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)能量效率對比圖。

圖2 4 種類型牽引系統(tǒng)能量效率對比圖

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較低，應(yīng)用受到限制。

圖3 BEMU 與FCMU 對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)。