铁路低碳技术革新实施路径研究

王永泽

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

1 前言

实现碳达峰碳中和是我国统筹国内国际两个大局作出的重大战略决策，是推进经济社会发展全面绿色转型的迫切要求。《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[1]和《2030年前碳达峰行动方案》[2]等文件明确提出实施交通运输绿色低碳行动，加强绿色低碳重大科技攻关和推广应用。

科技创新是推动国民经济发展和社会进步的重要力量，也是开展国家生态文明建设、实现碳达峰碳中和工作的重要抓手。铁路作为交通行业中绿色低碳的运输方式之一，在“交通强国”建设中占有重要地位，应在积极开展自身碳达峰碳中和战略研究的同时，充分发挥科技创新对铁路碳达峰碳中和的支撑作用，采取多种技术措施推动铁路和交通运输行业碳达峰碳中和目标的早日实现。

2 我国铁路碳排放及低碳技术创新现状

2.1 我国铁路碳排放现状

按照能源种类的来源不同，我国铁路碳排放可分为直接排放和间接排放。其中，直接排放是指铁路消耗化石燃料等一次能源所导致的碳排放，间接排放是指铁路净购入电力和热力等二次能源所产生的碳排放。随着我国大规模开展电气化改造，逐步淘汰蒸汽和内燃机车，广泛开展燃煤燃油锅炉替代改造，我国铁路直接碳排放量自20世纪80年代起降幅明显。

虽然铁路直接碳排放量已大幅下降，但包括净购入电力和热力隐含的间接碳排放量仍处在随着铁路客货运量增长而增长的过程中，国家铁路碳排放总量尚未达峰。通过对相关数据的分析，虽然国家铁路能耗总量、碳排放总量和客货运周转量均呈现上升趋势，但铁路单位运输工作量能耗和碳排放强度总体呈下降趋势，充分体现了我国铁路运输效率的不断提升。

2.2 我国铁路节能低碳技术创新应用现状

为推动铁路绿色低碳发展，我国铁路先后开展了一系列绿色低碳重大战略研究，并先后发布了《新时代交通强国铁路先行规划纲要》《铁路节能环保监测管理办法》等节能降碳相关政策文件和管理办法，对于切实降低我国铁路整体能源消耗和促进绿色低碳发展提供了顶层政策支撑和约束性指引，对于我国铁路碳达峰碳中和技术革新起到了十分良好的引导和促进作用。在铁路节能降碳科技创新层面，清洁供暖技术、建筑围护结构改造技术、能源管控系统等各节能降碳技术得到了广泛研究和推广应用，促进了我国铁路综合能效水平的稳步提升。

2.2.1 开拓铁路牵引节能降碳技术研究

机车牵引耗能在铁路整体耗能占据主要比例，目前国家铁路牵引碳排放已经成为我国铁路碳排放的主要来源。为此，我国铁路在机车牵引供电节能技术、机车节能驾驶技术等牵引节能技术方面开展了一系列研究及应用工作[3]。

针对内燃机车碳减排，一方面通过大规模电气化改造减少内燃机车运行数量，从根本上减少二氧化碳等温室气体排放，截至2021年底，我国铁路电气化率已达73.3%[4]；另一方面，针对现存的内燃机车，开展柴油机节能减排技术研究，通过对柴油机技术的不断改造升级，减少污染气体排放和燃油消耗。

针对电力机车的节能减碳，采取了机车移动装备和牵引变配电系统节能技术等多种方式降低铁路牵引能耗。开展了永磁同步牵引系统的全寿命周期和关键技术研究[5]，并在世界领先新型复兴号高速综合检测列车上完成了装车试验，功率密度和牵引效率得到明显提升。不断深化铁路再生制动能量回收利用技术研究试验，铁路机车的再生制动能量回收利用效率不断提升[6]。多种车体轻量化技术在复兴号系列标准动车组中广泛应用，促进了铁路机车移动装备牵引耗能的持续下降[7]。在牵引变配电系统节能技术创新领域，电气化铁路220 kV节能型卷铁芯牵引变压器在山西中南部铁路通道王家庄牵引变电所投入运行，节电效果显著。机车节能驾驶及无人驾驶技术得到了广泛研究和示范应用[8]。多种机车移动装备和牵引供电系统节能技术共同配合，助力我国铁路牵引系统节能低碳水平不断提升。

2.2.2 聚焦铁路建筑节能降碳科技创新

为持续降低铁路非牵引领域的耗能水平，我国铁路针对铁路客站等重点建筑领域及相关耗能设备开展了大量节能技术研究。针对铁路固定资产投资项目前期的节能技术审查和后期的节能监管，开展了铁路大型客站投资项目节能评估与审查技术要求研究、铁路建设项目节能过程监管及验收管理办法研究，强化铁路建设项目节能评估方法与规范研究，从源头审查和事中事后监管等方面确保了固定资产投资项目的节能低碳[9]。

在铁路办公建筑及生活建筑场所广泛开展建筑围护技术改造、中央空调节能改造和绿色照明技术应用，有效降低了铁路空调暖通及照明系统耗能[10-12]。此外，还开展了铁路站段的直供电源改造技术研究，取得了良好的节能效果。

开展铁路运输企业温室气体排放核算方法研究，明确铁路温室气体排放路径和核算方法，为降低温室气体排放提供理论基础。不断加强和完善铁路能源计量监测体系和制度研究，提高铁路运输企业节约能源和监测管理水平。研究铁路公共建筑能耗管理平台相关技术，推广应用铁路能源管控系统，以信息化平台的管理方式实现铁路能源的精细化计量和重点耗能设备的综合高效节能管控，有效提高了铁路客站的综合能源利用效率，促进了铁路客站的绿色低碳运营水平[13]。

2.2.3 优化铁路新能源布局

可再生能源利用被认为是当前实现碳达峰碳中和的重要技术方向。为进一步提升铁路清洁能源利用比例，我国铁路在武汉站、杭州东站、雄安站等铁路大型客站，广州动车段，浙江长兴物流基地等建筑屋顶及部分边坡地带推广应用了光伏发电系统，对于实现铁路用电的清洁化和低碳化、助力碳达峰碳中和起到了积极作用。此外，多个北方铁路站区采用空气源热泵技术替代燃煤燃油锅炉[14]，采用地源热泵技术用于铁路客站供暖制冷，利用太阳能热水技术，不断优化铁路能源消耗布局。

2.2.4 重视生态修复和绿化技术研究

森林碳汇是实现碳中和的重要技术之一，虽然我国铁路尚未有大面积开展森林碳汇的条件，但随着铁路线路里程的不断增加，沿线路基边坡已经成为开展铁路绿化设计应用的重要场所。与此同时，我国铁路对生态保护和生态修复的重视程度不断提高，对建设过程中的弃渣场生态修复技术和新建线路的边坡绿化技术开展了研究和应用，使铁路沿线边坡绿化和弃渣场生态修复水平不断提升，截至2021年底，全国63 276 km宜林铁路已绿化55 127 km，同比增长2.42%，铁路线路绿化率达87.12%[15]，对于实现铁路碳中和起到了促进作用。

3 我国铁路碳达峰碳中和技术创新面临的形势

3.1 “双碳”及绿色发展有关政策要求

《2030年前碳达峰行动方案》中要求推动运输工具装备低碳转型，构建绿色高效交通运输体系，加快绿色交通基础设施建设。《绿色交通“十四五”发展规划》提出推进绿色交通科技创新，加快交通能源互联网技术、基础设施分布式光伏发电设备及并网技术研究，加快节能环保关键技术推广应用[16]。《“十四五”交通领域科技创新规划》提出突破新能源与清洁能源创新应用关键技术，重点突破新型铁路能源系统及牵引供电技术，以动力清洁化、结构轻量化、能源管理智能化为主线，推动氢能、太阳能、风能等新能源清洁能源应用[17]。《国务院关于印发“十四五”节能减排综合工作方案的通知》(国发〔2021〕33号)提出，提升铁路电气化水平，推广低能耗运输装备；大力发展智能交通，积极运用大数据优化运输组织模式[18]。

国家、交通运输部及国铁集团发布的各项规划文件对铁路“十四五”及未来一段时期的绿色低碳发展提出了新要求、新任务，也为铁路实现碳达峰碳中和技术革新指明了方向。铁路的碳达峰碳中和技术革新必须紧密依托国家绿色低碳和科技创新发展需求，主动融入交通运输行业“双碳”发展大格局，为建设绿色低碳、安全高效的综合交通运输体系贡献更大力量。

3.2 我国铁路节能低碳技术革新的形势分析

3.2.1 铁路牵引节能降碳技术有待进一步突破

随着我国铁路牵引耗能比例的持续上升，牵引领域的低碳技术创新逐渐成为铁路碳达峰碳中和目标实施的关键。欧洲国家及日本等在牵引节能降碳技术领域投入了大量人力物力财力，推动了氢能动力机车、太阳能机车、混合动力机车及牵引节能设备的快速发展。近年来，我国铁路在永磁同步牵引电机、再生制动等牵引领域开展了研究应用，但与世界先进水平相比仍存在一定差距，牵引领域节能降碳技术对铁路碳达峰碳中和的促进作用有提升空间。

3.2.2 清洁能源利用技术在铁路的应用有待进一步提升

光伏发电系统是铁路目前新能源利用的主要形式之一，虽然诸多铁路建筑屋顶安装了光伏发电系统，但光伏系统发电量占铁路整体自用电比例还不高，未能实现理想的经济效益和节能降碳效果。此外，铁路路基边坡等场所应用光伏系统的建设模式有待完善，光伏系统对铁路牵引用能的低碳化改善不显著，氢能、生物能等新能源在铁路的应用技术还处于起步阶段，铁路清洁能源综合利用比例有待进一步提升。

3.2.3 铁路客站绿色低碳水平仍需提高

铁路客站是铁路非牵引领域节能降碳技术创新应用的重要场所。基于中央空调节能改造技术、绿色照明技术、能源管控系统等多种技术的应用，铁路客站的综合能效水平有所提升，但由于各种节能技术的应用水平和建设标准存在差异，应用过程的有效衔接配合仍有不足，铁路客站距离高水平的绿色公共建筑和零碳车站还存在一定差距。

3.2.4 铁路数字化、信息化技术创新应用有待加强

数字化、信息化技术已经成为推动当代铁路绿色高效发展的新一代工具。虽然我国铁路近年来在信息化系统领域开展了大量工作，但目前的数字化、信息化整体水平还不高，5G、大数据、区块链等新一代信息技术与铁路节能降碳技术的融合仍不够紧密，数字化、信息化、智能化技术对铁路减污降碳发挥的协同作用仍不明显。

3.2.5 铁路废弃资源回收利用水平有待提高

废弃资源回收利用是减少铁路能源及成本消耗、降低碳排放量不可忽视的重要方向。当前，我国铁路废弃资源总量呈快速增长的趋势，但针对不同种类废弃物的回收利用技术缺少深入研究，废弃资源回收利用水平与世界先进水平存在差距。在污水处理技术应用研究方面有待进一步加强，对铁路各种生产及生活污水回收利用水平有待提升。

4 我国铁路碳达峰碳中和技术革新重点方向

4.1 提升运输组织效率

运输组织效率是影响铁路能源消耗和碳排放的直接因素之一，应制订高效合理的运输组织方案，充分利用大数据分析技术，根据每日客流量及货运量变化科学制定“一日一图”，全面提升铁路整体运行效率；充分运用5G、北斗等技术实现货运提速增质，不断提升装卸、中转技术作业效率；加快推进多式联运场站建设及信息平台构建，支持具有公共属性的多式联运枢纽站场和集疏运体系建设、运输装备升级改造、信息互联共享等。

4.2 强化铁路牵引节能技术创新

加快开展氢能等新能源动力机车及柴油蓄电池、燃料电池等混合动力机车研究，强化铁路机车移动装备动力清洁化、车体轻量化关键技术创新，推动CR450系列新一代高速动车组早日落地，打造更加绿色低碳、节能高效的新型动车组技术平台。深化内燃机车低排放控制技术研究，加强柴油机燃油电子喷射系统、前后处理装置等关键部件和核心技术的自主研发，持续优化燃油系统和控制系统，降低内燃机车碳排放及污染气体排放水平。研发更加节能高效的牵引供配电设备和电力电子设备，降低牵引供配电系统能耗。

4.3 持续提升清洁能源利用比例

推动构建以清洁低碳为主体的能源供应体系，实施可再生能源替代行动，是当前及未来一段时间我国实现碳达峰碳中和目标的重要任务。铁路应继续扩大光伏发电系统在站房及沿线路基边坡的应用范围，深入推进铁路光伏建筑一体化、完善铁路沿线边坡光伏系统建设应用模式。破解光伏发电应用于铁路牵引供电系统的技术难题，全面提升铁路牵引用能清洁能源利用比例。探索铁路集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电于一体的“光储直柔”建筑模式及先进技术，结合智能微电网技术，实现铁路建筑用电资源的最优化调配。积极布局氢能、生物能等新能源技术在铁路的应用研究，加快构建清洁低碳、绿色高效的铁路能源供给和消费体系。

4.4 打造零碳示范车站

零碳示范客站属于零碳建筑的一种，是在超低能耗建筑和近零能耗建筑基础上提出的一种更高水平的节能建筑类型。该建筑可以实现二氧化碳零排放，对于碳达峰碳中和战略目标的实现具有深远意义。参考国外铁路生态车站建设模式和国内其他行业零碳建筑优秀案例，充分利用光伏、地热等新能源技术和自然通风、天然采光及围护结构保温隔热技术，采用高效节能设备，广泛应用空调节能、照明节能等多项高效节能降碳技术，最大限度提高铁路客站能源利用效率，探索铁路零碳车站综合示范技术，实现铁路客站零碳排放的目标。不断完善相关标准，在全路逐步推行铁路客站零碳示范车站，建立铁路零碳示范客站推广应用模式，全面提高铁路客站绿色低碳技术水平。

4.5 推动铁路网、能源网、信息网“三网”融合

大力推动能源领域碳减排是做好碳达峰碳中和工作的重要举措，充分发挥新一代信息技术优势是助力碳达峰碳中和工作的重要工具。铁路的节能减排须以国家能源绿色低碳转型政策措施为根本遵循，以新一代信息技术的广泛应用为重要抓手，坚持创新驱动、集约高效的基本原则。加强铁路网、能源网、信息网的“三网”融合研究，在对铁路现有能源使用需求、信息网应用和路网发展规模等供需匹配关系的基础上，深入研究铁路运输组织技术与绿色低碳能源供给技术、新一代信息技术等先进技术的高效融合，建立以清洁能源利用技术为主体、多种信息化技术协同配合的“三网”高效耦合体系。积极主动推进铁路数字化转型，优化铁路传统能源供给和消费方式，研究新型能源供给技术、智能微电网控制技术与铁路运输组织技术、节能改造技术的有机融合，推动数字化、信息化技术在铁路节能降碳工作中的广泛应用。

4.6 强化铁路碳中和前沿技术布局

研究适用于不同地区气候特性的绿化技术和植被修复技术，因地制宜开展铁路沿线路基边坡、空余场地、弃渣场的绿化及生态修复工作，不断强化铁路生态固碳能力，提高铁路碳捕集、利用与封存技术水平。加快氢能、大容量先进储能技术在铁路的示范应用，稳步推进量子技术、区块链、数字孪生等新一代信息技术在铁路的应用研究，深化碳纤维、碳化硅、纳米等新型复合材料在铁路全生命周期的应用研究，打造铁路全过程领域低碳零碳负碳技术创新体系。

5 结束语

铁路节能低碳技术创新与应用是推动铁路碳达峰碳中和工作开展的不竭动力，为早日实现铁路碳达峰碳中和目标，应全面推进铁路节能降碳技术革新，进一步加大绿色低碳技术在铁路各领域的推广应用。不断提升运输组织效率，强化铁路牵引节能技术创新，推动铁路移动装备和重点用能设备节能改造技术升级，聚焦太阳能、风能、氢能等可再生能源在铁路能源供给和消费中的应用模式，采用多种先进建筑节能新技术打造铁路零碳客站，推动铁路网、能源网、信息网“三网”深度融合，持续提升铁路沿线生态系统碳汇能力，为更好地发挥铁路在综合交通运输系统中的低碳骨干作用、助力交通运输行业碳达峰碳中和目标的早日实现提供有力支撑。