氫能牽引技術在德國鐵路領域的應用潛力分析

1 引言

在全球倡導節能減排的大背景下，德國交通運輸部提出了建設可持續、綠色、高效、無障礙、智能、創新、普惠交通以及交通行業至2045 年實現去碳化的目標。這一目標的提出對德國鐵路運輸產生了深遠影響。為實現此目標，德國鐵路將大幅增加投資，努力擴大鐵路網的覆蓋范圍并推進其電氣化進程，以期至2030 年全國75%的鐵路網實現電氣化。然而，目前僅有61%的德國鐵路網實現了電氣化，許多線路由于地理、技術等條件限制，無法擴建接觸網。對于這些線路，需要研究基于可再生能源的新牽引技術（以下簡稱“替代牽引技術”）解決方案。氫能是一種綠色、高效的二次能源，具有熱值高、儲量豐富、來源多樣等優點，在鐵路領域有著廣泛的應用場景和巨大的應用潛力，將其用于鐵路列車牽引，可實現節能、環保的目標。本文將介紹德國電氣工程師協會（VDE）和德國工程師協會（VDI）在一項短期研究中所取得的關于氫能牽引技術在鐵路領域應用潛力的研究成果。

2 替代牽引技術比較

采用替代牽引技術的列車主要包括接觸網+蓄電池混合動力列車（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 是現有電動列車的延伸，可在電氣化區段采用接觸網取電的牽引方式，在非電氣化區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充電，其容量和放電功率對列車可實現的續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化為電能以牽引列車。由于氫氣的能量密度高，列車儲氫罐中存儲的氫氣通常可供較長航程使用。

圖1 BEMU 與FCMU 能量流示意圖

除開發采用替代牽引系統的新型列車外，還可以在現有柴油車上使用合成燃料（SYN），直至其使用壽命結束。當然，在柴油車內燃機中使用氫氣也是可行的，但這項技術仍處于開發階段。

在對替代牽引技術進行比較時，不僅要注重效率，還需要全面考慮能源成本、續航能力以及車輛和基礎設施的一次性投資或經常性投資。下面將從能量效率、能量儲存能力、生命周期成本3 方面對上述替代牽引技術進行比較。

2.1 能量效率

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

圖2 4 種類型牽引系統能量效率對比圖

由圖2 可知，僅就能量效率而言，EMU 牽引系統的能量效率最高（72%），BEMU 次之（65%），FCMU再次之（25%～31%），SYN 柴油車最低（15%～18%）。FCMU 牽引系統雖然能量效率低于BEMU，但可以通過能量載體——氫氣以延時的方式使用可再生能源，如圖3 所示。SYN 技術的成熟使繼續使用現有鐵路基礎設施和車輛成為可能，但由于其總能量效率相對較低，應用受到限制。

圖3 BEMU 與FCMU 對可再生能源電力的應用示意圖

2.2 能量儲存能力

從使用者的角度看，能量儲存能力是衡量儲能裝置適用性的重要標準。圖4 展示了各種列車牽引系統儲能裝置的體積能量密度和質量能量密度。由圖可知，傳統柴油車牽引系統儲能裝置具有體積及質量能量密度均高的特點，這可大幅增加車輛的續航里程。相比之下，蓄電池的相應數值要小10 倍。

圖4 各種列車牽引系統儲能裝置的體積能量密度和質量能量密度對比圖

根據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 的續航里程可達1 000 km。

FCMU 能源供應系統包括燃料電池、動力電池及儲氫罐。儲氫罐為碳纖維復合材料制成的壓力容器，儲存壓力最高可達350 bar。更復雜、成本更高的儲氫罐（低溫儲氫罐）可在-253℃的溫度下儲存液態氫，液態氫的能量密度比氫氣更高，但其液化過程能耗較高，經濟性偏低，目前尚未用于鐵路運輸。未來，低溫壓縮氫氣（CCH2）工藝可能成為壓力儲氫工藝的替代方案，其為液化儲存和壓縮儲存的結合，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，可以在準確獲知軌道車輛整個生命周期（通常為30～40 年）內能源、運維、基礎設施等成本的基礎上做出技術決策。圖5 顯示了采用不同牽引系統的列車在德國北萊茵-威斯特法倫州迪倫（Düren）地區鐵路線網中的TCO。由圖可知，BEMU 和FCMU 可以經濟地替代柴油車。

圖5 迪倫地區鐵路線網中不同牽引系統列車的TCO 對比圖（單位：歐元/ km）

3 氫能供應

為實現德國交通部門至2045 年去碳化的目標，必須采用不排放溫室氣體的解決方案。對于鐵路運輸而言，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。根據德國鐵路股份公司下屬能源子公司（DB Energie）提供的數據，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，可以估算出替代能源在近距離客運中的應用范圍。從長遠看，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）在近距離客運中對柴油牽引需求的預期替代潛力（基于2020 年的能耗數據），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

目前，氫能尚未成為德國鐵路的商業產品，列車牽引所需的綠色氫能需要從國外采購或在國內生產。對于氫能的國內生產，集中生產是最佳選擇，在個別情況下也可在加氫設施附近建設電解槽進行生產。目前，德國國內的氫氣年產能（主要是灰氫）為55 TW · h，預計至2030 年將達到90～110 TW · h。德國鐵路將自行采購氫氣，并自己建設電解槽生產氫氣，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輸。液態氫（LH2）及或壓縮氫氣（CGH2）的公路運輸是一項成熟技術。LH2 的運輸能力可高達4 000 kg/車，CGH2 的運輸能力因氫氣壓力水平而異，最高可達1 000 kg/車。考慮到液化過程中的能源消耗，對于短途運輸而言，CGH2 可能更有吸引力。鐵路運輸氫氣的技術尚不先進。因此，從短期看，加氫站供氫將優先采用公路運輸；從中期看，鐵路運輸可以作為補充。

從長遠看，管道運輸或現場制氫也是可行的選擇。目前，氫氣管道輸送系統只應用在大型工業企業。通過質子交換膜（PEM）電解法現場制氫，被認為是未來很有前途的一種選擇。其優點在于工作壓力高（約35 bar），設計緊湊，可節省氫氣壓縮所需的能量。

4 結語

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