铁路“以电代油”效应评价及未来发展趋势

周新军,薛 峰

(1.中国铁道科学研究院运输及经济研究所,北京 100081;

2.北京铁路局客运处,北京 100860)

铁路“以电代油”效应评价及未来发展趋势

周新军1,薛 峰2

(1.中国铁道科学研究院运输及经济研究所,北京 100081;

2.北京铁路局客运处,北京 100860)

在以石油为主导的世界能源消费结构逐步陷入能源供给危机的背景下,一些国家已着手对运输业的能耗结构进行调整,其中之一就是在铁路行业实施“以电代油”工程。通过对铁路电气化线路运营效率的主要指标、运输成本、能耗及其对整个行业能源结构的影响等因素的比较分析,发现电气化铁路在速度、经济效应及社会效应方面具有独特的优势。铁路“以电代油”未来发展趋势主要是发展高速电气化铁路,并改进电力机车性能及供电方式。

铁路;以电代油;效应;能耗;趋势

随着世界经济的快速发展,一方面以石油为主导的世界能源消费结构逐步陷入了能源供给的危机,另一方面,全球气候变暖以及环境逐渐恶化等问题日益严重,推行以低能耗、低污染和低排放为基础的经济发展模式(低碳经济)成为许多国家的共识和政策调整的取向。低碳经济的内容已经渗透到各个领域,包括低碳能源、低碳农业、低碳工业、低碳交通以及低碳生活等等。由于交通运输主要以消耗石油为主,因此,低碳交通在低碳经济发展模式中占有十分重要的位置。目前世界运输业发展低碳交通的一条主要路径就是积极推广“以电代油”技术,包括公路方面使用电车等,因其数量极为有限,很难做到像铁路一样大范围使用电力驱动,因而“以电代油”的核心内容是提高电气化铁路在铁路总里程中的比重,并改进供电等领域的技术。

随着我国经济社会的快速发展,运输需求持续增长,交通运输能源消耗,主要是石油消耗大幅度增加。有资料显示,从1990—2004年全社会石油消费年增长率为6.5%,而道路交通汽、柴油消耗量由2480万吨增长到8100万吨,增长2.27倍,年增长率为8.82%;航空交通航油消耗量由118.7万吨增长到788.8万吨,增长 5.65倍,年增长率为14.48%[1]。最近几年,交通运输中石油消耗的增速大大高于全社会石油消耗的增速。根据《中国统计年鉴》数据分析,从2005—至2007年,全社会汽油、煤油、柴油和燃料油年均增长率分别为5.55%、5.51%、8.1%和-5%,交通运输业汽油、煤油、柴油和燃料油年均增长率则为6.24%、11.33%、17.58%和 6.59%。

在各种交通工具中,铁路是唯一可以大范围(电气化率比较高)采用多种能源替代石油的大能力综合性绿色交通运输工具,因此,交通运输中实施“以电代油”不仅能起到降低能耗、缓解石油供需矛盾的重要作用,而且也是减少环境污染、净化空气的有效途径。随着水电和核电的发展,电气化铁路在能源消耗方面的优势还将更加突出。因此,大力推行电气化铁路,大量使用电力机车作为牵引力已成为世界铁路发展的目标取向。

一、铁路“以电代油”的现状

(一)世界电气化铁路发展状况

虽然世界上第一条电气化铁路诞生于1879年,但世界各国铁路真正开始大规模采用电力和内燃机车取代蒸汽机车则始于20世纪40年代。50年代一些工业发达的国家为了完成急剧增长的运输任务,以及与其他运输业竞争的需要,开始大规模地进行铁路运输业的现代化建设,电气化铁路建设速度不断加快,修建的国家逐渐增多。60-70年代世界迎来了电气化铁路发展最快的时期,平均每年修建达5000公里。至70年代末,在工业发达的西欧、日本、前苏联,以及东欧等国家,运输繁忙的主要铁路干线都已经实现了电气化,而且基本上已经成网。80年代以后,一些发展中国家,如我国、印度等国家的电气化铁路发展也很快,其中南非1997—1998年2年就修建了电气化铁路7898公里,平均每年建成近4000公里,创造了世界电气化铁路建设速度的历史记录[2]。

但是,单纯的电气化铁路已不能很好地适应现代社会对速度交通的需要,如果不能在速度上取得竞争优势,电气化铁路很难为铁路正名,重新获得以往铁路在各种交通运输方式中的竞争优势,它的社会效应和经济效应也就很难得到显现。1964年日本建成了世界上第一条高速铁路——东京至大阪高速铁路。从那以后,40多年来高速铁路从无到有,并迅速得到发展。根据业内学者分析研究,高速铁路的发展大致可划分为三个不同的阶段,即20世纪60年代至80年代末的第一次建设高潮,90年代初期形成的第二次建设高潮,以及90年代中期以后形成的第三次建设高潮。据不完全统计,截至2005年12月,全世界运营中的高速铁路营业里程总长达6393公里,这些线路分布在10个国家和地区。21世纪的铁路运输业将会出现轮轨系高速铁路的全面发展,全球性高速铁路网建设的时期已经到来(见表1)。

表1 国外目前在建的高速铁路(单位:km)

(二)我国电气化铁路发展状况

我国的电气化铁路近10年来发展也很快。1996—2000年“九五”期间建成开通了电气化铁路5030公里,平均每年建成电气化铁路多于1000公里。近年来,我国电气化铁路建设获得了较快发展(见表2),但与日、德、法等一些先进国家相比,仍然存在着较大差距,不但在电气化比重上远远低于这些国家,更主要的是许多关键技术还远远落后于这些国家,设备的设计制造理念即便和准发达国家相比差距仍然很大。我国铁路在电气化铁路的建设、运营、维护管理等方面尚未形成统一、有机的系统体系,如牵引供电、电力机车、行车指挥、环境灾害和设备维护等各专业各自发展的综合系统尚未形成。

表2 2001—2008年电气化铁路里程变化 (单位:万km)

表2显示,“十五”期间铁路电气化里程逐渐增长,在全路所占比例逐年提高,电气化率也在稳步提高,已从2001年的24.14%上升至26.7%,但增长幅度缓慢。进入“十一五”,电气化开始了较快的增长。仅2006年一年就提升了5个百分点,而整个十五期才提升 2.56个百分点。到2008年,在铁路营业里程中电气化率已超过1/3。最近几年,我国的高速铁路获得了又好又快的发展,到2012年我国将有1.3万公里客运专线及城际铁路投入运营,技术水平和建设规模世界领先。随着一大批高速铁路相继建成并投入运营,到2020年我国铁路电气化率将达到60%以上。

二、铁路“以电代油”效应评估

对铁路“以电代油”实际效果的评价需要综合考虑多种因素,目前国内外的研究还没有建立起一个比较客观实际的量化指标体系。本文拟从电气化线路运营效率的主要指标、成本及能耗结构的改善等方面来分析和评估目前世界以及我国铁路推行“以电代油”工程的实际效果。

(一)电气化线路的运营效率指标

根据国外相关研究,电气化铁路的运营效率主要指标(货运列车平均重量、线路区间平均速度、机车平均日产量)比非电气化线路高20%-30%[3]。这些效率指标表明了电气化铁路本身所具有的优点,使得它在与内燃牵引方式相比较时,显示出绝对的竞争实力。

货运列车平均重量指标表明不同类型的机车牵引下的货物运输能力。线路区间平均速度用来衡量不同类型机车作业时的工作效率,平均速度越高,货物周转时间越短,周转速度越高,工作效率越高。机车平均日产量,又名机车平均每日生产量,或机车生产率,用来衡量机车每天的工作效率。以货运列车平均重量指标为例,一条电气化铁路的输送能力,相当于一条半内燃机车牵引或3条蒸汽机车牵引的铁路输送能力。电力机车的最大功率可以达到9600千瓦,而内燃机车只有6000千瓦,仅及电力机车的2/3。机车的功率大使得它在牵引作业时具有10%-40%的短时超载能力。21世纪初,世界铁路总里程为94.99万公里,其中25%为电气化铁路,而75%的铁路采用内燃牵引,两种牵引方式的运量相当平衡(各占50%)。换言之,全球电力牵引的列车平均货运量是内燃牵引的3倍。独联体国家的比例更高一些,电力牵引运量是内燃牵引运量的3.7倍。

(二)电气化线路的运营成本

运营成本是列车在运行过程中发生的所有成本的总和,铁路维修和服务费用、人力成本等。运营成本高低直接关系到一条线路的经济效应,因此有效降低运输成本,可以大大提高线路运营的经济效应。由于运能大,所需机车少,相应要维修的设备量也少。另外,电气化铁路还大大改善了机车乘务人员和沿线养护人员的劳动条件,精简了人员,降低人力成本。根据俄罗斯有关研究结构提供的调查数据,就成本而言,在同等工作负载下,电力机车数量和机车乘务员可以减少15%-20%,电力供应设备和交流车辆的故障率也明显降低。结果是,交流线路区段上运输成本比直流牵引低20%。俄罗斯电气化线路总的经济指标(运输成本)比内燃机车线路低50%-100%。电气化铁路运输成本的降低从另一个方面提高了运营的经济效应。电气化高速铁路投入运行以来,不仅倍受旅客青睐,而且其经济效应也十分可观。日本东海道新干线开通后仅7年就收回了全部建设资金,自1985年以后,每年纯利润就达2000亿日元。德国ICE城市间高速列车每年纯利润达10.7亿马克。法国 TGV年纯利润达19.44亿法郎[4]。

当然,许多例子也同样证明,每条铁路都有其“临界货运量”,只有在这个水平之上,电力牵引在技术上和经济上才是有效的选择。因此,任何一个考虑向电力牵引转换的国家在对这个问题做出决定之前需要确定其“临界”运量 Tkr(反映机车牵引运量与其每单位输出成本之间的函数关系)[3]。高于这个值,电力牵引的运输成本就比内燃牵引低。当然,各国的费用是不同的,首先主要取决于相应的电和柴油的价格、基础设施的价值(以折旧的形式计入运输成本)、服务于运输的所有经济单元的运营成本。显然,从牵引的有效选择模式来看,电力牵引有一定的约束条件,电力牵引必须达到了一定的规模,才能取得规模效应,规模太小其有效性就难以表现出来。换言之,电力牵引的规模越大,它的有效性就越强。

(三)电气化铁路的能耗

电气化铁路的能耗是衡量线路“以电代油”内外效应的一个重要指标,表明“代油节电”能力的大小,也间接表明外部成本的大小。它一般包括三大部分,一是机车本身所产生的能耗水平。电力牵引的燃料和能量消耗比内燃牵引经济得多:通过对某一种给定燃料值的计算,发现前者比后者的消耗要低50%-60%。电气化铁路可以综合利用资源,降低燃料消耗。旅客列车每万人公里的耗能量,电力机车分别是蒸汽机车和内燃机车的12%和60%。俄罗斯铁路采用交流制电气化的经验是,具有较高的能量利用效率,列车牵引的总能耗低于5%-6%(用电比用油节省)。随着机车性能的提高,节能效应会更好。我国首条高速铁路京津城际客运专线由于使用了动车组,节能效果更为明显。比如,“和谐号”CRH2型和CRH3型动车组,采用了流线型车体和轻量化技术,重量比一般铁路客车轻30%以上,降低能耗效果显著。大致测算,CRH3型“和谐号”动车组列车每小时人均耗电仅15千瓦,从北京南站到天津站人均耗电7.5千瓦·时,是陆路运输方式中最节省能源的[5];二是电气化线路的能耗。电气化线路可能会造成一定的电流损耗,如果使用内燃机车,在非电气化线路上就不会造成这样的结果。但这部分的损耗不是很大;三是中途停车产生的能耗。需要考察电力机车与内燃机车在运行区间各车站停车时损耗的能量。由于电力机车的速度优势,特快以及直达列车一般都使用电力机车,中间停站少,而且时间比较短,因此,这部分能耗比内燃机车要低很多。这也从另外一个侧面说明了电气化铁路比非电气化线路对环境造成的外部成本要低。

(四)电耗在铁路能耗结构中所占比重

通过电力所处地位的变化也可以看出铁路能耗结构的变化,由此可以直接评估“以电代油”在优化能耗结构中的重要作用。中国铁路经过长期以来的牵引动力结构改革,机车结构已从过去以蒸汽机车为主,转变到目前以内燃、电力机车为主,最近几年电力机车发展尤为迅速。牵引动力结构的这种变化相应地带来了整个铁路能源消耗结构的根本性变化,已由过去以煤为主转变为目前以油电为主。1981—1985年间的机车能源消耗结构,原煤占89%的比重,燃油占8%,电力仅占3%。在经过了三个5年期后,到2001—2005年期间,铁路能源消费结构情况发生了根本性的重大变化。原煤比重下降至27%,燃油和电力分别上升至39%和34%,电力所占比重仅次于燃油。铁路企业的能耗结构已从以原煤为主的能源结构转变为以燃油和电力并举的能源结构[6]。表3数据显示,2006年电耗第一次超过油耗,成为铁路首要能耗,2007年、2008年电耗所占比例进一步提升至45%和47%,接近一半的比例。与此相反,原煤和燃油消耗则呈进一步下降趋势。铁路企业能耗结构已出现根本性的改善和优化。

表3 1981—2008年铁路企业能耗结构的变化(%)

随着中长期铁路网规划中的一大批高速铁路相继建成,动车组将大量投入运营,加上既有线电气化改造,铁路“以电代油”进程将会进一步加快,预计2015年左右铁路企业电能消耗将占到其煤油电三方总能耗的60%左右。

(五)“以电代油”能源替代及节能指标

这一指标衡量一个国家“以电代油”的总体效应,是最直接的指标。根据铁道部已公布的统计数据,“十五”期间,我国铁路新增电气化里程5287公里,电气化铁路承担的运输工作量比重由2000年的31.8%上升为42.7%,实现铁路“以电代油”566万吨。通过提高既有线电气化率和电力机车牵引比重,“十一五”期末,在运输能耗总量增长幅度低于换算周转量增长幅度的基础上,铁路行业将实现“以电代油”1200万吨,铁路牵引成品油消耗量将比“十五”期末下降90万吨。

(六)电气化铁路的社会效应

虽然这是一个间接衡量指标,但它能反映出“以电代油”在保护环境和造福社会方面的效果。电气化铁路在强调建设节约型和环保型社会的今天,尤其具有明显的社会效应。主要表现在它能减少环境污染,改善和保护沿线生态环境。另外,它还能够促进铁路沿线实现电气化,有利于当地工农业的快速发展和人民生活水平的迅速提高。

上述各项指标基本上构成了一个对“以电代油”效应进行评价的指标体系,但还不完善,主要表现在以下几个方面:一是有些指标是短期指标,比如,高速铁路的运营成本等,缺乏长期性,很难对其趋势值进行测算;二是很多指标都是国外的数据,缺乏国内的数据;三是社会效应还缺乏能量化的指标值。这些不足需要在今后的实践中不断完善,以建立我国铁路的“以电代油”评价体系。改进的思路如下:一是改进统计工作,将这些指标“年鉴化”,在铁路和交通年度统计中加以反映;二是将京沪高速铁路作为一个研究样本,进行调研分析,进一步完善现有的评价体系;三是对社会效应的评价采用间接手段来进行,比如用高速铁路沿线房地产增值、环境污染的防治成本、沿线居民用电比例变化等指标来体现。

三、铁路“以电代油”未来发展方向

(一)提高电气化比重,大力发展高速铁路

自1879年世界上第一条电气化铁路诞生以来,经过100多年特别是最近50年世界各国的铁路发展实践证明,铁路电气化是实现铁路现代化的主要方向。至20世纪80年代,除了中国、印度、南非国家还有少量运营中的蒸汽机外,全球基本上实现了牵引动力的改革,为高速电气化铁路的发展奠定了坚实的基础。电气化铁路受到格外重视,成为世界铁路发展的目标取向,主要有两个方面的原因:一是能更好地满足客运高速、货运重载的需求,提高铁路运输能力;二是它符合环境保护的要求,是合理利用资源、保护生态环境的最佳办法,受到各国的广泛青睐。因此,世界各国都在积极谋求发展电气化铁路,只是单纯的电气化铁路已经不能完全满足人们出行和货物运输的需要,改进的方向是迈向高速化,于是一些经济发达国家开始建设高速电气化铁路(即“高速铁路”,高速铁路成为现代电气化铁路的主要标志),20世纪90年代以后世界就已进入建设高速电气化铁路的新时期。

高速铁路以其快速便捷、安全环保的独特魅力,已成为世界许多国家铁路的发展趋势。预计到2015年,世界修建高速电气化铁路的国家和地区将达到23个,高速电气化铁路里程将达到30000公里。目前,欧洲高速铁路已经突破了国界,向路网化、国际化发展。就连过去很长一段时间比较排斥电气化铁路的美国,迫于世界石油资源日益短缺的压力,近年来也出现了发展电气化铁路的新动向。美国已开始加快高速铁路和城市轨道交通的建设,计划修建13条总长达13364公里的高速铁路和大约有20个城市扩建和新建城市轨道交通。而在我国,根据2008年调整后的《铁路中长期规划》,通过大规模的高速铁路建设,到2020年铁路电气化率将达到60%以上。当然,这个比例与欧洲的一些发达国家相比,仍然是比较低的。因此,进一步提高电气化铁路的比重就成为了我国铁路今后较长时间内发展的一个主攻目标。比较可行的路径是:改造存量,保证增量,即对繁忙的既有线实行电气化改造,新建线路全部按电气化线路进行设计和投资施工。这个方案有三点需要强调,一是新建客运专线全部实现电气化,做到“一步到位”;二是煤运通道全部实现双线电气化;三是在客货混跑的既有线中,争取做到主要干线全部实现电气化。

(二)铁路“以电代油”技术发展方向

铁路“以电代油”技术发展方向主要集中在三大领域:供电方式的改进、电力牵引机车的改进以及电气化线路运行方式的改进。

1.供电方式的改进

在整个电力牵引的发展过程中,电气化铁路的供电制式经历了由低压直流、三相交流、单相低频交流到单相工频交流的演变过程。现在各国所采用的电流制式逐渐趋向统一,电压也逐渐趋向提高。如德国、瑞士等北欧国家主要采用15千伏的16Hz单相低频交流制。意大利、波兰、南非、西班牙、巴西等国家主要采用3千伏直流制。俄罗斯、法国等和我国都采用25千伏的单相工频交流制。近年来由于各国铁路运量急剧增大,行车速度不断提高,逐渐向高速、重载、大密度发展,有些国家积极发展使用2×25千伏的自耦变压器供电方式,如日本的东海道、山阳、东北和上越新干线,我国的京秦、大秦和郑武铁路都采用了这种供电方式。美国黑台地至波维尔湖的运煤专线和南非锡申至萨尔丹哈的铁路上还采用了50千伏的工频单相交流制式[2]。

20世纪所选择的最具优势的电力牵引供电系统是交流制25千伏、50赫兹,已经成为一种国际标准供电制,但全球使用此供电制的线路只占电气化铁路总量的40%。因此,改造非标准供电制线路的任务仍然十分繁重[7]。

从技术发展的角度来看,虽然我国电气化铁路的发展起步较晚,但起步初期就选用了当时世界最先进的工频单相交流25千伏供电制式,这一正确技术决策使我国电气化铁路建设少走了不少弯路,并实现了从一开始就站在较高起点上的预期目标。改革开放以后,依托京秦线电气化工程,结合重载运输要求,首次利用外资引进了一系列先进技术和成套设备,通过消化吸收,加速先进装备国产化进程,基本形成了自己的技术模式,促进了电气化铁路科研、设计、制造、施工和运营维护的发展,我国电气化铁路技术开始向世界先进水平迈进[8]。

2.电力牵引机车的改进

中国铁路机车实现了从普载到重载、从常速到高速、从引进到出口、从交直传动到交流传动的四大跨越。由中国北车集团大连机车车辆有限公司自主设计研制的首台和谐型大功率交流传动货运电力机车,牵引功率达到9600千瓦,运行最大时速达到120公里,是我国目前牵引功率最大的电力机车,也是目前世界上单机功率最大、技术水平最高、性能指标最先进的中国品牌机车,具有更大的加速能力和牵引通过能力,将成为中国铁路货运重载的主型机车。

铁路第六次大提速使用的动车组,标志着我国铁路在牵引动力发展上的新突破。2008年4月11日,首列国产时速350公里 CRH3“和谐号”动车组在中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司下线,标志着中国铁路技术装备现代化取得又一重大成果,我国由此成为世界上仅有的几个能制造时速350公里高速铁路移动装备的国家之一。中国铁路已全面系统掌握了时速200公里及以上动车组的设计制造技术,实现了动车组列车由时速200公里至时速300—350公里的技术升级,具备了时速350公里动车组的批量生产能力,掌握了核心技术。通过引进消化吸收,我国完全掌握了大功率的交流传统技术,现在的动车组一列车交流传统的功率可以做到8800千瓦,而且采用世界上最先进的电流IPG技术。在这里它有变压器、变流器、牵引电机、牵引控制四个关键技术。

3.电气化线路运行方式的改进

许多国家(法国、印度、荷兰等)正在把原有的1.5千伏直流线路改造成交流。1996年,俄罗斯进行了一次前所未有的系统改造,将400公里长的区段从3千伏改造成25千伏/50赫兹。尽管这次工程造成了列车运行中断总共5.5小时,但却收到了很好的改造效果。

交流牵引供电系统的进一步发展在于提高网压,例如提高到35千伏、50千伏甚至100千伏,这有利于提升牵引定数在12000-18000吨(煤、矿石等)重载干线的技术水平。从长远一点来看,随着可控高压以及变压技术的发展,有可能将直流牵引系统发展到12千伏、24千伏、36千伏电压。实现这些系统的主要困难实际上是如何让所用的电力机车车辆适应这些高电压。

四、结语

在世界石油供需缺口日益加大以及环境保护日益被重视的今天,在铁路行业实施“以电代油”工程,不仅对改善本行业的能源消费结构,提高使用清洁能源电能的比重,降低对石油的依赖,具有积极的作用,而且对推动整个交通行业的节能降耗,提升整个社会的环保质量,具有十分重要的示范作用。大力发展高速铁路,是进一步提高铁路电气化率、实现“代油”最佳效果的有效途径。而在此基础上推动供电方式、电力牵引机车以及电气化线路运行方式这三大技术领域的改进,是实现“节电”最佳效果的有效途径。

[1]张守营.交通运输节能重在结构调整[N].中国经营报,2006-09-12.

[2]冯金柱.世界电气化铁路的发展[J].电气化铁道,2001,(4).

[3](俄)A.Kotelnikov等.世界铁路电气化发展趋势[J].曾小娟,译.变流技术与机车牵引,2002,(3).

[4]谢贤良.世界高速铁路现状及其社会经济效应[J].中国铁路,2003,(11).

[5]刘志军.我国铁路建设史上的又一座里程碑[J].求是,2008,(22).

[6]周新军.高速铁路与能源可持续发展[J].中国能源,2009,(3).

[7]杨瑛.全球电气化铁路发展势头强劲[J].铁道知识,2002,(1).

[8]刘志远.走国际化和集成化道路,实现我国电气化铁路的跨越式发展[J].铁道经济研究,2004,(2).

Evaluation on Effect of Replacing Oil by Electical Power in Railway and its Future Development Tendency

ZHOU Xin-jun1,XUE Feng2
(1.Transportation and Economics Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.Passenger Transportation Dept,Beijing Railway Bureau,Beijing 100860,China)

On the background of that energy consuming structure led by oil is gradually being deep supply crisis,the global transportation industry start to promote the project of replacing oil by electrical power.By the analysis on the electrization railway’operating efficiency,transportation cost,energy consuming and the influence on railway’s energy structure,it easy to find that electrization railway has the unique characteristics in speed,economic and social effect.The future Development tendency of replacing oil by electrical power is to develop the high speed railway and improve the capability of the electronic locomotive and the way of its electrical supply.

railway;replacing oil by electrical power;effect;energy consume;tendency

F416.22

A

1008-2603(2010)02-0023-06

2010-03-09

铁道部白皮书项目“铁路发展与国家能源安全的研究”(项目编号:2006F003)。

周新军,男,中国铁道科学研究院运输及经济研究所高级经济师,博士;薛峰,男,北京铁路局客运处工程师。

(责任编辑:李潇雨)