周新軍

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

0 引言

交通運(yùn)輸在給人類(lèi)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)帶來(lái)巨大推動(dòng)作用以及為人們的出行提供極大方便的同時(shí)，也帶來(lái)了日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境問(wèn)題。很多國(guó)家已把調(diào)整和優(yōu)化交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)作為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其中歐盟國(guó)家表現(xiàn)得更為突出，其做法就是積極發(fā)展能耗低、污染輕的交通運(yùn)輸方式，如鐵路和水運(yùn)。而在鐵路的發(fā)展方向上，重點(diǎn)是發(fā)展高速鐵路［1］。

我國(guó)從“十五”期末以來(lái)，鐵路建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，尤其是高速鐵路成為發(fā)展的重中之重。高速鐵路不僅在緩解我國(guó)鐵路運(yùn)能緊張、方便民眾出行以及拉動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面發(fā)揮了重大作用，而且在低碳環(huán)保領(lǐng)域也產(chǎn)生了積極和可觀的效應(yīng)。由于現(xiàn)有的文獻(xiàn)很少將高速鐵路行車(chē)與普通鐵路行車(chē)進(jìn)行比較研究，為了改進(jìn)研究上的不足，本文重點(diǎn)對(duì)高速鐵路行車(chē)與普通鐵路行車(chē)的低碳效應(yīng)進(jìn)行比較，在此基礎(chǔ)上分析高速鐵路行車(chē)在低碳環(huán)保領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

1 高速鐵路行車(chē)與普通鐵路行車(chē)的低碳效應(yīng)比較

“低碳”的內(nèi)涵主要包括低能耗、低排放、低污染3個(gè)方面。絕大多數(shù)的研究結(jié)論已經(jīng)證明，在與其他運(yùn)輸方式的比較中，鐵路的節(jié)能優(yōu)勢(shì)非常明顯。當(dāng)然，也存在個(gè)別不完全一致的結(jié)論，即認(rèn)為水運(yùn)比鐵路節(jié)能，但近年來(lái)最新的研究成果證明了鐵路的節(jié)能效果要比水運(yùn)好很多［2］。由此可以延伸的結(jié)論是，鐵路的碳排放比較低，對(duì)環(huán)境的污染程度也比較輕。

在旅客運(yùn)輸中，各種交通工具的每人每公里的一氧化碳換算排放量為：公路為0.902kg，鐵路為0.109kg，公路是鐵路的8倍［3］。鐵路的噪聲污染是最低的，日本以航空運(yùn)輸每千人每公里產(chǎn)生的噪聲為1，則小轎車(chē)為1，大轎車(chē)為0.2，高速鐵路列車(chē)僅為0.1。高速鐵路基本上消除了粉塵、油煙和其他廢氣污染，噪聲比高速公路低5～10dB。一架?chē)姎馐娇蜋C(jī)平均每小時(shí)排放二氧化碳為46.8kg、一氧化碳為635kg、二氧化硫?yàn)?5kg，這些物質(zhì)在大氣中要停留2年以上，是造成大面積酸雨、植被生態(tài)遭到破壞和建筑物遭受侵蝕的主要原因。因此，可以說(shuō)在綜合運(yùn)輸體系中，鐵路是理想的綠色環(huán)保型交通。

1.1 從技術(shù)角度比較

根據(jù)日本近年來(lái)的統(tǒng)計(jì)［4］，平均每人每公里的能耗，高速鐵路列車(chē)為569kJ，普通鐵路列車(chē)為401kJ，高速公路（公共汽車(chē)）為582kJ，飛機(jī)為2 989kJ。如果設(shè)定普通鐵路列車(chē)每人每公里的能耗為1.0，則高速鐵路列車(chē)為1.42，公共汽車(chē)為1.45，小轎車(chē)為8.5，飛機(jī)為7.44。比較高速鐵路列車(chē)與普通鐵路列車(chē)，顯然，前者單耗要高于后者，大約高出41.7%。據(jù)國(guó)內(nèi)關(guān)于高速鐵路動(dòng)車(chē)組耗能的最新介紹［5］，京廣高鐵上CRH380A（L）以時(shí)速300km運(yùn)行時(shí)，人均百公里能耗僅為3.64kWh，相當(dāng)于客運(yùn)飛機(jī)的1／12、小轎車(chē)的1／8、大型客車(chē)的1／3，但缺乏與普通鐵路列車(chē)的比較。

綜合現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)表明，高速鐵路列車(chē)的單耗要高于普通鐵路列車(chē)。但是如果僅以單耗來(lái)評(píng)判高速鐵路與普通鐵路行車(chē)的低碳效果，得出的結(jié)論則缺乏全面性和客觀性。比如，步行和騎自行車(chē)是最節(jié)能和環(huán)保的出行方式，但與其他出行方式相比，顯然犧牲了效率。因此，只能有條件地提倡，而不能大范圍地引導(dǎo)。衡量一種運(yùn)輸方式是否低碳，比較科學(xué)的方法是，在單耗的基礎(chǔ)上引入運(yùn)輸效率、速度和時(shí)間等因素進(jìn)行綜合比較分析。

為便于計(jì)算，假設(shè)普通鐵路的列車(chē)平均時(shí)速為100km／h，高速鐵路列車(chē)（動(dòng)車(chē)組）平均時(shí)速為300km／h。兩條線路坡度相同，且均為直線。兩列車(chē)同時(shí)從同一車(chē)站出發(fā)，均為直達(dá)列車(chē)，即中間不停車(chē)，到達(dá)同一車(chē)站，兩站之間的距離為300km。按照這種假設(shè)，動(dòng)車(chē)組3h大致可完成3個(gè)車(chē)次的運(yùn)輸任務(wù)，而普通列車(chē)只能完成1個(gè)車(chē)次。如果兩車(chē)均按照最大定員運(yùn)輸，動(dòng)車(chē)組為600人左右，在兩車(chē)重聯(lián)的情況下最大定員為1 200人左右。普通列車(chē)最大定員為1 300人左右。那么，在3h范圍內(nèi)，動(dòng)車(chē)組完成3 600人左右的運(yùn)輸，而普通列車(chē)只能完成1 300人左右的運(yùn)輸，動(dòng)車(chē)組運(yùn)輸工作量差不多是普通列車(chē)的3倍。當(dāng)然，就能耗而言，動(dòng)車(chē)組也是普通列車(chē)的3倍多。這個(gè)案例說(shuō)明，如果以工作效率優(yōu)化為前提，那么多消耗一些能源就是必須的，尤其是在使用清潔能源的情形下應(yīng)該鼓勵(lì)多消耗?；蛘哒f(shuō)，在提高能效的情況下，多消耗一些能源也是必須付出的代價(jià)。

1.2 能耗比較

如果這種觀點(diǎn)成立的話(huà)，就需要對(duì)高速鐵路列車(chē)和飛機(jī)的能耗進(jìn)行比較。作為陸上和空中最快的交通運(yùn)輸工具，高速鐵路列車(chē)和飛機(jī)具有可比性。

假設(shè)在1 000km內(nèi)，兩者從相同城市前往同一地點(diǎn)。高速鐵路列車(chē)大約需要3h，那么，飛機(jī)在同一時(shí)間內(nèi)可以往返一次。前述動(dòng)車(chē)組最大運(yùn)輸量為1 200人。如果飛機(jī)最大載客量為300人，往返一次總計(jì)為600人。那么，飛機(jī)運(yùn)輸量只有動(dòng)車(chē)組的1／2，而能耗卻為動(dòng)車(chē)組的6倍，而且消耗的還是石油資源。顯然，無(wú)論是從效率、能耗，還是能耗品類(lèi)來(lái)看，高速鐵路列車(chē)比飛機(jī)既節(jié)能環(huán)保又經(jīng)濟(jì)高效。

另外，隨著高速鐵路列車(chē)技術(shù)的不斷進(jìn)步，節(jié)能效果也在不斷地得到提升。國(guó)外的一些研究數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)。日本鐵路出版物有關(guān)新干線的能源強(qiáng)度數(shù)值表明［6］，第一條新干線（零系列）要求每公里0.072kWh／座位，最高時(shí)速為220km／h。然而近期的希望號(hào)700N要求，在時(shí)速為220km／h達(dá)到每公里0.037kWh／座位，在時(shí)速為270km／h達(dá)到每公里0.049kWh／座位。因此，新干線的能源強(qiáng)度下降了，近期的希望號(hào)700N在擁有比原新干線更高的速度的同時(shí)，只使用了50%的能源，在提高22%的速度時(shí)，能源減少了32%。

1.3 碳排放比較

與普通鐵路行車(chē)相比，高速鐵路的最大優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)了全部使用電力牽引。盡管從技術(shù)角度看，普通鐵路也可以做到這一點(diǎn)，但是從經(jīng)濟(jì)角度以及速度與動(dòng)力最佳匹配的角度就會(huì)造成資源上的過(guò)度浪費(fèi)。因此，從全世界的普通鐵路看，幾乎還沒(méi)有一個(gè)國(guó)家能夠做到全部使用電力牽引［7］。那么，普通鐵路就存在內(nèi)燃機(jī)車(chē)牽引的情況，而燃油的使用就會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。在牽引動(dòng)力結(jié)構(gòu)中，內(nèi)燃機(jī)車(chē)占比越高，碳排放也就越大。而高速鐵路由于使用電力牽引，列車(chē)在行駛過(guò)程中不產(chǎn)生直接的碳排放。

有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，如果從碳足跡生命周期理論來(lái)分析，用電是否產(chǎn)生碳排放，取決于電源結(jié)構(gòu)。如果是火電，那么電能消費(fèi)同樣也產(chǎn)生碳排放，如果是清潔能源如風(fēng)電等則不產(chǎn)生碳排放。這種觀點(diǎn)雖有一定的道理，但很大程度上不正確。按照碳排放足跡生命周期理論，碳排放也只是涉及煤炭采掘、運(yùn)輸及發(fā)電這三個(gè)環(huán)節(jié)［8］。由于世界高速鐵路運(yùn)輸主要涉及客運(yùn)，因此，即便從碳排放生命周期理論來(lái)分析，高速鐵路列車(chē)的運(yùn)營(yíng)基本上也不產(chǎn)生碳排放。

而普通鐵路則不同。根據(jù)查閱到的數(shù)據(jù)，全世界所有鐵路的電氣化率平均比較低，截止到2000年底只有21.7%。如果剔除高速鐵路部分，普通鐵路的電氣化率還要低一些，由此可以判斷普通鐵路大部分仍然采用內(nèi)燃機(jī)牽引。由于它使用的是燃油，因此，無(wú)論是否依據(jù)碳排放生命周期理論，比起高速鐵路列車(chē)碳排放量要大很多，環(huán)保效應(yīng)也要差很多。

以我國(guó)鐵路2006年電力機(jī)車(chē)和內(nèi)燃機(jī)車(chē)單耗來(lái)測(cè)算（以下數(shù)據(jù)都折合為標(biāo)煤），比較兩者的碳排放。內(nèi)燃機(jī)車(chē)單耗為34.7kg（按《綜合能耗統(tǒng)計(jì)通則》GB／T2589—2008中的燃油系數(shù)1.428 6換算），共排放CO2為34.1kg；電力機(jī)車(chē)單耗為13.5kg（按0.985系數(shù)換算），共排放CO2為14.2kg（按1.052 3系數(shù)換算）。那么，內(nèi)燃機(jī)車(chē)單耗比電力機(jī)車(chē)單耗多排放CO2為20kg。高速鐵路動(dòng)車(chē)組單耗要高出普通電力機(jī)車(chē)40%，以此換算動(dòng)車(chē)組的單耗CO2排放為19.9kg，比內(nèi)燃機(jī)車(chē)少排放CO2為14.2kg。從中可以看出，即便在這種情形下，高速鐵路列車(chē)也比普通鐵路列車(chē)內(nèi)燃機(jī)牽引節(jié)能減排。

1.4 環(huán)保效應(yīng)比較

上述分析說(shuō)明，高速鐵路列車(chē)基本上不排放CO2，從這個(gè)角度來(lái)看，環(huán)保效應(yīng)要大大好于普通鐵路列車(chē)。另外，還需要考慮列車(chē)噪聲和排污對(duì)環(huán)境的影響。事實(shí)上高速鐵路列車(chē)對(duì)環(huán)境仍然具有一定的污染，主要是噪聲污染，高速鐵路列車(chē)比普通鐵路列車(chē)噪聲污染程度要高一些。但隨著科研技術(shù)的不斷提高，各國(guó)在高速鐵路建設(shè)中加強(qiáng)了對(duì)環(huán)保技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。比如，運(yùn)用聲屏障技術(shù)對(duì)高速列車(chē)的噪聲進(jìn)行隔離處理，最大程度地減輕對(duì)沿線居民的噪聲污染。而且由于速度的優(yōu)勢(shì)，使得噪聲在某一時(shí)空范圍的污染程度比普通鐵路列車(chē)大為降低［9］。

在污染物排放方面，高速鐵路列車(chē)相比普通鐵路列車(chē)，優(yōu)勢(shì)也非常明顯。由于高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)全部安裝了真空式集便裝置，實(shí)現(xiàn)了污物、污水集中收集和垃圾零排放。通過(guò)這些措施，收到了很好的環(huán)保效應(yīng)。當(dāng)然，普通鐵路列車(chē)也可以通過(guò)技術(shù)的提高，改善污染物的排放，但由于技術(shù)和運(yùn)輸組織的限制，提升的空間不會(huì)很大。

2 高速鐵路行車(chē)低碳環(huán)保效應(yīng)分析

雖然高速鐵路在我國(guó)獲得了快速發(fā)展，但起步較晚，2008年8月，我國(guó)第一條真正意義上的高速鐵路京津城際鐵路才開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。因此，本文選取2008年至2012年間的數(shù)據(jù)來(lái)分析高速鐵路與鐵路行業(yè)節(jié)能環(huán)保的相關(guān)性。高速鐵路取值為運(yùn)營(yíng)里程，國(guó)家鐵路節(jié)能指標(biāo)為運(yùn)輸工作量綜合單耗、運(yùn)輸工作量主營(yíng)單耗，環(huán)保指標(biāo)值為化學(xué)需氧量排放量、二氧化硫排放量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程、鐵路列車(chē)單耗及排放量1）

從表1可以看出，高速鐵路行車(chē)與單位能耗及排放量成反向關(guān)系，從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，高速鐵路與鐵路運(yùn)輸節(jié)能環(huán)保效果成正向關(guān)系。

3 高速鐵路優(yōu)化了鐵路能耗結(jié)構(gòu)

高速鐵路由于實(shí)現(xiàn)了電力牽引，因此，高速鐵路的發(fā)展必然會(huì)帶來(lái)鐵路電氣化比重的快速提高。而且，由于高速鐵路列車(chē)的發(fā)車(chē)間隔時(shí)間短、車(chē)次密度大，極大地提高了動(dòng)車(chē)組的使用效率，增加了用電量，從而對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)和燃油的使用產(chǎn)生一定的擠出效應(yīng)。這兩方面的因素疊加在一起使鐵路的能耗結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)得到了大大改善和優(yōu)化。

3.1 鐵路電氣化率快速提升

近幾年，我國(guó)鐵路電氣化率有了較大幅度的提升。2012年我國(guó)鐵路電氣化已經(jīng)突破50%，達(dá)到了52.3%。在這個(gè)過(guò)程中，高速鐵路起到了關(guān)鍵性的作用，截止到2012年底，新建的高鐵運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到9 354km，居世界第一。2001～2012年電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)里程變化如表2所示。

表2 2001～2012年電氣化鐵路里程變化1）

由表2顯示，從2011年到2012年我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程新增了5 000km，而電氣化鐵路剛好也增加了5 000km，這說(shuō)明新增的鐵路全部為電氣化鐵路。2012年高速鐵路投入運(yùn)營(yíng)里程為2 723km，對(duì)鐵路電氣化貢獻(xiàn)率為54.5%。

3.2 高速鐵路“以電代油”優(yōu)化了能耗結(jié)構(gòu)

高速鐵路的快速發(fā)展，加快了鐵路行車(chē)“以電代油”電氣化工程，從而使鐵路的能耗結(jié)構(gòu)發(fā)生了比較大的變化，油耗呈下降趨勢(shì)，電耗則呈上升趨勢(shì)。促使這種變動(dòng)的因素有多方面，但根本原因在于高速鐵路的快速發(fā)展。這也是鐵路特別是高速鐵路具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其他任何交通方式都很難做到這一點(diǎn)。

4 高速鐵路的低碳替代效應(yīng)

高速鐵路的低碳替代效應(yīng)指的是由于高速鐵路的發(fā)展，從而對(duì)其他的運(yùn)輸方式產(chǎn)生一定的擠出效應(yīng)，進(jìn)而形成低碳替代效應(yīng)。在所有的運(yùn)輸方式中，高速公路和航空運(yùn)輸與高速鐵路具有可比性。由于高速鐵路的發(fā)展，對(duì)民航已經(jīng)形成競(jìng)爭(zhēng)，一些中短途民航線路被迫調(diào)整或者取消。而在高速公路中，一些中長(zhǎng)途運(yùn)輸被高速鐵路所替代。比較而言，高速鐵路與民航的競(jìng)爭(zhēng)最具有代表性。下面以它們之間的比較，來(lái)說(shuō)明高速鐵路對(duì)民航形成的低碳效應(yīng)。

4.1 假設(shè)及模型

假設(shè)高速鐵路與民航共同完成中長(zhǎng)途客運(yùn)任務(wù)，那么在理論上高速鐵路對(duì)民航運(yùn)輸?shù)奶娲嬖谌N情形：一是結(jié)構(gòu)性替代；二是增量替代；三是完全替代。實(shí)際生活中，增量替代和完全替代的情況一般是不存在的。

根據(jù)碳排放的計(jì)算，可得到高速鐵路與民航的碳排放表達(dá)式為：

式中：Ch為高速鐵路碳排放量；Sh為高速鐵路運(yùn)輸工作量；Euh為單位運(yùn)輸工作量能耗（標(biāo)準(zhǔn)煤）；r為能耗的碳排放系數(shù)。

式中：Ca為民航碳排放量；Sa為民航運(yùn)輸工作量；Eua為民航單位運(yùn)輸工作量能耗（標(biāo)準(zhǔn)煤）；r為能耗的碳排放系數(shù)。

那么，高速鐵路對(duì)民航低碳替代效應(yīng)表達(dá)式為：

式中：Xh→a為高速鐵路對(duì)民航運(yùn)輸?shù)奶寂欧盘娲?yīng)；Sh→a為高速鐵路對(duì)民航運(yùn)輸替代工作量。

從式3可以看出，Sh→a越大，高速鐵路對(duì)民航的低碳效應(yīng)越顯著。

4.2 算法舉例

由于在鐵路旅客周轉(zhuǎn)量中，目前還沒(méi)有對(duì)高速鐵路旅客周轉(zhuǎn)量進(jìn)行單獨(dú)核算，因此，還不能精確計(jì)算高速鐵路運(yùn)輸工作量，但可以進(jìn)行粗算，即按照春運(yùn)期間高鐵占整個(gè)鐵路旅客發(fā)送量的20%來(lái)計(jì)算。這里同樣取2008年至2012年的數(shù)據(jù)?？梢源致缘卣J(rèn)為，高鐵旅客是從民航轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的（一部分是增量，一部分是原來(lái)的），因而可以把高鐵旅客發(fā)送量視為對(duì)民航的替代量。能耗的碳排放系數(shù)r取國(guó)家發(fā)改委推薦的換算數(shù)值2.456 7，Euh和Eua分別取文獻(xiàn)［4］中推薦的569kJ和2 989kJ。1kg標(biāo)準(zhǔn)煤按29 288kJ計(jì)。通過(guò)計(jì)算得到表3中數(shù)據(jù)。

表3 高速鐵路對(duì)民航的低碳替代效應(yīng)1）

從表3可以看出，高速鐵路可以節(jié)約1 284.6萬(wàn)t以上的標(biāo)準(zhǔn)煤，少排放3 155.8萬(wàn)t以上的二氧化碳，彰顯了高速鐵路巨大的低碳效應(yīng)。

5 結(jié)論

通過(guò)引入能效等因素的比較，可以看出高速鐵路列車(chē)雖然能耗要高于普通鐵路列車(chē)，但卻實(shí)現(xiàn)了能效、環(huán)保與運(yùn)輸能力的有機(jī)整合，在與其他運(yùn)輸方式的比較中，使得普通鐵路原有的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)得到了進(jìn)一步釋放，既滿(mǎn)足了現(xiàn)代社會(huì)人們出行的需求，又符合了人類(lèi)生存環(huán)境的要求，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸與資源的可持續(xù)發(fā)展。這從另一個(gè)角度表明，在提高能效和消耗清潔能源的情形下，即便能耗高一些，也是一種值得付出的代價(jià)。

當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)新一代交通工具選擇的著眼點(diǎn)瞄向了對(duì)環(huán)境影響小的運(yùn)輸方式，高速鐵路備受關(guān)注，已成為世界鐵路發(fā)展的根本方向，并成為發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是那些飽受道路交通之苦的國(guó)家調(diào)整交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的政策取向。由于這些國(guó)家的交通規(guī)模已接近飽和或者說(shuō)過(guò)剩，因此，調(diào)整的難度會(huì)非常大。我國(guó)交通運(yùn)輸正處于快速發(fā)展之中，各種運(yùn)輸方式競(jìng)相發(fā)展，在這個(gè)過(guò)程中需要吸取西方發(fā)達(dá)國(guó)家的教訓(xùn)，及時(shí)確立起以?xún)?yōu)先發(fā)展鐵路尤其是高速鐵路為導(dǎo)向的綜合交通運(yùn)輸協(xié)調(diào)發(fā)展的方式，才能避免西方發(fā)達(dá)國(guó)家交通運(yùn)輸業(yè)“先發(fā)展、后污染”的以道路運(yùn)輸為主的發(fā)展模式，這對(duì)于構(gòu)建低碳交通體系、推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

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