氫能牽引技術(shù)在德國鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用潛力分析

1 引言

在全球倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，德國交通運(yùn)輸部提出了建設(shè)可持續(xù)、綠色、高效、無障礙、智能、創(chuàng)新、普惠交通以及交通行業(yè)至2045 年實(shí)現(xiàn)去碳化的目標(biāo)。這一目標(biāo)的提出對(duì)德國鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。為實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，德國鐵路將大幅增加投資，努力擴(kuò)大鐵路網(wǎng)的覆蓋范圍并推進(jìn)其電氣化進(jìn)程，以期至2030 年全國75%的鐵路網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電氣化。然而，目前僅有61%的德國鐵路網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了電氣化，許多線路由于地理、技術(shù)等條件限制，無法擴(kuò)建接觸網(wǎng)。對(duì)于這些線路，需要研究基于可再生能源的新牽引技術(shù)（以下簡稱“替代牽引技術(shù)”）解決方案。氫能是一種綠色、高效的二次能源，具有熱值高、儲(chǔ)量豐富、來源多樣等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用場景和巨大的應(yīng)用潛力，將其用于鐵路列車牽引，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)。本文將介紹德國電氣工程師協(xié)會(huì)（VDE）和德國工程師協(xié)會(huì)（VDI）在一項(xiàng)短期研究中所取得的關(guān)于氫能牽引技術(shù)在鐵路領(lǐng)域應(yīng)用潛力的研究成果。

2 替代牽引技術(shù)比較

采用替代牽引技術(shù)的列車主要包括接觸網(wǎng)+蓄電池混合動(dòng)力列車（BEMU）和氫燃料電池列車（FCMU）2 類，其各自的能量流如圖1 所示。BEMU 是現(xiàn)有電動(dòng)列車的延伸，可在電氣化區(qū)段采用接觸網(wǎng)取電的牽引方式，在非電氣化區(qū)段利用蓄電池提供牽引電力。蓄電池可在列車靜止或行駛時(shí)充電，其容量和放電功率對(duì)列車可實(shí)現(xiàn)的續(xù)航里程起著決定性作用。FCMU 以氫氣為主要能源，通過燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能以牽引列車。由于氫氣的能量密度高，列車儲(chǔ)氫罐中存儲(chǔ)的氫氣通?？晒┹^長航程使用。

圖1 BEMU 與FCMU 能量流示意圖

除開發(fā)采用替代牽引系統(tǒng)的新型列車外，還可以在現(xiàn)有柴油車上使用合成燃料（SYN），直至其使用壽命結(jié)束。當(dāng)然，在柴油車內(nèi)燃機(jī)中使用氫氣也是可行的，但這項(xiàng)技術(shù)仍處于開發(fā)階段。

在對(duì)替代牽引技術(shù)進(jìn)行比較時(shí)，不僅要注重效率，還需要全面考慮能源成本、續(xù)航能力以及車輛和基礎(chǔ)設(shè)施的一次性投資或經(jīng)常性投資。下面將從能量效率、能量儲(chǔ)存能力、生命周期成本3 方面對(duì)上述替代牽引技術(shù)進(jìn)行比較。

2.1 能量效率

圖2 為接觸網(wǎng)受流 電動(dòng)列車（EMU）、BEMU、FCMU 及使用SYN 的柴油車（以下簡稱“SYN 柴油車”）牽引系統(tǒng)能量效率對(duì)比圖。

圖2 4 種類型牽引系統(tǒng)能量效率對(duì)比圖

由圖2 可知，僅就能量效率而言，EMU 牽引系統(tǒng)的能量效率最高（72%），BEMU 次之（65%），F(xiàn)CMU再次之（25%～31%），SYN 柴油車最低（15%～18%）。FCMU 牽引系統(tǒng)雖然能量效率低于BEMU，但可以通過能量載體——?dú)錃庖匝訒r(shí)的方式使用可再生能源，如圖3 所示。SYN 技術(shù)的成熟使繼續(xù)使用現(xiàn)有鐵路基礎(chǔ)設(shè)施和車輛成為可能，但由于其總能量效率相對(duì)較低，應(yīng)用受到限制。

圖3 BEMU 與FCMU 對(duì)可再生能源電力的應(yīng)用示意圖

2.2 能量儲(chǔ)存能力

從使用者的角度看，能量儲(chǔ)存能力是衡量儲(chǔ)能裝置適用性的重要標(biāo)準(zhǔn)。圖4 展示了各種列車牽引系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的體積能量密度和質(zhì)量能量密度。由圖可知，傳統(tǒng)柴油車牽引系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置具有體積及質(zhì)量能量密度均高的特點(diǎn)，這可大幅增加車輛的續(xù)航里程。相比之下，蓄電池的相應(yīng)數(shù)值要小10 倍。

圖4 各種列車牽引系統(tǒng)儲(chǔ)能裝置的體積能量密度和質(zhì)量能量密度對(duì)比圖

根據(jù)行駛速度和路線情況，目前BEMU 在蓄電池充電1 次后可行駛約120 km。而市場上同類FCMU 的續(xù)航里程可達(dá)1 000 km。

FCMU 能源供應(yīng)系統(tǒng)包括燃料電池、動(dòng)力電池及儲(chǔ)氫罐。儲(chǔ)氫罐為碳纖維復(fù)合材料制成的壓力容器，儲(chǔ)存壓力最高可達(dá)350 bar。更復(fù)雜、成本更高的儲(chǔ)氫罐（低溫儲(chǔ)氫罐）可在-253℃的溫度下儲(chǔ)存液態(tài)氫，液態(tài)氫的能量密度比氫氣更高，但其液化過程能耗較高，經(jīng)濟(jì)性偏低，目前尚未用于鐵路運(yùn)輸。未來，低溫壓縮氫氣（CCH2）工藝可能成為壓力儲(chǔ)氫工藝的替代方案，其為液化儲(chǔ)存和壓縮儲(chǔ)存的結(jié)合，可以通過較高的壓力避免氣體的沸騰損失。

2.3 生命周期成本

通過生命周期成本（LCC）或總體擁有成本（TCO）分析，可以在準(zhǔn)確獲知軌道車輛整個(gè)生命周期（通常為30～40 年）內(nèi)能源、運(yùn)維、基礎(chǔ)設(shè)施等成本的基礎(chǔ)上做出技術(shù)決策。圖5 顯示了采用不同牽引系統(tǒng)的列車在德國北萊茵-威斯特法倫州迪倫（Düren）地區(qū)鐵路線網(wǎng)中的TCO。由圖可知，BEMU 和FCMU 可以經(jīng)濟(jì)地替代柴油車。

圖5 迪倫地區(qū)鐵路線網(wǎng)中不同牽引系統(tǒng)列車的TCO 對(duì)比圖（單位：歐元/ km）

3 氫能供應(yīng)

為實(shí)現(xiàn)德國交通部門至2045 年去碳化的目標(biāo)，必須采用不排放溫室氣體的解決方案。對(duì)于鐵路運(yùn)輸而言，這意味著列車僅能夠使用可再生能源，氫燃料電池列車必須使用綠色氫能。根據(jù)德國鐵路股份公司下屬能源子公司（DB Energie）提供的數(shù)據(jù)，即德國鐵路2020年消耗約3.86 億L 柴油，其中約75% 用于近距離客運(yùn)，可以估算出替代能源在近距離客運(yùn)中的應(yīng)用范圍。從長遠(yuǎn)看，其中大部分需求可通過鐵路電氣化改造或使用BEMU、FCMU 替 代。表1展示了氫能牽引（FCMU）及蓄電池牽引（BEMU）在近距離客運(yùn)中對(duì)柴油牽引需求的預(yù)期替代潛力（基于2020 年的能耗數(shù)據(jù)），表中選擇1 ∶ 2 和2 ∶ 1 方案作為示例，說明氫能和蓄電池牽引電力對(duì)柴油牽引電力的替代情況及二者之間的分布情況。

表1 德國近距離客運(yùn)柴油牽引需求的可再生能源替代方案

3.1 綠色氫能采購及生產(chǎn)

目前，氫能尚未成為德國鐵路的商業(yè)產(chǎn)品，列車牽引所需的綠色氫能需要從國外采購或在國內(nèi)生產(chǎn)。對(duì)于氫能的國內(nèi)生產(chǎn)，集中生產(chǎn)是最佳選擇，在個(gè)別情況下也可在加氫設(shè)施附近建設(shè)電解槽進(jìn)行生產(chǎn)。目前，德國國內(nèi)的氫氣年產(chǎn)能（主要是灰氫）為55 TW · h，預(yù)計(jì)至2030 年將達(dá)到90～110 TW · h。德國鐵路將自行采購氫氣，并自己建設(shè)電解槽生產(chǎn)氫氣，以取代柴油。

3.2 加氫站

在向加氫站供氫方面，可以選擇公路或鐵路運(yùn)輸。液態(tài)氫（LH2）及或壓縮氫氣（CGH2）的公路運(yùn)輸是一項(xiàng)成熟技術(shù)。LH2 的運(yùn)輸能力可高達(dá)4 000 kg/車，CGH2 的運(yùn)輸能力因氫氣壓力水平而異，最高可達(dá)1 000 kg/車?？紤]到液化過程中的能源消耗，對(duì)于短途運(yùn)輸而言，CGH2 可能更有吸引力。鐵路運(yùn)輸氫氣的技術(shù)尚不先進(jìn)。因此，從短期看，加氫站供氫將優(yōu)先采用公路運(yùn)輸；從中期看，鐵路運(yùn)輸可以作為補(bǔ)充。

從長遠(yuǎn)看，管道運(yùn)輸或現(xiàn)場制氫也是可行的選擇。目前，氫氣管道輸送系統(tǒng)只應(yīng)用在大型工業(yè)企業(yè)。通過質(zhì)子交換膜（PEM）電解法現(xiàn)場制氫，被認(rèn)為是未來很有前途的一種選擇。其優(yōu)點(diǎn)在于工作壓力高（約35 bar），設(shè)計(jì)緊湊，可節(jié)省氫氣壓縮所需的能量。

4 結(jié)語

氫氣作為一種通用能源載體，在鐵路交通領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。隨著綠色氫能的供應(yīng)，氫能牽引技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用將為減少交通碳排放做出巨大貢獻(xiàn)。