氢能牵引技术在德国铁路领域的应用潜力分析

2023-12-27Germanraiwayindustry

现代城市轨道交通 2023年12期

1 引言

在全球倡导节能减排的大背景下，德国交通运输部提出了建设可持续、绿色、高效、无障碍、智能、创新、普惠交通以及交通行业至2045 年实现去碳化的目标。这一目标的提出对德国铁路运输产生了深远影响。为实现此目标，德国铁路将大幅增加投资，努力扩大铁路网的覆盖范围并推进其电气化进程，以期至2030 年全国75%的铁路网实现电气化。然而，目前仅有61%的德国铁路网实现了电气化，许多线路由于地理、技术等条件限制，无法扩建接触网。对于这些线路，需要研究基于可再生能源的新牵引技术（以下简称“替代牵引技术”）解决方案。氢能是一种绿色、高效的二次能源，具有热值高、储量丰富、来源多样等优点，在铁路领域有着广泛的应用场景和巨大的应用潜力，将其用于铁路列车牵引，可实现节能、环保的目标。本文将介绍德国电气工程师协会（VDE）和德国工程师协会（VDI）在一项短期研究中所取得的关于氢能牵引技术在铁路领域应用潜力的研究成果。

2 替代牵引技术比较

采用替代牵引技术的列车主要包括接触网+蓄电池混合动力列车（BEMU）和氢燃料电池列车（FCMU）2 类，其各自的能量流如图1 所示。BEMU 是现有电动列车的延伸，可在电气化区段采用接触网取电的牵引方式，在非电气化区段利用蓄电池提供牵引电力。蓄电池可在列车静止或行驶时充电，其容量和放电功率对列车可实现的续航里程起着决定性作用。FCMU 以氢气为主要能源，通过燃料电池将氢气转化为电能以牵引列车。由于氢气的能量密度高，列车储氢罐中存储的氢气通常可供较长航程使用。

图1 BEMU 与FCMU 能量流示意图

除开发采用替代牵引系统的新型列车外，还可以在现有柴油车上使用合成燃料（SYN），直至其使用寿命结束。当然，在柴油车内燃机中使用氢气也是可行的，但这项技术仍处于开发阶段。

在对替代牵引技术进行比较时，不仅要注重效率，还需要全面考虑能源成本、续航能力以及车辆和基础设施的一次性投资或经常性投资。下面将从能量效率、能量储存能力、生命周期成本3 方面对上述替代牵引技术进行比较。

2.1 能量效率

图2 为接触网受流电动列车（EMU）、BEMU、FCMU 及使用SYN 的柴油车（以下简称“SYN 柴油车”）牵引系统能量效率对比图。

图2 4 种类型牵引系统能量效率对比图

由图2 可知，仅就能量效率而言，EMU 牵引系统的能量效率最高（72%），BEMU 次之（65%），FCMU再次之（25%～31%），SYN 柴油车最低（15%～18%）。FCMU 牵引系统虽然能量效率低于BEMU，但可以通过能量载体——氢气以延时的方式使用可再生能源，如图3 所示。SYN 技术的成熟使继续使用现有铁路基础设施和车辆成为可能，但由于其总能量效率相对较低，应用受到限制。

图3 BEMU 与FCMU 对可再生能源电力的应用示意图

2.2 能量储存能力

从使用者的角度看，能量储存能力是衡量储能装置适用性的重要标准。图4 展示了各种列车牵引系统储能装置的体积能量密度和质量能量密度。由图可知，传统柴油车牵引系统储能装置具有体积及质量能量密度均高的特点，这可大幅增加车辆的续航里程。相比之下，蓄电池的相应数值要小10 倍。

图4 各种列车牵引系统储能装置的体积能量密度和质量能量密度对比图

根据行驶速度和路线情况，目前BEMU 在蓄电池充电1 次后可行驶约120 km。而市场上同类FCMU 的续航里程可达1 000 km。

FCMU 能源供应系统包括燃料电池、动力电池及储氢罐。储氢罐为碳纤维复合材料制成的压力容器，储存压力最高可达350 bar。更复杂、成本更高的储氢罐（低温储氢罐）可在-253℃的温度下储存液态氢，液态氢的能量密度比氢气更高，但其液化过程能耗较高，经济性偏低，目前尚未用于铁路运输。未来，低温压缩氢气（CCH2）工艺可能成为压力储氢工艺的替代方案，其为液化储存和压缩储存的结合，可以通过较高的压力避免气体的沸腾损失。

2.3 生命周期成本

通过生命周期成本（LCC）或总体拥有成本（TCO）分析，可以在准确获知轨道车辆整个生命周期（通常为30～40 年）内能源、运维、基础设施等成本的基础上做出技术决策。图5 显示了采用不同牵引系统的列车在德国北莱茵-威斯特法伦州迪伦（Düren）地区铁路线网中的TCO。由图可知，BEMU 和FCMU 可以经济地替代柴油车。

图5 迪伦地区铁路线网中不同牵引系统列车的TCO 对比图（单位：欧元/ km）

3 氢能供应

为实现德国交通部门至2045 年去碳化的目标，必须采用不排放温室气体的解决方案。对于铁路运输而言，这意味着列车仅能够使用可再生能源，氢燃料电池列车必须使用绿色氢能。根据德国铁路股份公司下属能源子公司（DB Energie）提供的数据，即德国铁路2020年消耗约3.86 亿L 柴油，其中约75% 用于近距离客运，可以估算出替代能源在近距离客运中的应用范围。从长远看，其中大部分需求可通过铁路电气化改造或使用BEMU、FCMU 替代。表1展示了氢能牵引（FCMU）及蓄电池牵引（BEMU）在近距离客运中对柴油牵引需求的预期替代潜力（基于2020 年的能耗数据），表中选择1 ∶ 2 和2 ∶ 1 方案作为示例，说明氢能和蓄电池牵引电力对柴油牵引电力的替代情况及二者之间的分布情况。

表1 德国近距离客运柴油牵引需求的可再生能源替代方案

3.1 绿色氢能采购及生产

目前，氢能尚未成为德国铁路的商业产品，列车牵引所需的绿色氢能需要从国外采购或在国内生产。对于氢能的国内生产，集中生产是最佳选择，在个别情况下也可在加氢设施附近建设电解槽进行生产。目前，德国国内的氢气年产能（主要是灰氢）为55 TW · h，预计至2030 年将达到90～110 TW · h。德国铁路将自行采购氢气，并自己建设电解槽生产氢气，以取代柴油。

3.2 加氢站

在向加氢站供氢方面，可以选择公路或铁路运输。液态氢（LH2）及或压缩氢气（CGH2）的公路运输是一项成熟技术。LH2 的运输能力可高达4 000 kg/车，CGH2 的运输能力因氢气压力水平而异，最高可达1 000 kg/车。考虑到液化过程中的能源消耗，对于短途运输而言，CGH2 可能更有吸引力。铁路运输氢气的技术尚不先进。因此，从短期看，加氢站供氢将优先采用公路运输；从中期看，铁路运输可以作为补充。

从长远看，管道运输或现场制氢也是可行的选择。目前，氢气管道输送系统只应用在大型工业企业。通过质子交换膜（PEM）电解法现场制氢，被认为是未来很有前途的一种选择。其优点在于工作压力高（约35 bar），设计紧凑，可节省氢气压缩所需的能量。