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英国“氢气列车”即将登场

2020-06-05 09:20:16 BBC

随着世界各地的铁路网络逐步淘汰老式柴油火车,英国即将测试一种新型发动机,这种发动机可能有助于铁路脱碳——氢动力火车。

从站台上看,它和其他英国通勤列车没什么两样。但当数百名乘客登上位于长岛马斯顿的钢质车厢时,他们看到了一个不同寻常的景象。在其中一辆车里,乘客被鼓励停在四个氢燃料罐、一个燃料电池和两个锂电池周围。

列车的氢动力系统产生的能量足以让列车行驶50至75英里。这辆名为Hydroflex的火车是英国第一辆由氢驱动的火车。2019年6月,它首次在昆顿轨道技术中心(QuintonRailTechnologyCentre)的轨道上向公众展示。昆顿轨道技术中心是位于英格兰埃文河畔斯特拉特福附近的长岛马斯顿(LongMarston)的一个测试设施。

来自伯明翰大学和英国波尔特布鲁克铁路公司的工程师研发了这款新列车,他们希望乘客能坐在列车的氢燃料电池旁。他们认为,乘客越早熟悉这项技术,就越早感到安全。

考虑到充满氢气的飞艇的不幸历史,比如命运多灾多吉的英国R101和德国兴登堡号,一些关于氢作为燃料来源的担忧也许是可以理解的。但是,氢动力火车已经成为一种可行的——而且更安全的——交通工具。我们离那些只把水作为废物排放的火车还有多远?

氢驱动火车的方式非常简单。燃料电池由阳极、阴极和电解质膜组成。储存的氢通过阳极,在那里它被分解成电子和质子。然后电子被强制通过一个产生电荷的电路,这些电荷可以储存在锂电池中,也可以直接发送到列车的电动马达。氢分子的剩余部分在阴极与氧反应,成为废物——水。

Hydroflex的氢气罐、燃料电池和电池目前被安置在一节载客车箱里,最终的计划是将它们储存在列车下面,以容纳更多的乘客。氢当然是非常易燃的,但在Hydroflex上,它被储存在四个安全的高压罐中,这是确保乘客安全的一系列措施之一。

在气候危机期间,运输行业对脱碳的需求不断增长,而Hydroflex只是其中的一个产品。2016年,德国推出了世界上第一辆氢动力火车CoradiaiLint,它只用一箱燃料就可以行驶600英里,与传统火车用一箱柴油行驶的距离相当。美国的工程师们也在致力于将一种“九头蛇”(黑科技)带到美国。然而,由于铁路已经是交通运输中温室气体排放量最低的行业之一,大规模铁路系统改革的价值是否值得还有待观察。

英国机械工程师学会(InstitutionofMechanicalEngineers)的数据显示,英国已经有42%的线路里程实现了电气化,这意味着如果使用可再生能源,这些列车将准备好实现零碳排放。目前,从汉普郡到伦敦的一条线路是世界上唯一一条完全使用太阳能的线路。然而,英国其余58%的铁路尚未实现电气化,因此仍需要柴油火车来保持这些地区之间的铁路连接。

开发Hydroflex的工程师表示,氢动力火车可能是解决英国铁路系统脱碳问题的答案,同时又不会导致轨道电气化的高成本。根据对英国和欧洲大陆的20条线路的评估,电气化一公里的铁轨需要花费75万到100万英镑(96.5万到130万美元)。氢动力火车更便宜,因为它们不需要大规模的轨道大修,而且可以通过改造现有的柴油火车来实现。这在农村地区尤其有益,因为那里有更多的里程要走,但却少有乘客能证明花费是合理的。

但是氢驱动火车也有自己的挑战。

伯明翰大学教授、Hydroflex项目负责人斯图尔特希尔曼森(StuartHillmansen)表示:“我们储存了大约20公斤氢气,这些氢气足以让燃料电池运转3个小时”。因此,长途旅行还不可行。伯明翰大学铁路研究与教育中心(CentreforRailwayResearchandEducation)的工程师们正在研究如何扩大这些限制。该中心是波特布鲁克在Hydroflex项目上的合作伙伴。

根据我们目前的储氢技术,氢所占的空间比同等的化石燃料要大得多——拉斐尔艾萨克

虽然氢燃料电池可以像柴油燃料一样节能,但储存气体可能是个问题。密歇根州立大学铁路研究与教育中心(CenterforRailwayResearchandEducation)研究铁路燃料替代品的研究员拉斐尔艾萨克(RaphaelIsaac)表示:“尽管每质量的氢具有很高的能量,但因为它非常轻,所以也占据了很大的体积”。他说:“以我们目前的储氢技术,氢所占的空间比同等的化石燃料要大得多,即使氢通常被压缩,它的单位体积效率仍然不如化石燃料”。

这也是火车上的空间问题。例如,Hydroflex的油箱必须足够小,以适合一辆普通的列车通过维多利亚时代的铁路隧道。这些空间限制是波特布鲁克选择用氢燃料动力系统改造老旧列车模型的原因之一,而不是像德国的阿尔斯通那样建造全新的车辆——现有的列车已经为它们必须经过的隧道进行了测量。

氢可以用其他方法和可再生能源来生产,如太阳能光伏发电和水电解——MargaretS.Wooldridge

尽管氢燃料的唯一直接废弃物是水,但获得这种形式的能源并不一定是绝对干净的。“挑战在于,目前氢是化学过程的副产品”,波特布鲁克创新和项目总监海伦辛普森(HelenSimpson)表示。目前最便宜、最常用的方法是利用天然气和高温蒸汽生产氢气。Hydroflex使用的氢是由天然气生产的氢混合而成的,但它的供应商中银(BOC)表示,它正在研究可再生能源的选项。

为了让氢能源真正可持续发展,其他不依赖化石燃料的生产方法需要成为主流。密歇根大学的航天工程师MargaretS.Wooldridge说:“氢可以通过其他方法和可再生能源来生产,比如太阳能光伏发电和水的电解”。电解利用电流将氧从水中分离出来,从而产生氢。这种电流可以用可再生能源产生,但还需要在小规模的试验示范之外进行。为了成为一种真正的绿色出行方式,氢的制造和储存需要使用可再生能源,比如离岸风力发电场和太阳能电网,而不是化石燃料。

氢动力火车的另一个挥之不去的环境问题是锂电池的使用。目前,锂的加工对周围环境造成了很大的影响。例如,开采一吨锂需要50万加仑的水,而开采锂与环境恶化的几个指标有关。研究人员希望在未来可以用太阳能从海水中提取锂,但这一想法仍处于试验阶段。

另一方面,像Hydroflex这样的列车的一个主要优点是其作为双模列车的潜力,这意味着它们既可以在电气化线路上运行,也可以在常规线路上运行。因此,尽管建造新的氢动力列车(其中一辆Alstrom氢动力列车的成本约为519万英镑)或翻新旧列车肯定是有成本的,但它们是一种灵活的选择,而大多数线路——尤其是农村线路——还没有被改造成可搭载电力列车线路。

辛普森说:“在这个领域,氢燃料是一种真正具有成本效益和价值的替代能源,并提供了一条低碳铁路”。“我们有这么多乘客需求不高的长途线路,但电气化线路的成本效益却不存在”。

这对乘客也有好处,与柴油火车相比,氢动力火车,就像电动火车一样,也是出奇地安静。与电动火车不同的是,它们对整个网络的破坏状态更有弹性。艾萨克说:“共享的电力基础设施意味着,如果基础设施遭到破坏,一条线路上的许多列车的运营都会受到影响”。例如,如果输电线断了,氢动力火车可以转换到燃料电池。

发展向铁路提供氢气的基础设施存在着巨大的挑战——斯图尔特·希尔曼森

在客运列车不那么受欢迎的国家,比如美国,将货运列车转化为氢动力的能力,将是实现大规模生产的关键。最近一份由美国能源部和联邦铁路局赞助的报告指出,虽然用氢气驱动货运列车在技术上更具挑战性,但它最终将具有“最高的社会价值”。然而,货运比客运更重,所以它需要更多的氢,或者更有效地压缩氢,来承载相同的负荷,达到目前柴油货运列车所能达到的相同距离。

伯明翰大学的工程师们目前正在研究更有效的压缩氢气的方法,这是氢动力公司仍需克服的几个障碍之一。希尔曼森说:“在发展向铁路提供氢气的基础设施方面,存在着巨大的挑战”。“这种技术是存在的,但这些行动的规模需要扩大”。

但工程师们强调,Hydroflex不仅仅是氢动力技术的示范,它将成为一种可行的商用列车。为了证明商业用途是安全的,这列火车需要通过一长串的审批,但参与该项目的人估计,Hydroflex最快将在两年后全面投入运行。

考虑到英国到2040年完全淘汰柴油火车的雄心,Hydroflex或许会成为英国最受期待的车型之一。




责任编辑: 李颖

标签: 英国 氢动力火车 燃料电池

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