第11版:科技·装备

中国能源报 2024年01月01日 星期一

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氢能轨道交通升温

■本报记者 仲蕊 《 中国能源报 》( 2024年01月01日   第 11 版)

  中车长客研制的全球首列氢能源市域列车。

  近年来,随着新能源在轨道交通的应用兴起,氢能正成为轨道交通领域备受关注的技术“新秀”。业内人士普遍认为,当前,在轨道交通清洁化需求、政策支持等因素推动下,氢能轨道交通正持续升温。

  ■■ 满足降碳需求

  目前,我国轨道交通正处于快速发展阶段,其能源消耗和碳减排压力与日俱增。《中国国家铁路集团有限公司2022年统计公报》显示,全国铁路营业里程为15.5万公里,机车拥有量为2.21万台,电气化率达73.8%。其中,内燃机车占比约为35.5%。内燃机车仍承担着调车作业、建设施工、非电气化铁路运输等任务。

  在此背景下,氢能作为清洁能源,被视为轨道交通领域减排的可行选择。

  “氢能轨道交通采用氢能源作为动力,从全产业链角度来看,更加低碳环保。”四川荣创新能动力系统有限公司董事长陈维荣在2023世界氢能青年科学家论坛上指出,“据测算,一列时速160公里的氢能源市域动车,一天跑500公里,一年大概可以减少1万多公斤二氧化碳的排放,减碳效果显著。因此,氢能轨道交通是我国交通领域实现‘双碳’目标的重要手段之一。”

  氢能巨大的减碳潜力也获得了更多的政策支持。目前,成都、佛山、张家口、青岛等地在“十四五”规划中明确提出,要把有轨电车、城际交通纳入氢能应用范围中。与此同时,未来燃料电池应用规模也将持续增长。

  “目前,国内铁路除郑州局、兰州局、成都局之外,基本上所有的路局都是电气化运营,大概有7万公里非电气化铁路采用内燃机车运营。”国家高速列车青岛技术创新中心副主任刘韶庆指出,“如果以5000辆列车的改造规模进行计算,采用燃料电池装机量可以达到1万兆瓦总量,市场预期规模有1000亿元需求。”

  ■■ 竞争优势显著

  氢能轨道交通快速发展,离不开自身的性能优势。

  陈维荣指出,氢能轨道交通的核心是以氢能为动力系统,由于避免了传统电气化铁路的接触网、变电所等复杂工程问题,氢能轨道交通的一次性建设成本和全寿命周期运营成本,比传统电气化铁路成本低10%—20%,有很好的竞争优势。

  “目前,氢燃料电池已开始在乘用车、客车、物流车等当中推广应用,由于需要布局更多加氢站,短期内难以大规模商业化。相比而言,轨道交通系统的线路相对固定,让氢气的运输和储存更简单。”陈维荣表示。

  基于上述应用优势,目前国内外都在积极推进氢能轨道交通的研究和应用。国内氢能轨道交通发展持续加快,以中国中车、国能集团、中国中铁为主的相关企业瞄准能源转型方向,加快推动燃料电池在氢能轨道交通领域的应用。2023年6月,“宁东号”氢动力机车在中国中车下线,这是目前氢燃料电池装机功率最大的氢动力机车,也是国内首台由内燃机车改造而来的氢动力机车;同年7月,国内首台氢能源地铁施工作业车在湖北襄阳正式下线,与传统燃油作业车相比,该车全生命周期可累计减少碳排放225吨。

  国际范围内,法国阿尔斯通、德国西门子、日本丰田等公司都在研发氢能轨道机车;英国和德国等欧洲国家计划在2035年逐步将现有内燃机车替换为氢能机车;马来西亚已完成38列氢能智轨车的全球招标;印度发布了35列氢能列车的招标计划等,这些都为氢能轨道交通发展带来更多机遇。

  ■■ 仍存诸多挑战

  在发展机遇不断涌现的同时,氢能轨道交通也面临不少挑战。

  “当前,氢能轨道交通在技术上面临轻量化、小型化、智能化、大功率、长寿命、低成本等需求,同时,对制氢、加氢、储氢,尤其是固体储氢的工程配套设施也提出了更高要求。”陈维荣强调,“与汽车不同,大功率氢能动力系统是推动氢能轨道交通发展的核心与关键,需要采用复杂的多堆大功率燃料电池系统技术。因此,氢能轨道交通动力系统实现安全、稳定、高效、低成本是重大挑战。”

  在刘韶庆看来,轨道交通由于运行里程、载重量、速度、功率需求和汽车不太相同,有着自己独特的运行工况,在氢燃料系统的应用方面,还面临动力总成设计、能量管理、加储氢以及安全技术等方面的挑战。

  “在政策层面,需要积极进行氢能的制、储、运、加环节的政策扶持,以鼓励企业入局。另一方面,氢能轨道交通车辆过轨审批难的问题也亟待解决。”陈维荣说。

  “围绕轨道装备产业的氢能发展,中小功率的氢动力应用技术已经成熟;而面向未来的大功率氢动力系统的技术工程化还有待提升,需要全行业上下游共同协同。”刘韶庆指出,“另外,涉及氢动力系统全生命周期的经济性,除了扩大市场规模外,上下游要共同努力,实现低成本的氢能产品制造全过程,满足应用需求。”