▲中車長客研制的全球首列氫能源市域列車。

 

       近年來，隨著新能源在軌道交通的應(yīng)用興起，氫能正成為軌道交通領(lǐng)域備受關(guān)注的技術(shù)“新秀”。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，當(dāng)前，在軌道交通清潔化需求、政策支持等因素推動(dòng)下，氫能軌道交通正持續(xù)升溫。

 

滿足降碳需求

 

       目前，我國軌道交通正處于快速發(fā)展階段，其能源消耗和碳減排壓力與日俱增。《中國國家鐵路集團(tuán)有限公司2022年統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，全國鐵路營業(yè)里程為15.5萬公里，機(jī)車擁有量為2.21萬臺(tái)，電氣化率達(dá)73.8%。其中，內(nèi)燃機(jī)車占比約為35.5%。內(nèi)燃機(jī)車仍承擔(dān)著調(diào)車作業(yè)、建設(shè)施工、非電氣化鐵路運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。

 

       在此背景下，氫能作為清潔能源，被視為軌道交通領(lǐng)域減排的可行選擇。

 

       “氫能軌道交通采用氫能源作為動(dòng)力，從全產(chǎn)業(yè)鏈角度來看，更加低碳環(huán)保。”四川榮創(chuàng)新能動(dòng)力系統(tǒng)有限公司董事長陳維榮在2023世界氫能青年科學(xué)家論壇上指出，“據(jù)測算，一列時(shí)速160公里的氫能源市域動(dòng)車，一天跑500公里，一年大概可以減少1萬多公斤二氧化碳的排放，減碳效果顯著。因此，氫能軌道交通是我國交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)的重要手段之一。”

 

       氫能巨大的減碳潛力也獲得了更多的政策支持。目前，成都、佛山、張家口、青島等地在“十四五”規(guī)劃中明確提出，要把有軌電車、城際交通納入氫能應(yīng)用范圍中。與此同時(shí)，未來燃料電池應(yīng)用規(guī)模也將持續(xù)增長。

 

       “目前，國內(nèi)鐵路除鄭州局、蘭州局、成都局之外，基本上所有的路局都是電氣化運(yùn)營，大概有7萬公里非電氣化鐵路采用內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)營。”國家高速列車青島技術(shù)創(chuàng)新中心副主任劉韶慶指出，“如果以5000輛列車的改造規(guī)模進(jìn)行計(jì)算，采用燃料電池裝機(jī)量可以達(dá)到1萬兆瓦總量，市場預(yù)期規(guī)模有1000億元需求。”

 

競爭優(yōu)勢顯著

 

       氫能軌道交通快速發(fā)展，離不開自身的性能優(yōu)勢。

 

       陳維榮指出，氫能軌道交通的核心是以氫能為動(dòng)力系統(tǒng)，由于避免了傳統(tǒng)電氣化鐵路的接觸網(wǎng)、變電所等復(fù)雜工程問題，氫能軌道交通的一次性建設(shè)成本和全壽命周期運(yùn)營成本，比傳統(tǒng)電氣化鐵路成本低10%—20%，有很好的競爭優(yōu)勢。

 

       “目前，氫燃料電池已開始在乘用車、客車、物流車等當(dāng)中推廣應(yīng)用，由于需要布局更多加氫站，短期內(nèi)難以大規(guī)模商業(yè)化。相比而言，軌道交通系統(tǒng)的線路相對固定，讓氫氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存更簡單。”陳維榮表示。

 

       基于上述應(yīng)用優(yōu)勢，目前國內(nèi)外都在積極推進(jìn)氫能軌道交通的研究和應(yīng)用。國內(nèi)氫能軌道交通發(fā)展持續(xù)加快，以中國中車、國能集團(tuán)、中國中鐵為主的相關(guān)企業(yè)瞄準(zhǔn)能源轉(zhuǎn)型方向，加快推動(dòng)燃料電池在氫能軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用。2023年6月，“寧東號(hào)”氫動(dòng)力機(jī)車在中國中車下線，這是目前氫燃料電池裝機(jī)功率最大的氫動(dòng)力機(jī)車，也是國內(nèi)首臺(tái)由內(nèi)燃機(jī)車改造而來的氫動(dòng)力機(jī)車；同年7月，國內(nèi)首臺(tái)氫能源地鐵施工作業(yè)車在湖北襄陽正式下線，與傳統(tǒng)燃油作業(yè)車相比，該車全生命周期可累計(jì)減少碳排放225噸。

 

       國際范圍內(nèi)，法國阿爾斯通、德國西門子、日本豐田等公司都在研發(fā)氫能軌道機(jī)車；英國和德國等歐洲國家計(jì)劃在2035年逐步將現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車替換為氫能機(jī)車；馬來西亞已完成38列氫能智軌車的全球招標(biāo)；印度發(fā)布了35列氫能列車的招標(biāo)計(jì)劃等，這些都為氫能軌道交通發(fā)展帶來更多機(jī)遇。

 

仍存諸多挑戰(zhàn)

 

       在發(fā)展機(jī)遇不斷涌現(xiàn)的同時(shí)，氫能軌道交通也面臨不少挑戰(zhàn)。

 

       “當(dāng)前，氫能軌道交通在技術(shù)上面臨輕量化、小型化、智能化、大功率、長壽命、低成本等需求，同時(shí)，對制氫、加氫、儲(chǔ)氫，尤其是固體儲(chǔ)氫的工程配套設(shè)施也提出了更高要求。”陳維榮強(qiáng)調(diào)，“與汽車不同，大功率氫能動(dòng)力系統(tǒng)是推動(dòng)氫能軌道交通發(fā)展的核心與關(guān)鍵，需要采用復(fù)雜的多堆大功率燃料電池系統(tǒng)技術(shù)。因此，氫能軌道交通動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效、低成本是重大挑戰(zhàn)。”

 

       在劉韶慶看來，軌道交通由于運(yùn)行里程、載重量、速度、功率需求和汽車不太相同，有著自己獨(dú)特的運(yùn)行工況，在氫燃料系統(tǒng)的應(yīng)用方面，還面臨動(dòng)力總成設(shè)計(jì)、能量管理、加儲(chǔ)氫以及安全技術(shù)等方面的挑戰(zhàn)。

 

       “在政策層面，需要積極進(jìn)行氫能的制、儲(chǔ)、運(yùn)、加環(huán)節(jié)的政策扶持，以鼓勵(lì)企業(yè)入局。另一方面，氫能軌道交通車輛過軌審批難的問題也亟待解決。”陳維榮說。

 

       “圍繞軌道裝備產(chǎn)業(yè)的氫能發(fā)展，中小功率的氫動(dòng)力應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟；而面向未來的大功率氫動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)工程化還有待提升，需要全行業(yè)上下游共同協(xié)同。”劉韶慶指出，“另外，涉及氫動(dòng)力系統(tǒng)全生命周期的經(jīng)濟(jì)性，除了擴(kuò)大市場規(guī)模外，上下游要共同努力，實(shí)現(xiàn)低成本的氫能產(chǎn)品制造全過程，滿足應(yīng)用需求。”