國內(nèi)外鐵路能源消耗現(xiàn)狀比較與分析

湯友富

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600）

0 引言

交通運(yùn)輸是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和對(duì)外經(jīng)貿(mào)往來的重要橋梁和紐帶，對(duì)國家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)起著重要的推動(dòng)作用[1]，是國民經(jīng)濟(jì)的先行，而能源是國民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，它們既是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)，又存在著互相依賴和制約的關(guān)系，國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的提高有賴于它們的協(xié)調(diào)發(fā)展[2]。

交通運(yùn)輸是能源消耗大戶，全球超過 40% 的石油消耗在交通運(yùn)輸部門。據(jù)測算，在等量運(yùn)輸下鐵路、公路和航空的能耗 (油耗) 比為 1 : 9.3 : 18.6。鐵路、公路、水運(yùn)、航空的客運(yùn)成本之比為1 : 1.59 : 6 : 5.54；鐵路、公路、水運(yùn)、航空的貨運(yùn)成本之比為 1 : 6.23 : 0.64 : 17.2[3]。從總體運(yùn)輸成本分析，鐵路運(yùn)輸具有明顯優(yōu)勢(shì)。在環(huán)保方面，鐵路運(yùn)輸是最低碳環(huán)保的運(yùn)輸方式，最符合當(dāng)下節(jié)能減排全球趨勢(shì)。在各種運(yùn)輸方式每噸載重運(yùn)輸 1 000 km產(chǎn)生的 CO2中，鐵路運(yùn)輸為 14 g，水路運(yùn)輸為 28 g，公共汽車為 34 g，小汽車為 94 g，航空運(yùn)輸為 132 g。在低碳環(huán)保的形勢(shì)下，鐵路的低碳優(yōu)勢(shì)得到充分凸顯[4]。

改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國鐵路以前所未有的速度發(fā)展，鐵路運(yùn)輸?shù)母黜?xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)位居世界前列。與此同時(shí)，世界其他國家鐵路也發(fā)生巨大變化，朝著“高速化、重載化”方向不斷發(fā)展。鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，引起鐵路能源消耗的急劇變化。鐵路運(yùn)輸在為世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供強(qiáng)有力保障的同時(shí)，其能源消耗問題也逐漸成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)和研究重點(diǎn)。

1 世界主要國家鐵路能源消耗數(shù)量及能耗比重

交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)因素，歷來是能源消耗的主要行業(yè)，在國家的能源消耗體系中占有重要地位，但由于不同國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口分布、地理環(huán)境、資源分配、能源利用效率等因素的差異[5]，其交通運(yùn)輸業(yè)的總體能源消耗水平及在總能耗中所占的比重有很大的不同。此外，國家的能源戰(zhàn)略和交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的不同也對(duì)交通運(yùn)輸業(yè)的能耗產(chǎn)生重大影響。在不同國家的運(yùn)輸體系中，由于不同的運(yùn)輸結(jié)構(gòu)，造成交通運(yùn)輸業(yè)能源消耗結(jié)構(gòu)的巨大差異。鐵路運(yùn)輸能源消耗量與國家交通運(yùn)輸業(yè)能源消耗總量的比值稱為鐵路能源比重。作為交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，由于鐵路運(yùn)輸在不同國家中處于不同的位置，其能源消耗狀況也存在很大差別，世界主要國家鐵路能源消耗量及能源比重[6-10]如表1 所示。

由表1 可知，中國鐵路運(yùn)輸 2000—2014 年年均消耗能源 1 829.9 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出同一時(shí)期英國、加拿大、日本等國，但低于美國。中國鐵路運(yùn)輸能源消耗由 2000 年的 1 859.5 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤減少至 2016 年的 1 591.6 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均降低0.98%，在交通運(yùn)輸業(yè)能耗消耗總量的比重由 2000年的 18.75% 降至 2016 年的 3.95%，近年來一直處于下降態(tài)勢(shì)。盡管中國鐵路運(yùn)輸能耗消耗在國家交通運(yùn)輸能源消耗比重中一直降低，但依然高于美國、英國、加拿大、日本等國家。在交通運(yùn)輸業(yè)鐵路能耗比重上，美國、加拿大、日本保持相對(duì)穩(wěn)定，2000—2016 年均值分別為 2.26%，2.26%，3.41%，英國從 2004—2008 年處于下降過程，隨后在 1.7%～1.9 % 的比重范圍內(nèi)波動(dòng)。

各國的鐵路能耗和比重，間接反映世界各國交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)。在歐美國家和日本，道路交通運(yùn)輸和航空運(yùn)輸占據(jù)其運(yùn)輸業(yè)的絕大部分市場份額，鐵路運(yùn)輸只占很少一部分，因而鐵路運(yùn)輸能源消耗所占的能耗比重非常有限。以美國為例，由于其高度發(fā)達(dá)的公路網(wǎng)和航空網(wǎng)，居民出行和貨物運(yùn)輸主要依靠公路和航空。雖然鐵路在美國貨運(yùn)市場占據(jù)主導(dǎo)地位 (以貨物周轉(zhuǎn)量計(jì)算，鐵路占美國貨運(yùn)市場 41% 的市場份額，高于其他運(yùn)輸方式)，但由于鐵路具有較強(qiáng)的社會(huì)公益性，在與公路、航空的激烈競爭中，城際客運(yùn)鐵路不具備競爭優(yōu)勢(shì)。以旅客周轉(zhuǎn)量計(jì)算，10 年來 Amtrak 城際客運(yùn)鐵路市場份額保持在 0.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他運(yùn)輸方式(公路客運(yùn)市場份額一直保持在 87% 左右，航空在 10% 左右，城市交通份額為 1% 左右)[11]。同時(shí)，鐵路能源消耗和比重的變化，也成為各國鐵路發(fā)展的重要標(biāo)志與象征。以中國為例，其鐵路運(yùn)輸能源消耗總量及能耗比重處于連續(xù)下降態(tài)勢(shì)，在下降數(shù)據(jù)的背后，則是中國高速鐵路的快速發(fā)展和鐵路電氣化的巨大提升。中國鐵路 2000 年電氣化鐵路里程僅為14 864 km，截至 2016 年底，其電氣化鐵路里程為80 300 km，年均增長 3 849.18 km，年均增長率為25.89%，鐵路電氣化率從 2000 年的 21.68% 提升至2016 年的 64.76%。除此以外，中國高速鐵路也蓬勃發(fā)展，其運(yùn)營里程由 2008 年的 672 km 增長至 2016 年的 22 980 km，平均每年以 2 478.67 km 速度增長，年均增幅為 368.85%[9]。鐵路電氣化對(duì)于鐵路運(yùn)輸節(jié)能有著重要作用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，電氣化鐵路使得中國鐵路運(yùn)輸行業(yè)年均節(jié)省 123.0 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能源消耗，節(jié)能量年均增長為 13.9 萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤[12]。高速鐵路普遍采用電力作為能源，屬于電氣化鐵路，在提升國家鐵路電氣化率的同時(shí)，對(duì)于鐵路運(yùn)輸?shù)墓?jié)能具有更加顯著的效應(yīng)。根據(jù)日本的研究資料，高速鐵路客運(yùn)與小汽車、飛機(jī)相比，平均每人公里的能耗比例為 1 : 5.3 : 5.6。如果以每個(gè)旅客消耗 1 單位燃料所能行駛的里程來比較，則高速鐵路為 1.0，公路為 0.62，航空為 0.26[13]。近年來高速鐵路大規(guī)模建設(shè)和路網(wǎng)的完善為運(yùn)力釋放創(chuàng)造了條件，極大地提高了鐵路的運(yùn)輸供給能力[14]，中國鐵路的節(jié)能優(yōu)勢(shì)將得到進(jìn)一步發(fā)揮。

表1 世界主要國家鐵路能源消耗量及能源比重Tab.1 Energy consumption amount of railway in the major countries of the world and energy proportion

2 國內(nèi)外主要國家鐵路能源消耗結(jié)構(gòu)

鐵路運(yùn)輸?shù)哪茉聪姆譃闄C(jī)車牽引能耗和生產(chǎn)輔助能耗 2 個(gè)部分，其中運(yùn)輸部門的能耗最大，約占 84%～92%，鐵路牽引能耗占鐵路能耗的 60%～70%，是鐵路能耗的主要部分[15]。在鐵路運(yùn)輸?shù)臓恳鳂I(yè)中，有蒸汽機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車牽引3 種形式，分別采用原煤、燃油、電力作為能源。除此之外，鐵路運(yùn)輸采用的能源還有褐煤、煤油、焦炭等，而這些能源在鐵路運(yùn)輸?shù)南闹邢鄬?duì)較少。采用原煤、燃油、電力 3 種能源經(jīng)過換算而成的標(biāo)準(zhǔn)煤數(shù)量比例作為鐵路能源消耗結(jié)構(gòu)，世界主要國家鐵路能源消耗結(jié)構(gòu)[6-10]如表2 所示。

通過不同國家的鐵路能源消耗結(jié)構(gòu)可以看出，加拿大國家鐵路客貨運(yùn)輸只以燃油為燃料，燃油是其鐵路運(yùn)輸?shù)娜磕茉聪?，而美國和日本則展現(xiàn)出截然不同的鐵路能源結(jié)構(gòu)。在日本鐵路能源結(jié)構(gòu)中，電力消耗是絕大部分，約占鐵路總體能源消耗的 75%～85%，燃油比重一直處于低位。美國鐵路以燃油為主要能源，燃油比例維持在 88% 左右的水平，電力消耗比重為 12%。2000—2008 年，英國鐵路能源消耗結(jié)構(gòu)處于波動(dòng)變化中，電力消耗比重不斷下降，由 2000 年的 53.7% 減少至 2008 年的33.5%；2009—2016 年電力比重基本保持在 34.6%左右。同一時(shí)期的中國鐵路能源消耗比重則處于連續(xù)變化的狀態(tài)，2000—2008 年其燃油消耗比重持續(xù)增長，2008 年達(dá)到 50.2% 的歷史最高值，隨后緩慢下降至 2016 年的 37.6%，電力比重在 2008 年以后持續(xù)增加。

鐵路運(yùn)輸能源消耗結(jié)構(gòu)是鐵路牽引形式的重要表現(xiàn)，體現(xiàn)的是各國機(jī)車牽引結(jié)構(gòu)的變化與發(fā)展。加拿大國家鐵路只以燃油為燃料，電氣化鐵路里程僅為 129 km，在其國家鐵路里程中不足 0.1%[13]，幾乎全部的鐵路列車都由內(nèi)燃機(jī)車牽引。美國鐵路能源消耗結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，燃油是其國家鐵路的主要能源，表明美國鐵路內(nèi)燃機(jī)車牽引是主要的牽引方式。在能耗結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中，可以看到中國和日本鐵路在 2008 年后電力消耗比重不斷增加，燃油消耗比重下降，表明 2008 年后兩國鐵路電力牽引運(yùn)輸比重逐漸提升，內(nèi)燃機(jī)車牽引比重降低。不同的機(jī)車牽引結(jié)構(gòu)，可以影響到鐵路運(yùn)輸能源消耗。根據(jù)測算，蒸汽機(jī)車的終端能源利用效率一般在 6%～9%，內(nèi)燃機(jī)車的終端能源效率達(dá)到25%～26%，而電力機(jī)車的終端能源利用效率可以達(dá)到 30%～32%，加大電力牽引比重可以達(dá)到節(jié)約能源的目的[16]。

表2 世界主要國家鐵路能源消耗結(jié)構(gòu) %Tab.2 Energy structure of railway in the major countries of the world

3 國內(nèi)外鐵路能源利用效率

鐵路機(jī)車通過牽引作業(yè)實(shí)現(xiàn)旅客和貨物的位移，完成相應(yīng)的鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)量。鐵路運(yùn)輸以旅客周轉(zhuǎn)量和貨物周轉(zhuǎn)量來衡量運(yùn)輸生產(chǎn)量。以下以完成單位運(yùn)輸生產(chǎn)量所消耗的能源數(shù)量作為鐵路能源利用效率的度量，通常以每百萬噸公里或每百萬人公里的能源消耗計(jì)算能源利用效率，稱其為鐵路能源強(qiáng)度，單位為噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬噸公里或噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬人公里。在中國和英國鐵路能源消耗統(tǒng)計(jì)中，客運(yùn)能耗數(shù)據(jù)與貨運(yùn)能耗數(shù)據(jù)沒有單獨(dú)統(tǒng)計(jì)，能源消耗量是客運(yùn)與貨運(yùn)能源消耗量之和。因此，將中國和英國鐵路客運(yùn)周轉(zhuǎn)量和貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量按照 1 : 1 的比例經(jīng)過換算，轉(zhuǎn)化為換算周轉(zhuǎn)量，兩國的客貨運(yùn)能源強(qiáng)度為能源消耗量與換算周轉(zhuǎn)量的比值。世界主要國家鐵路能源強(qiáng)度[6-10]如表3 所示。

通過鐵路能源強(qiáng)度數(shù)據(jù)表可以看出，中國鐵路客貨運(yùn)能源強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于英國鐵路，中國鐵路能源利用效率高于英國。2000—2013 年，中國和英國國家鐵路能源強(qiáng)度均處于不斷下降的過程，其中中國客貨運(yùn)能源強(qiáng)度從 2000 年的 10.22 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里下降至 2013 年的 4.66 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里，降幅達(dá) 54.40%，平均年降幅為 3.89%，2003 年能源強(qiáng)度下降幅度最大，達(dá)到24.70%。2000—2013 年，英國鐵路客貨能源強(qiáng)度從 30.93 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里下降至 16.85 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里，降幅為 45.52%，平均年降幅為 3.25%，兩者均低于中國鐵路能源強(qiáng)度降幅。2000—2016 年，中國鐵路客貨能源消耗強(qiáng)度均值為 6.24 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里，英國是 20.83噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里，是中國的 3.34 倍。

美國和加拿大國家鐵路能源統(tǒng)計(jì)客運(yùn)與貨運(yùn)分開，兩國鐵路客運(yùn)和貨運(yùn)能源強(qiáng)度差別比較大。數(shù)據(jù)顯示，2000—2006 年，美國鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度普遍高于加拿大國家鐵路，兩國的鐵路能源強(qiáng)度在這一時(shí)期均不斷下降，美國客運(yùn)能源強(qiáng)度降幅為 20.65%，而加拿大國家鐵路降幅僅為 3.13%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國客運(yùn)能源強(qiáng)度降幅。2007—2016 年，美國鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度逐漸低于加拿大，美國鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度連續(xù)下降，降幅為 12.67%，低于2000—2006 年的降幅，加拿大國家鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度處于波動(dòng)狀態(tài)。綜合分析美國和加拿大國家鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度，兩國鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，美國降幅為 35.10%，平均年降幅為2.06%，加拿大國家鐵路降幅為 12.13%，平均年降幅為 0.72%。2000—2016 年美國鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度降幅與年均降幅均高于加拿大。從貨運(yùn)能源強(qiáng)度分析，美國鐵路貨運(yùn)能源強(qiáng)度不斷降低，2000—2016年的降幅為 19.55%，平均年降幅為 1.15%；加拿大鐵路貨運(yùn)能源強(qiáng)度在經(jīng)歷 2000—2005 年的連續(xù)降低之后，達(dá)到該時(shí)期的最低值 7.86 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬噸公里，在此之后，其貨運(yùn)能源強(qiáng)度增加至 2008年的最高值 9.91 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬噸公里，2009—2016年，加拿大鐵路貨運(yùn)能源強(qiáng)度在波動(dòng)中上升。由于英國和中國沒有對(duì)客運(yùn)和貨運(yùn)能源消耗分開統(tǒng)計(jì)，因而無法將英國、中國的鐵路客貨能源強(qiáng)度同美國、加拿大鐵路客貨運(yùn)能源強(qiáng)度進(jìn)行比較與分析。如果按照 1 : 1 的比例將美國和加拿大國家鐵路的客運(yùn)周轉(zhuǎn)量與貨運(yùn)周轉(zhuǎn)量進(jìn)行換算后計(jì)算其鐵路客貨運(yùn)能源強(qiáng)度，兩國的客貨運(yùn)能源強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中國和英國。

表3 世界主要國家鐵路能源強(qiáng)度Tab.3 Energy intensity of railway in the major countries of the world

通過美國和加拿大國家鐵路能源強(qiáng)度數(shù)據(jù)可知，2000—2016 年，加拿大國家鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度均值為 61.73 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬人公里，貨運(yùn)能源強(qiáng)度均值為 8.31 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬噸公里，客運(yùn)能源強(qiáng)度均值是貨運(yùn)能源強(qiáng)度均值的 7.43 倍。同一時(shí)期，美國的相應(yīng)值為 66.05 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬人公里、8.04 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬噸公里，客運(yùn)能源強(qiáng)度是貨運(yùn)能源強(qiáng)度值的 8.58 倍。加拿大和美國鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其貨運(yùn)能源強(qiáng)度，這與兩國的鐵路運(yùn)輸結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。由于兩國發(fā)達(dá)的工業(yè)化程度和高度的私人汽車擁有量及便捷的高速公路網(wǎng)，其居民出行更多的是依靠高速公路，鐵路旅客列車的上座率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中國，引起龐大的需糜運(yùn)輸，單位旅客運(yùn)輸生產(chǎn)量能源消耗居高不下。而在同一時(shí)期，日本鐵路的客運(yùn)和貨運(yùn)能源強(qiáng)度均處于低位，能源利用效率較高。日本鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度平穩(wěn)降低，均值為 6.72 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬人公里，其貨運(yùn)能源強(qiáng)度在波動(dòng)中降低，均值為 8.22 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬噸公里，稍高于其客運(yùn)能源強(qiáng)度。

鐵路能源消耗強(qiáng)度象征鐵路能源利用效率，其值越低，表明其能源利用效率越高。盡管鐵路能源消耗強(qiáng)度降低值微小，但由于鐵路每年巨大的運(yùn)輸生產(chǎn)量，也能引起鐵路能源消耗量的巨大變化。以中國為例，2013 年中國鐵路能源強(qiáng)度為 4.66 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里，比 2012 年降低 0.08 噸標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬換算噸公里，在鐵路換算周轉(zhuǎn)量不變的情況下，可以節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤 29.92 萬噸。

4 結(jié)論

鐵路能源消耗量在不同的國家存在巨大的差異，而由于世界各國交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)、居民出行特征、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的差異，每個(gè)國家的鐵路能源消耗也呈現(xiàn)不同的特征。通過中國與美國、加拿大、英國、日本等世界主要國家的鐵路能源消耗多年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的比較與分析，得到以下結(jié)論。

（1）中國鐵路能源消耗在國家交通運(yùn)輸能源中的比重高于歐美國家，鐵路能源消耗量低于美國，但高于加拿大、英國、日本等國家。隨著中國電氣化鐵路的擴(kuò)展和高速鐵路的發(fā)展，其能源消耗量將保持繼續(xù)下降的態(tài)勢(shì)，鐵路節(jié)能的優(yōu)勢(shì)將得到進(jìn)一步的發(fā)揮。

（2）中國鐵路燃油消耗和電力消耗逐漸占據(jù)較大的比重，原煤的消耗比重逐年降低，而美國、加拿大、英國、日本等國由于不同的鐵路牽引比重，鐵路能源消耗結(jié)構(gòu)各異，美國和加拿大以燃油為主，日本主要使用電力作為鐵路能源，英國以燃油和電力為鐵路能源。

（3）中國鐵路能源利用效率高于英國，能源消耗強(qiáng)度持續(xù)降低。美國和加拿大鐵路客運(yùn)能源強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其貨運(yùn)能源強(qiáng)度，美國鐵路客運(yùn)、貨運(yùn)能源強(qiáng)度逐漸低于加拿大，能源利用效率逐漸提升。如何將中國鐵路客運(yùn)能源消耗和貨運(yùn)能源消耗分開統(tǒng)計(jì)分析，是今后研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

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