轨道交通新能源应用效益评估指标体系研究

Evaluation Index System for Benefits of New Energy Application in Rail Transit

摘要

新能源应用技术与轨道交通融合发展，具有广阔的市场应用前景和广泛的经济、社会与环境影响。构建效益评估指标体系，是准确评估轨道交通新能源应用效益的前提。基于轨道交通新能源应用需求，从太阳能、风能2个方面分析我国轨道交通新能源应用的自然禀赋情况；在分析国内外轨道交通新能源应用发展现状基础上，根据非电气化和电气化轨道交通线路情况，分别提出轨道交通能源供给清洁化、资产绿色能源化发展趋势，明确了轨道交通新能源应用的未来场景；最后界定了轨道交通新能源应用的利益相关者及其主要利益诉求，从经济效益、社会效益和环境效益3个维度识别了轨道交通新能源应用效益元素集合，研究提出轨道交通新能源应用效益评估指标体系。

Abstract

The integrated development of new energy application technology and rail transit has broad market application prospects and extensive economic, social, and environmental impacts. The establishment of an evaluation index system for benefits is the premise of accurately evaluating the benefit of new energy application in rail transit. Based on the new energy application demand in rail transit, this paper analyzed the natural endowment of new energy application in rail transit in China from two aspects: solar energy and wind energy. Based on the analysis of the development status of new energy application in rail transit in China and abroad and the situation of non-electrified and electrified rail transit lines, the development trend of clean energy supply of rail transit and green energy of assets was proposed, and the future scenario of new energy application in rail transit was defined. Finally, the paper defined the stakeholders of new energy application in rail transit and their main interest demands, identified the benefit element set of new energy application in rail transit from three dimensions of economic benefit, social benefit, and environmental benefit, and proposed the evaluation index system for benefits of new energy application in rail transit. The results show that the evaluation index system for benefits of new energy application in rail transit is composed of three primary indexes, seven secondary indexes, and 18 tertiary indexes.

Graphical abstract

关键词

轨道交通 / 新能源应用 / 经济效益 / 社会效益 / 环境效益 / 评估指标体系

Key words

Rail Transit / New Energy Application / Economic Benefit / Social Benefit / Environmental Benefit / Evaluation Index System

0　引言

推动轨道交通与新能源融合发展是促进轨道交通安全高效、绿色低碳发展的重要举措。2019年中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》明确要求：推进交通装备技术升级，推广新能源、清洁能源、环保型交通装备及成套技术装备融合应用是促进经济社会数字化、网络化、智能化转型的重要引擎。《中国国家铁路集团有限公司“十四五”发展规划》强调：加强铁路战略性、前瞻性、储备性技术研究以及新技术、新能源、新材料等应用研究，增强铁路科技创新源头供给能力^[1]。目前，我国轨道交通行业仍以化石能源为主，新能源尚未形成规模化应用。在碳达峰、碳中和背景下，依托自身消纳优势、场地资源优势、自然资源禀赋优势，中国国家铁路集团有限公司联合多部门印发《推动铁路行业低碳发展实施方案》，提出推动既有客站绿色改造、既有铁路电气化改造等重点任务，积极推动新能源在铁路行业的应用。北京南站、南京南站、上海虹桥站、杭州东站、雄安站等安装了太阳能发电装置，积极探索光伏发电在铁路行业的应用^[2]，取得了显著的经济效益和节能减排效益。新能源与轨道交通融合发展，是交通运输行业未来发展的普遍共识。随着新能源在轨道交通行业应用范围的扩大，轨道交通新能源应用效益评估需求也日益增加。

目前《铁路建设项目经济评价方法与参数》(第三版)提供了标准化的项目财务评价和国民经济评价方法与参数，但随着新型高速铁路技术、新能源技术在铁路行业的快速推广应用，既有的效益评价方法和参数存在“注重财务效益而忽略社会效益和环境效益、对经营性和公益性项目评价方法相同、对外部效益内部化的评价方法发掘不足”^[3]等不适应现象也日益突出。为了凸显新能源技术在铁路行业应用的外部性、公益性等属性，在分析新能源在铁路行业应用经济效益基础上，研究轨道交通新能源应用效益评价指标体系，为新能源技术在轨道交通行业的推广应用，提供基础理论和决策支撑。

1　我国轨道交通新能源应用的自然禀赋

截至2023年底，我国轨道交通线路里程达到17万km，其中铁路营业里程15.9万km(高速铁路4.5万km)，城市轨道交通1.1万km。轨道交通线路规模逐年增多，线路周边丰富的太阳能、风能等自然资源为新能源在轨道交通行业的应用提供了基础保障。

1.1　太阳能

我国太阳能资源总量非常丰富，每平方米年太阳辐射总量约为1 600 kW·h，理论储量每年达17 000亿t标准煤，总体呈高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区的结构性分布特征^[4]。根据我国区域自然禀赋条件，按年辐射总量我国太阳能资源可划分为4类地区^[5]。其中，Ⅰ类区域年辐射量超过1 750 kW·h/m²，属太阳能资源最丰富带；Ⅱ类区域年辐射量为1 400~1 750 kW·h/m²，属太阳能资源很丰富带；Ⅲ类区域年辐射量为1 050~1 400 kW·h/m²，属太阳能资源较丰富带；Ⅳ类区域年辐射量小于1 050 kW·h/m²，属太阳能资源一般带。我国太阳能资源区域分布如表1所示。

1.2　风能

我国陆地面积辽阔，海岸线绵长，夏季东南季风、冬季西北季风盛行，风能资源蕴藏量十分丰富。根据气象部门评估，全国陆地10 m高度上平均有效风功率密度为100 W/m²，可开发利用的风能资源为2.53亿kW；陆地70 m高度上平均有效风功率密度为184.5 W/m²，模拟评估得到可开发利用的风能资源为26亿kW^[6]。按陆地风电年上网电量等效满负荷2 000 h估算，每年可提供5.7万亿kW·h电量(约占全国全社会用电量的1/2)，风能资源可开发潜力巨大。受地理位置和地形因素的影响，我国风能资源在地理分布上不平衡。综合风能密度大小、年有效风速累计小时数和标杆上网电价因素，我国风能资源划分为丰富区、较丰富区、一般区、贫乏区共4个风能资源区。例如，Ⅰ类丰富区有效风功率密度大于200 W/m²，年风速高于6 m/s的累计小时数达2 200，标杆上网电价0.29元/(kW·h)^[7]。我国风能资源区域分布如表2所示。

2　轨道交通新能源应用现状和发展趋势

2.1　轨道交通新能源应用现状

在轨道交通与新能源融合发展方面，国内外开展了大量有益探索和应用实践，将风能、太阳能等可再生新能源应用于轨道交通领域。日本、比利时、德国、智利等国铁路公司在多条铁路沿线铺设了太阳能光伏板，接入列车牵引供电系统^[8-9]，不仅为移动装备提供牵引动力，而且可以为列车信号、车站照明、空调等电气设备提供电力，既有利于节能减排，又有效提升土地资源综合利用率。例如，德国联邦铁路公司新能源应用已颇具规模，在柏林中央火车站、哈梅林和于尔岑火车站安装了太阳能发电装备，总装机容量3.92 MW，10%以上电能消耗来自新能源^[10]。瑞士联邦铁路局拥有并运营7座水电站，牵引电力、车站、办公楼的90%能源消耗来自于水力发电。从2017年开始，荷兰铁路集团公司运营的电力火车已实现100%由风力发电驱动^[11]。我国也在积极探索新能源在轨道交通领域的应用，其中光伏发电应用比较广泛。北京南站在车站顶部铺设了太阳能发电机组，装机容量为245 kW，不仅能够为站房提供电力，而且能够向外输送多余的电能；上海虹桥站建成国内最大的“建筑光伏一体化”项目，装机容量约6 700 kW，年均发电可达630万kW·h，据估算，每年可以节约2 250 t标准煤，可以减排6 600 t二氧化碳，其经济效益和社会环境效益十分明显；雄安站站房屋顶铺设光伏板约4.2万m²，总装机容量为5.97 MW，每年可发电580万kW·h，可供站房内部照明、空调等设施用电^[12]。

目前，国内外对新能源应用于轨道交通领域的探索，基于节能减排、能源供给多样化的考量，应用主要集中于能源供给清洁化领域，此外，为抑制新能源的波动性对轨道交通运行的影响，有学者提出储能系统是未来轨道交通能源供给的主要方向^[13]。

2.2　轨道交通新能源应用需求分析

随着新能源技术创新发展，轨道交通与新能源融合是交通运输未来发展的共识。在“双碳”目标背景下，《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》强调，推动交通用能低碳多元发展，稳步推进铁路电气化改造。截至2023年底，我国铁路电气化率达75.2%；全路运用的内燃机车高达7 800多台，其中属于污染重、耗能高、噪音大的老旧型铁路内燃机车有2 000多台。轨道交通应用新能源是对现有电网供电的补充，进一步提升铁路电网可靠性。轨道交通行业亟需引入多元、高效、低碳的可持续绿色能源应用，支撑轨道交通能源结构变革。我国轨道交通网络纵横全国，沿线有丰富的太阳能和风能资源，大规模开发利用的潜力巨大。因此，可充分利用轨道交通沿线土地、建筑屋面、站区场地优势建设大规模“自发自用”为主的分布式发电、储能、低碳园区项目，不仅可为交通用能提供多元的清洁能源，也可促进交通用能的低碳化发展。

2.3　轨道交通新能源应用发展趋势

轨道交通新能源应用将围绕能源供给清洁化和资产绿色能源化2个方向发展^[14-15]，可有效促进轨道交通系统能源结构改变，不但提升轨道交通系统能源供给弹性，而且有助于推动建立轨道交通领域“碳资产”管理和碳排放核算机制。以是否电气化作为轨道交通线路特征，将轨道交通新能源应用发展趋势划分为2类。

（1）非电气化轨道交通新能源应用。非电气化轨道交通新能源应用是轨道交通能源供给清洁化的重要举措，是对非电气化线路的新型电气化改造，其未来发展趋势为移动装备的新动力驱动和陆基、车载设施的新能源供给2个方面。非电气化轨道交通移动装备的新动力驱动，即由化石能源驱动转变为清洁电力驱动，驱动方式主要有光伏机车、超级电容、动力电池、氢能电池等方式的供电驱动。针对车载和陆基设施的新能源供给，促进非电气化轨道交通沿线太阳能、风能的开发利用，实现非电气化轨道交通能源供给的清洁化。例如，在非电气化铁路沿线，陆基光伏配以储能系统可满足交通信号、巡线亭等小容量供电需求，实现这些小容量电力负荷的离网供电。

（2）电气化轨道交通新能源应用。电气化轨道交通与新能源融合发展的趋势为能源供给清洁化、资产绿色能源化开发及低碳化。通过电气化轨道交通能源供给清洁化，减少碳排放，推动电气化轨道交通低碳化发展目标的实现。能源清洁化指供给侧能源生产过程的清洁化和需求侧能源消纳过程的清洁化，即开发沿线的太阳能、风能为电气化轨道交通提供清洁能源，并且建立多模式的清洁能源消纳途径，实现清洁能源在电气化轨道交通的高效应用。电气化轨道交通资产的绿色能源化开发可进一步促进轨道交通的再电气化^[16]，即结合电气化轨道交通路网空间布局和太阳能、风能等自然资源禀赋，分类建设分布式新能源转换设施和储能装置，将轨道交通沿线较易开发利用的自然资源开发为能源，建立以清洁能源为主的新型牵引供电系统。资产绿色能源化开发是优化轨道交通能源供给方式的主要路径，既可增加能源供给弹性，减少外部电网电力供给的结构性约束，又可提升沿线国土资源开发和轨道交通附属资产开发效益。

3　轨道交通新能源应用效益分析

3.1　轨道交通新能源应用利益相关者界定

为了全面评价轨道交通新能源应用的社会经济影响，从轨道交通运输服务市场交易对象与交易外部性2个角度界定轨道交通新能源应用的利益相关者，不但可以明确效益相关主体的相对独立性，而且可以保障效益评价范围的全面性和系统性。参与市场交易、并且通常以契约的形式约束其市场行为的交易双方是轨道交通新能源应用的直接利益相关者；不直接参与市场交易、但交易对其产生了显著的间接影响的外部性主体是轨道交通新能源应用的间接利益相关者。从交易对象来看，直接利益相关方是提供运输服务的轨道交通运输企业与作为运输服务对象的旅客/货主；从交易外部性来看，间接利益相关方是地方政府、沿线居民、生态环境等。

3.2　轨道交通新能源应用利益相关者利益诉求

不同的利益相关者对轨道交通新能源应用的利益诉求存在明显差异。不管是能源供给清洁化，还是资产绿色能源化，轨道交通运输企业主要利益诉求以经济效益为主，比较关注与原有的能源应用模式相比，新能源应用过程中成本节约、效益提升以及运营安全保障；旅客/货主更为关注运输成本节约、运输时间减少、运输能力提升、运输安全性和舒适性提高等方面；而政府更为关注轨道交通新能源应用带来的社会效益和环境效益，主要表现为新能源应用带来的区域经济影响、带动就业、减少交通事故、改善生态环境和土地综合利用等方面。

3.3　轨道交通新能源应用效益识别

运用外部性理论利益相关者理论方法，识别轨道交通新能源应用效益。轨道交通新能源应用不但为投资者、使用者和沿线地区带来显著的经济效益，也对沿线经济社会带来广泛的社会效益和环境效益。因此，清晰地识别轨道交通新能源应用效益是构建评价指标体系的前提。①经济效益方面。轨道交通运输能源消耗量巨大，清洁化能源供给、资产绿色能源化开发及储能装置建设为运输企业带来降低运营成本、提升运营效益等经济效益；轨道交通新能源应用可为旅客/货主带来运费节约和运输时间节省等经济效益；轨道交通新能源应用项目具有正外部性，给沿线区域带来促进区域经济增长、产业结构优化等经济效益。②社会效益方面。轨道交通新能源应用投资规模大、服务面广，不但可以提高沿线城镇化率、增加沿线地区的就业机会、减少区域内交通事故、缓解沿线节点城市电网压力和交通拥堵，而且可以带来旅客舒适度提高效益和货物运输破损减少效益等，给沿线地区和人民群众带来社会效益。③环境效益方面。我国是轨道交通大国，轨道交通是能耗、碳排放和用地大户，加强新能源与轨道交通的融合发展，可大大改善空气质量、减少噪声污染、提升土地利用效率，具有显著的环境效益。轨道交通新能源应用是实现轨道交通领域“双碳”目标的必然选择。轨道交通新能源应用效益如图1所示，主要包括经济效益、社会效益和环境效益。

4　轨道交通新能源应用效益评估指标体系

轨道交通新能源应用范围广、场景多，不但为移动装备车载设施、站场和轨道交通基础设施提供清洁化能源，而且促进轨道交通资产绿色能源化开发，传统的效益评价方法已不能满足轨道交通新能源应用发展需要，科学构建多层次、多维度的评价指标体系是全面、客观评价轨道交通新能源应用效益的前提。基于轨道交通新能源应用效益识别结果，运用调研法和专家打分法，综合轨道交通项目效益评价既有研究成果和轨道交通新能源应用专家意见，从经济效益、社会效益和环境效益3个方面构建轨道交通新能源应用效益评估指标体系。

4.1　轨道交通新能源应用经济效益指标

轨道交通新能源应用经济效益从运输企业、旅客/货主、沿线区域3个方面分析如下。①从提供服务者角度评价运输企业的新能源应用经济效益，关键指标有投资规模、财务内部收益率及财务净现值。投资规模指标以项目投资周期的投资概算为依据；财务内部收益率及财务净现值指标是衡量项目投资效率的常见指标。②从服务对象角度评价旅客/货主的新能源应用经济效益，关键指标包括运费节约效益和时间节省效益。运费节约效益和时间节省效益指标指轨道交通新能源应用能够产生由其他运输方式转移过来运量，由此带来的运费节约和时间节省效益，用项目转移运量、不同运输方式运价水平、不同运输方式的运输时间等参数测算。③从轨道交通沿线区域角度评价新能源应用的区域经济效益，主要表现为区域经济增长和产业结构优化2个指标。轨道交通新能源应用项目具有显著的投资拉动效应和空间溢出效应，对沿线区域经济增长和产业结构优化产生直接影响。轨道交通新能源应用经济效益关键指标如表3所示。

4.2　轨道交通新能源应用社会效益指标

轨道交通运输企业相对比较关注新能源应用项目的经济效益，因此从旅客/货主、沿线区域2个方面分析轨道交通新能源应用的社会效益。①从旅客/货主的角度，轨道交通新能源应用项目通过转移运量，与其他运输方式相比，有助于改善运输过程中空间环境，对运输舒适性提供更好支撑，有利于提升乘客出行体验，不但可以提升旅客的舒适度，也能减少货物在运输过程中的破损率，包括旅客舒适提升效益和货损减少效益2个指标。②从沿线区域角度，轨道交通新能源应用可从促进城镇化发展、带动就业、提升交通安全、缓解电网压力和交通拥堵角度评估，主要包括城镇化效益、就业拉动效益、安全效益、电网压力减少效益和缓解交通拥堵效益5个指标。轨道交通新能源应用社会效益关键指标如表4所示。

4.3　轨道交通新能源应用环境效益指标

纵观国内外轨道交通新能源应用现状和需求，未来轨道交通能源供给清洁化、资产绿色能源化的发展趋势得到普遍认可。国际铁路联盟(UIC)和国际能源署的统计数据说明，轨道交通与其他运输方式相比具有能耗低、排污小的特点。UIC统计公报显示，铁路运输减少了全球大约20%的石油需求；而国际能源署提出，如果轨道交通的服务全部由公路担当，污染气体的排放量将会有大幅度地增加。我国轨道交通规模大，轨道交通能耗依然给2030年前碳达峰、2060年前碳中和目标的实现带来较大压力。因此，通过轨道交通新能源应用，既可以降低轨道交通原有运量的能耗和排污水平，又可以减少转移运量和诱增运量的能耗和排污水平，具有显著的环境效益^[17]。环境效益指标主要包括资源节约效益和减排降噪效益2个方面。其中，资源节约效益包括节能效益和节地效益2个指标，减排降噪效益包括减排效益和降噪效益2个指标。以上指标的评估，主要通过转移运量、各种运输方式的单位运量能耗水平、土地利用效率、污染物排放水平、噪声污染水平等既有研究文献资料为基础进行测算。轨道交通新能源应用环境效益关键指标如表5所示。

轨道交通新能源应用效益评估指标体系如表6所示，由3个一级指标、7个二级指标、18个三级指标构成。

5　结束语

在碳达峰、碳中和背景下，轨道交通行业有节能减排、能源供给多样化、绿色化的现实需求，围绕能源供给清洁化和资产绿色能源化2个方向积极探索新能源在轨道交通行业的应用具有重要意义。轨道交通沿线具有丰富的太阳能、风能等清洁能源，为轨道交通与新能源融合发展提供了资源保障。通过建设大规模“自发自用”为主的分布式发电、储能、低碳园区项目，将为提升轨道交通系统能源供给弹性、促进低碳化发展、提高运营经济效益提供良好支撑。研究基于新能源在轨道交通行业应用的现实需求和发展趋势，结合轨道交通沿线新能源应用的自然禀赋，分析了轨道交通新能源应用利益相关者主要诉求，识别了轨道交通新能源应用效益，从经济效益、社会效益和环境效益3个维度提出轨道交通新能源应用效益评估指标体系。未来应结合轨道交通新能源应用典型项目，研究评估指标的测算方法、权重分配及效益评估方法，实现轨道交通新能源应用效益的定量评估，为推动轨道交通与新能源融合发展提供决策依据。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2023Z014)

中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2024YJ156)