，常见的交通运输工具都将向着功率大、噪声低、操控灵活、节能环保的方向发展。

总之，发展电气化交通运输具有重要意义，也是人类实现可持续发展的必然需求，我们应该大力支持，并为之努力发展相关技术，实现交通运输能源转型，构建绿色综合交通运输体系。