新能源和可再生能源在铁路应用现状及展望

时间：2024-09-03

杨全亮

(中国铁路总公司科技管理部，北京 100844)

新能源和可再生能源是指常规能源以外的所有能源，1978年12月联合国第33届大会第148号决议决定使用该名称［1］。1980年联合国新能源和可再生能源会议对其定义为:以新技术和新材料为基础，使传统的可再生能源得到现代化的开发和利用，取代资源有限、污染环境的化石能源，重点开发太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能(原子能)等。

自上世纪70年代以来，新能源和可再生能源开发利用受到世界各国的高度重视，很多国家出台了相关政策和规划来加快发展。目前，世界经济仍处于经济危机后的复苏和变革时期，为在新一轮国际竞争中抢占新兴产业发展的制高点，欧盟、美国、日本等主要经济体先后提出了“绿色能源计划”、“绿色能源新政”等发展战略规划，全球新能源和可再生能源的利用以每年30%的速度迅速增长，已经成为最具发展前景的新兴产业。

我国长期以来一直非常重视新能源和可再生能源的发展，陆续出台了相关法规和政策，将新能源和可再生能源产业打造成新兴的支柱产业。同时，在经济发展进入新常态、环境污染问题日益突出的大背景下，全社会对于节能环保的需求更加迫切，这就需要我们从根本上转变经济发展方式，从规模速度型粗放增长转向质量效率型集约增长，按照李克强总理今年3月在政府工作报告中提出的有关要求，打好节能减排和环境治理攻坚战，大力发展风电、光伏发电、生物质能，积极发展水电，安全发展核电［2］。

1 我国铁路应用新能源和可再生能源现状

我国铁路较早启动了对于新能源和可再生能源研究、试验、推广运用工作，有针对性地制定了相关政策，因地制宜推广太阳能、地热能、风能在铁路运输领域的应用，满足沿线照明、供暖、制冷等能耗需求，替代部分燃煤和燃油等常规能源消耗，降低二氧化碳、二氧化硫等污染物排放，取得了较好的效果。

1．1 铁路应用新能源和可再生能源相关政策

为进一步落实国家节能环保政策，我国铁路将推广应用新能源和可再生能源作为行业节能减排中长期战略性目标，先后制定多项有针对性的政策措施，为新能源和可再生能源在铁路行业应用实践提供制度保证。1999年9月，原铁道部发布了《铁路节能技术政策》，明确提出:大力开发太阳能利用，因地制宜选用各类太阳能集热器，推广使用高效、低成本的中、小型光伏发电系统;铁路沿线燃料获取困难的单位，积极推广生物质能转化技术，能够获得大量有机废水、废弃物，利用沼气技术取得清洁方便的优质能源;在风力资源丰富的缺电地区，积极开发利用风能，建设风力发电和柴油发电与太阳能光伏发电联合运行的供电系统;充分开发地热用于采暖、制冷及其他用途。2007年3月，原铁道部发布了《铁路“十一五”节能和资源综合利用规划》，要求铁路沿线站段等办公场所因地制宜推广太阳能、风能、地热能等新能源和可再生能源用于建筑物采暖、制冷，职工、旅客供用生活热水等。2012年3月，原铁道部发布了《铁路“十二五”节能规划》，进一步提出要推广应用新能源和可再生能源，要按照因地制宜、多能互补的原则，在有条件的地区积极推广太阳能、地热能等新能源和可再生能源使用。2012年5月，原铁道部发布了《铁路“十二五”科技发展规划》，提出要研究太阳能、风能、地热能等新能源在铁路应用推广技术和资源回收再利用技术。2013年1月，原铁道部发布了《铁路主要技术政策》，提出推广运用节油、节电、节水、节煤、余热余能综合利用等新技术，积极采用清洁能源、光伏电源、地源热泵等新产品。

1．2 铁路应用新能源和可再生能源实践

科研实践方面，我国铁路高度重视新能源和可再生能源应用技术科研投入，先后开展了地源热泵技术、空气源热泵技术、太阳能热泵技术等在铁路领域的应用研究，并对相关技术的能效及经济效益进行评价，为新能源和可再生能源工程化应用提供有力的技术支撑。

工程实践方面，铁路利用新能源和可再生能源的形式主要有太阳能(热利用、光伏发电)、热泵两类。上世纪80年代以来，围绕解决边远铁路沿线职工生活、生产热水问题，启动了太阳能热水器、太阳能供热工程推广应用，先后在上海铁路公寓、武汉铁路局江岸车辆段、兰州铁路局迎水桥机务段、乌鲁木齐西车辆段等进行试点，在全路大范围推广。近年来，随着大规模铁路建设兴起，太阳能光伏发电技术在青藏铁路、北京南站、上海虹桥站等典型工程项目上得到了应用，取得了较好效果。在国际可再生能源合作项目推动下，热泵采暖制冷技术被引进铁路行业，先后在沈阳、北京、上海、济南、成都、西安、南昌等铁路局推广应用，取得了显著的经济效益和社会效益。

2 铁路应用新能源和可再生能源效益分析

政企改革后，铁路总公司作为企业在提效增收方面的需求更加迫切，通过发挥科技创新的积极作用，围绕降低运营成本、增加经济效益等方面做了大量工作，特别是推动新能源和可再生能源在全路大范围应用，取得了巨大成就。以北京南站为例，站房中央采光带屋面上铺设了面积为6 700 m2的太阳能光伏板，总发电容量320 kW，年发电量18万kW·h［3］;该站还采用了热电冷三联供和污水源热泵技术，实现了能源的梯级利用，年发电量能够满足站房49%的用电负荷。根据有关单位的研究数据，太阳能、地源热泵、空气源热泵的平均投资回报率分别为38．5%、22．3%和32．8%，平均投资回收期分别为3．5年、5年和5年，与传统能源项目相比经济效益优势明显。

铁路应用新能源和可再生能源的社会效益也很显著。2015年政府工作报告明确了今年节能减排的目标，二氧化碳排放强度要降低3．1%以上，化学需氧量、氨氮排放都要减少2%左右，二氧化硫、氮氧化物排放要分别减少3%左右和5%左右［2］。截至2014年底，我国铁路营业里程达到11．2万km，沿线站段耗能排放单位众多。可以说，有效降低全路能源消耗和污染物排放，对于实现今年的减排目标将起到非常重要的作用。以上海虹桥站为例，利用雨棚屋面铺设了2万多块太阳能电池板，年发电量630万 kW·h，节约标煤2 254 t，减少二氧化碳排放6 600 t。同时，铁路应用新能源和可再生能源，为新能源产业的健康发展提供了广阔的实践平台和应用市场，推动了节能技术进步，有助于实现能源利用方式的革命，落实了国家产业结构调整、产业升级的宏观部署。

3 铁路应用新能源和可再生能源适用性分析

我国幅员辽阔，铁路沿线区域气候、地质条件差别较大，因此，需要分析掌握不同新能源和可再生能源形式的技术特点，因地制宜加以利用。目前铁路常用的太阳能、地源热泵、空气源热泵技术特点如表1所示。

表1 太阳能、地源热泵、空气源热泵技术特点比较

3．1 太阳能

我国2/3以上国土年日照大于2 200 h，年总辐射量平均大于5．9×1012J/m2，资源量丰富，在上述地区利用太阳能进行热收集或者光伏发电是适合的。但是在阴天、夜晚等情况下能源利用受到限制，无法实现能源的全天候供应。

3．2 地源热泵

地源热泵是一种利用储有大量低温能量的土壤作为吸热或储热交换器，辅以少量电能，将土壤中的低品位能量转化为可利用的高品位能量。地源热泵不受气候、时间等的限制，可以实现能源的全天候供应。地源热泵需要打井埋管，受场地限制比较大(不适合冻土层)，运行中对全年冷热平衡有较为严格的要求。该项技术适用于沿线场地范围和地质条件较好、夏季制冷冬季供暖相当的站段。

3．3 空气源热泵

空气源热泵是把空气中的低温热量吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能以此用来加热其他介质。空气源热泵同样不受天气、时间等的限制，可以实现能源的全天候供应。常规空气源热泵设计工作温度通常为0℃至40℃，低温环境下工作效率大大降低，甚至不能启动。该项技术适用于南方温暖地区。

为了扩大不同形式新能源和可再生能源的适用范围，一方面，将多种能源形式组合应用，以此来发挥各自的优势，满足不同条件下能源供应需求。例如，空气源热泵组合大功率太阳能热水系统，既能充分利用太阳能制热，又能在阴天、夜晚等条件下，利用空气源热泵制热，极大降低了电能的消耗。另一方面，通过对现有技术的改良升级，提高其适用性。例如，开展内含新型制冷剂R404A空气源热泵在超低环境温度下供热效果研究，具备条件后在北方路局推广应用。