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在交通工具中使用氫不是氣候變化時(shí)代的概念;通用汽車公司在1966年開(kāi)發(fā)了一輛氫動(dòng)力貨車的原型車(最終由于成本問(wèn)題被廢棄了)。然而，盡管這些發(fā)展并非完全史無(wú)前例，但近年來(lái)氫技術(shù)的進(jìn)步和進(jìn)步速度，使氫火車成為鐵路運(yùn)輸脫碳技術(shù)的前沿。
重述氫燃料
氫是一種很有吸引力的燃料前景，因?yàn)樵谙M(fèi)時(shí)，副產(chǎn)品只能是水，這意味著不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，并為周圍的居民帶來(lái)更好的空氣質(zhì)量。這并不一定使氫成為一種清潔能源——?dú)涞那鍧嵆潭热Q于生產(chǎn)氫的過(guò)程。總的來(lái)說(shuō)，正如CMS氫項(xiàng)目專家指南中進(jìn)一步解釋的那樣，要實(shí)現(xiàn)低碳?xì)鋺?yīng)該是:
“藍(lán)色”氫(即碳捕獲和存儲(chǔ)系統(tǒng)捕獲作為蒸汽甲烷重整過(guò)程的一部分而排放的二氧化碳，以防止其釋放到大氣中);或
“綠色”氫(即由可再生能源產(chǎn)生的電力通過(guò)電解產(chǎn)生的氫)。
氫在很大程度上是一種發(fā)展中的產(chǎn)品，這意味著低碳?xì)淠壳皼](méi)有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力——例如，目前世界上只有大約4%的氫是“綠色”的。如果氫要成為一種可行的清潔能源，生產(chǎn)這種氫的經(jīng)濟(jì)性需要改進(jìn)。
氫的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是,它不是能量密度比目前使用的柴油燃料,因此它需要被存儲(chǔ)在液態(tài)低于-252.8°C(這不是目前可行的大規(guī)模)或儲(chǔ)存在壓力約5000 - 10000 psi(為背景,地球的平均大氣壓力約為14.7 psi)。因此，氫燃料需要特定的存儲(chǔ)和運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施，在這種壓力下存儲(chǔ)意味著需要小心處理燃料箱。
氫通常用于燃料電池系統(tǒng)。在燃料電池中，電是通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的，在這個(gè)過(guò)程的最后，氫與氧結(jié)合產(chǎn)生水。氫也可以用于燃燒反應(yīng)——比如汽車的改良內(nèi)燃機(jī)——但它的燃燒會(huì)產(chǎn)生氮氧化物污染物，因此從環(huán)境角度來(lái)看，它不太有吸引力。
但是使用氫燃料作為首選的火車燃料也有其他的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，主要的考慮見(jiàn)下表。
鐵路網(wǎng)的脫碳——選擇
許多國(guó)家，比如英國(guó)，都有雄心勃勃的“凈零”戰(zhàn)略，旨在鼓勵(lì)人們使用火車而不是公路運(yùn)輸。客運(yùn)和貨運(yùn)服務(wù)都是如此。簡(jiǎn)單地鼓勵(lì)通過(guò)鐵路網(wǎng)運(yùn)輸人員或貨物本身就能減少溫室氣體，因?yàn)殍F路更有效地利用化石燃料。然而，考慮到許多列車是由柴油驅(qū)動(dòng)的，而不是電氣化的，為了實(shí)現(xiàn)脫碳的目標(biāo)，使用氫動(dòng)力列車等選項(xiàng)是擺在桌面上的選項(xiàng)之一。
為什么用氫氣而不是電氣化所有的電線?電氣化是有代價(jià)的。例如，英國(guó)鐵路網(wǎng)目前估計(jì)，每單軌公里(STK)的軌道電氣化費(fèi)用為100萬(wàn)至250萬(wàn)英鎊，盡管蘇格蘭政府目前正在為每STK提供75萬(wàn)至150萬(wàn)英鎊的項(xiàng)目(業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這是一個(gè)滾動(dòng)電氣化項(xiàng)目的結(jié)果，允許開(kāi)發(fā)和維護(hù)經(jīng)驗(yàn))。對(duì)于服務(wù)于農(nóng)村社區(qū)的火車服務(wù)來(lái)說(shuō)——通常線路很長(zhǎng)，乘客很少——電氣化的成本可能是巨大的。
電氣化的兩種主要替代方案是電池動(dòng)力和氫動(dòng)力列車。目前，電池、氫氣和電氣化之間存在一種權(quán)衡:因?yàn)樗鼈兛梢栽诜请姎饣壍郎线\(yùn)行，前者資本成本低但運(yùn)行成本高，而后者資本成本高但運(yùn)行成本低。電池列車目前的時(shí)速可達(dá)75 - 100英里，氫動(dòng)力列車的時(shí)速可達(dá)90 - 100英里。與氫相比，電池動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)在于所需安裝的配套設(shè)施更少。然而，隨著電池技術(shù)的不斷改進(jìn)，氫動(dòng)力列車通常可以在不加油的情況下行駛更長(zhǎng)的距離，這意味著，對(duì)于許多鐵路服務(wù)來(lái)說(shuō)，氫動(dòng)力可能會(huì)比電池動(dòng)力更受青睞。
考慮到每一種技術(shù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，需要使用一種混合技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鐵路網(wǎng)絡(luò)的脫碳——?dú)洹㈦娏碗姵貏?dòng)力可以相互補(bǔ)充，而不是相互競(jìng)爭(zhēng)。例如，英國(guó)目前有15400 STKs的鐵路未電氣化，這意味著，要達(dá)到凈零，就必須在進(jìn)一步電氣化、氫或鋰離子電池供電之間做出選擇。鐵路網(wǎng)目前提議進(jìn)一步電氣化13040個(gè)stk，氫燃料服務(wù)1300個(gè)stk，電池燃料服務(wù)800個(gè)stk，還有260個(gè)stk尚未提出選擇。至少在重新設(shè)想英國(guó)的交通時(shí)，似乎所有的選擇都是開(kāi)放的。
氫動(dòng)力火車——我們現(xiàn)在發(fā)展到哪個(gè)階段了?
雖然氫燃料技術(shù)仍在發(fā)展中，但世界各地的鐵路網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)有了計(jì)劃或正在運(yùn)行的氫燃料列車。2018年9月至2020年5月，法國(guó)運(yùn)輸制造公司阿爾斯通(Alstom)在德國(guó)威瑟-易北(Weser-Elbe)網(wǎng)絡(luò)上對(duì)其Coradia iLint氫動(dòng)力列車進(jìn)行了530天的試驗(yàn)。從2022年開(kāi)始，預(yù)計(jì)14列Coradia iLint列車將開(kāi)始取代下薩克森州現(xiàn)有的柴油列車。目前，該列車已在法國(guó)、意大利訂購(gòu)，并在奧地利、荷蘭和德國(guó)進(jìn)行了進(jìn)一步的測(cè)試。阿爾斯通(Alstom)和英國(guó)鐵路公司Eversholt Rail也領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)英國(guó)試點(diǎn)項(xiàng)目，考慮將現(xiàn)有的321級(jí)列車(他們稱之為“微風(fēng)”列車)轉(zhuǎn)化為氫氣的可行性。
類似地，HydroFLEX是由伯明翰鐵路研究和教育中心(伯明翰大學(xué)的一部分)和鐵路車輛公司Porterbrook運(yùn)營(yíng)的英國(guó)氫列車計(jì)劃。該公司的目標(biāo)之一是用必要的氫燃料設(shè)備改造現(xiàn)有列車。2020年9月，HydroFLEX列車進(jìn)行了首次成功的測(cè)試，在昆頓鐵路技術(shù)中心和伊夫沙姆之間往返。HydroFLEX目前正致力于將其技術(shù)固定在車廂底部，以增加乘客的空間。
蘇格蘭企業(yè)和運(yùn)輸支持零排放列車項(xiàng)目，在蘇格蘭鐵路網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)發(fā)氫燃料列車的使用。它的目標(biāo)是在一個(gè)封閉的鐵路網(wǎng)上運(yùn)行氫氣列車，以在今年11月的COP26上展示。
最后，瑞士鐵路制造商Stadler從加州圣貝納迪諾縣運(yùn)輸局獲得了一份合同，將在美國(guó)交付首列氫動(dòng)力列車。
火車用氫——未來(lái)
所以，我們目前有了一種燃料，它有可能在脫碳鐵路網(wǎng)絡(luò)中輔助電氣化的使用，但綠色氫目前是不經(jīng)濟(jì)的，這意味著氫生產(chǎn)需要一些溫室氣體排放。盡管如此，還是有理由對(duì)氫的未來(lái)感到樂(lè)觀。
首先，該技術(shù)還處于起步階段，隨著技術(shù)的成熟和規(guī)模經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，效率和成本往往會(huì)有很大的提高。例如，2010年至2020年間，電池價(jià)格按實(shí)際價(jià)格計(jì)算下降了89%。
國(guó)際能源署(International Energy Agency)表示，“氫目前在政治和商業(yè)上享有前所未有的勢(shì)頭”，“今天的新情況是，正在討論的氫使用可能性的廣度，以及世界各地對(duì)這些可能性的政治熱情的深度。”在幾乎所有地區(qū)，氫正日益成為主流能源討論的主要內(nèi)容”。在這種情況下，類似于電池的發(fā)展，我們看到規(guī)模經(jīng)濟(jì)開(kāi)始在氫領(lǐng)域發(fā)展。國(guó)際能源署指出，10年前，大多數(shù)電解器項(xiàng)目都小于0.2兆瓦，但我們現(xiàn)在經(jīng)常看到更大的項(xiàng)目，如ITEM Power在英國(guó)謝菲爾德的工廠，預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)1 GW的氫氣。同樣，國(guó)際能源署估計(jì)，如果各國(guó)政府實(shí)現(xiàn)其在2030年部署燃料電池汽車的目標(biāo)，燃料電池的成本可以降低75%。
如果我們看到氫的廣泛應(yīng)用，我們的交通基礎(chǔ)設(shè)施會(huì)發(fā)生什么變化?嗯，最初需要大量的投資來(lái)創(chuàng)建新的氫基礎(chǔ)設(shè)施或改造現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。改造現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施尤其有趣，因?yàn)闅淙剂匣疖嚮蜍囕v的充電時(shí)間并不比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)，這意味著現(xiàn)有的加油站可以使用。一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，氫氣可以通過(guò)各國(guó)現(xiàn)有的天然氣分銷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)輸(SGN在英國(guó)的H100項(xiàng)目旨在證明這一點(diǎn))，因此運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的擁堵可能會(huì)得到改善。或者，取決于技術(shù)的進(jìn)步，電解器可以在燃料補(bǔ)給站就地產(chǎn)生氫氣。
在基礎(chǔ)設(shè)施方面，氫燃料火車比氫燃料汽車更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榛疖囇刂潭ㄜ壍佬旭偂＿@條可預(yù)測(cè)的路徑意味著可以在確保覆蓋整個(gè)路線的情況下安裝基礎(chǔ)設(shè)施;與電動(dòng)汽車不同的是，電動(dòng)汽車受到燃料補(bǔ)給點(diǎn)的限制。同樣，由于許多火車站緊鄰公交車站，因此有可能共享加油基礎(chǔ)設(shè)施。
結(jié)論
望著地平線,跳躍電池技術(shù)已經(jīng)在過(guò)去的十年中,它可能是氫成為鐵路運(yùn)輸?shù)氖走x燃料,甚至取代某些線路電氣化——成為一個(gè)零的重要運(yùn)輸路線的一部分。我們有理由對(duì)綠色氫持謹(jǐn)慎樂(lè)觀的態(tài)度，并因此對(duì)鐵路網(wǎng)的脫碳持謹(jǐn)慎樂(lè)觀的態(tài)度。
來(lái)源: Lexology.
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