英國“氫氣列車”即將登場

 　　隨著世界各地的鐵路網(wǎng)絡逐步淘汰老式柴油火車，英國即將測試一種新型發(fā)動機，這種發(fā)動機可能有助于鐵路脫碳——氫動力火車。

　　從站臺上看，它和其他英國通勤列車沒什么兩樣。但當數(shù)百名乘客登上位于長島馬斯頓的鋼質車廂時，他們看到了一個不同尋常的景象。在其中一輛車里，乘客被鼓勵停在四個氫燃料罐、一個燃料電池和兩個鋰電池周圍。

　　列車的氫動力系統(tǒng)產(chǎn)生的能量足以讓列車行駛50至75英里。這輛名為Hydroflex的火車是英國第一輛由氫驅動的火車。2019年6月，它首次在昆頓軌道技術中心(QuintonRailTechnologyCentre)的軌道上向公眾展示。昆頓軌道技術中心是位于英格蘭埃文河畔斯特拉特福附近的長島馬斯頓(LongMarston)的一個測試設施。

　　來自伯明翰大學和英國波爾特布魯克鐵路公司的工程師研發(fā)了這款新列車，他們希望乘客能坐在列車的氫燃料電池旁。他們認為，乘客越早熟悉這項技術，就越早感到安全。

　　考慮到充滿氫氣的飛艇的不幸歷史，比如命運多災多吉的英國R101和德國興登堡號，一些關于氫作為燃料來源的擔憂也許是可以理解的。但是，氫動力火車已經(jīng)成為一種可行的——而且更安全的——交通工具。我們離那些只把水作為廢物排放的火車還有多遠?

　　氫驅動火車的方式非常簡單。燃料電池由陽極、陰極和電解質膜組成。儲存的氫通過陽極，在那里它被分解成電子和質子。然后電子被強制通過一個產(chǎn)生電荷的電路，這些電荷可以儲存在鋰電池中，也可以直接發(fā)送到列車的電動馬達。氫分子的剩余部分在陰極與氧反應，成為廢物——水。

　　Hydroflex的氫氣罐、燃料電池和電池目前被安置在一節(jié)載客車箱里，最終的計劃是將它們儲存在列車下面，以容納更多的乘客。氫當然是非常易燃的，但在Hydroflex上，它被儲存在四個安全的高壓罐中，這是確保乘客安全的一系列措施之一。

　　在氣候危機期間，運輸行業(yè)對脫碳的需求不斷增長，而Hydroflex只是其中的一個產(chǎn)品。2016年，德國推出了世界上第一輛氫動力火車CoradiaiLint，它只用一箱燃料就可以行駛600英里，與傳統(tǒng)火車用一箱柴油行駛的距離相當。美國的工程師們也在致力于將一種“九頭蛇”(黑科技)帶到美國。然而，由于鐵路已經(jīng)是交通運輸中溫室氣體排放量最低的行業(yè)之一，大規(guī)模鐵路系統(tǒng)改革的價值是否值得還有待觀察。

　　英國機械工程師學會(InstitutionofMechanicalEngineers)的數(shù)據(jù)顯示，英國已經(jīng)有42%的線路里程實現(xiàn)了電氣化，這意味著如果使用可再生能源，這些列車將準備好實現(xiàn)零碳排放。目前，從漢普郡到倫敦的一條線路是世界上唯一一條完全使用太陽能的線路。然而，英國其余58%的鐵路尚未實現(xiàn)電氣化，因此仍需要柴油火車來保持這些地區(qū)之間的鐵路連接。

　　開發(fā)Hydroflex的工程師表示，氫動力火車可能是解決英國鐵路系統(tǒng)脫碳問題的答案，同時又不會導致軌道電氣化的高成本。根據(jù)對英國和歐洲大陸的20條線路的評估，電氣化一公里的鐵軌需要花費75萬到100萬英鎊(96.5萬到130萬美元)。氫動力火車更便宜，因為它們不需要大規(guī)模的軌道大修，而且可以通過改造現(xiàn)有的柴油火車來實現(xiàn)。這在農(nóng)村地區(qū)尤其有益，因為那里有更多的里程要走，但卻少有乘客能證明花費是合理的。

　　但是氫驅動火車也有自己的挑戰(zhàn)。

　　伯明翰大學教授、Hydroflex項目負責人斯圖爾特希爾曼森(StuartHillmansen)表示:“我們儲存了大約20公斤氫氣，這些氫氣足以讓燃料電池運轉3個小時”。因此，長途旅行還不可行。伯明翰大學鐵路研究與教育中心(CentreforRailwayResearchandEducation)的工程師們正在研究如何擴大這些限制。該中心是波特布魯克在Hydroflex項目上的合作伙伴。

　　根據(jù)我們目前的儲氫技術，氫所占的空間比同等的化石燃料要大得多——拉斐爾艾薩克

　　雖然氫燃料電池可以像柴油燃料一樣節(jié)能，但儲存氣體可能是個問題。密歇根州立大學鐵路研究與教育中心(CenterforRailwayResearchandEducation)研究鐵路燃料替代品的研究員拉斐爾艾薩克(RaphaelIsaac)表示:“盡管每質量的氫具有很高的能量，但因為它非常輕，所以也占據(jù)了很大的體積”。他說:“以我們目前的儲氫技術，氫所占的空間比同等的化石燃料要大得多，即使氫通常被壓縮，它的單位體積效率仍然不如化石燃料”。

　　這也是火車上的空間問題。例如，Hydroflex的油箱必須足夠小，以適合一輛普通的列車通過維多利亞時代的鐵路隧道。這些空間限制是波特布魯克選擇用氫燃料動力系統(tǒng)改造老舊列車模型的原因之一，而不是像德國的阿爾斯通那樣建造全新的車輛——現(xiàn)有的列車已經(jīng)為它們必須經(jīng)過的隧道進行了測量。

　　氫可以用其他方法和可再生能源來生產(chǎn)，如太陽能光伏發(fā)電和水電解——MargaretS.Wooldridge

　　盡管氫燃料的唯一直接廢棄物是水，但獲得這種形式的能源并不一定是絕對干凈的。“挑戰(zhàn)在于，目前氫是化學過程的副產(chǎn)品”，波特布魯克創(chuàng)新和項目總監(jiān)海倫辛普森(HelenSimpson)表示。目前最便宜、最常用的方法是利用天然氣和高溫蒸汽生產(chǎn)氫氣。Hydroflex使用的氫是由天然氣生產(chǎn)的氫混合而成的，但它的供應商中銀(BOC)表示，它正在研究可再生能源的選項。

　　為了讓氫能源真正可持續(xù)發(fā)展，其他不依賴化石燃料的生產(chǎn)方法需要成為主流。密歇根大學的航天工程師MargaretS.Wooldridge說:“氫可以通過其他方法和可再生能源來生產(chǎn)，比如太陽能光伏發(fā)電和水的電解”。電解利用電流將氧從水中分離出來，從而產(chǎn)生氫。這種電流可以用可再生能源產(chǎn)生，但還需要在小規(guī)模的試驗示范之外進行。為了成為一種真正的綠色出行方式，氫的制造和儲存需要使用可再生能源，比如離岸風力發(fā)電場和太陽能電網(wǎng)，而不是化石燃料。

　　氫動力火車的另一個揮之不去的環(huán)境問題是鋰電池的使用。目前，鋰的加工對周圍環(huán)境造成了很大的影響。例如，開采一噸鋰需要50萬加侖的水，而開采鋰與環(huán)境惡化的幾個指標有關。研究人員希望在未來可以用太陽能從海水中提取鋰，但這一想法仍處于試驗階段。

　　另一方面，像Hydroflex這樣的列車的一個主要優(yōu)點是其作為雙模列車的潛力，這意味著它們既可以在電氣化線路上運行，也可以在常規(guī)線路上運行。因此，盡管建造新的氫動力列車(其中一輛Alstrom氫動力列車的成本約為519萬英鎊)或翻新舊列車肯定是有成本的，但它們是一種靈活的選擇，而大多數(shù)線路——尤其是農(nóng)村線路——還沒有被改造成可搭載電力列車線路。

　　辛普森說:“在這個領域，氫燃料是一種真正具有成本效益和價值的替代能源，并提供了一條低碳鐵路”。“我們有這么多乘客需求不高的長途線路，但電氣化線路的成本效益卻不存在”。

　　這對乘客也有好處，與柴油火車相比，氫動力火車，就像電動火車一樣，也是出奇地安靜。與電動火車不同的是，它們對整個網(wǎng)絡的破壞狀態(tài)更有彈性。艾薩克說:“共享的電力基礎設施意味著，如果基礎設施遭到破壞，一條線路上的許多列車的運營都會受到影響”。例如，如果輸電線斷了，氫動力火車可以轉換到燃料電池。

　　發(fā)展向鐵路提供氫氣的基礎設施存在著巨大的挑戰(zhàn)——斯圖爾特·希爾曼森

　　在客運列車不那么受歡迎的國家，比如美國，將貨運列車轉化為氫動力的能力，將是實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的關鍵。最近一份由美國能源部和聯(lián)邦鐵路局贊助的報告指出，雖然用氫氣驅動貨運列車在技術上更具挑戰(zhàn)性，但它最終將具有“最高的社會價值”。然而，貨運比客運更重，所以它需要更多的氫，或者更有效地壓縮氫，來承載相同的負荷，達到目前柴油貨運列車所能達到的相同距離。

　　伯明翰大學的工程師們目前正在研究更有效的壓縮氫氣的方法，這是氫動力公司仍需克服的幾個障礙之一。希爾曼森說:“在發(fā)展向鐵路提供氫氣的基礎設施方面，存在著巨大的挑戰(zhàn)”。“這種技術是存在的，但這些行動的規(guī)模需要擴大”。

　　但工程師們強調，Hydroflex不僅僅是氫動力技術的示范，它將成為一種可行的商用列車。為了證明商業(yè)用途是安全的，這列火車需要通過一長串的審批，但參與該項目的人估計，Hydroflex最快將在兩年后全面投入運行。

　　考慮到英國到2040年完全淘汰柴油火車的雄心，Hydroflex或許會成為英國最受期待的車型之一。 BBC