當(dāng)前，在軌道交通清潔化需求、政策支持等因素推動(dòng)下，氫能軌道交通正持續(xù)升溫。

▲中車(chē)長(zhǎng)客研制的全球首列氫能源市域列車(chē)。

近年來(lái)，隨著新能源在軌道交通的應(yīng)用興起，氫能正成為軌道交通領(lǐng)域備受關(guān)注的技術(shù)“新秀”。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，當(dāng)前，在軌道交通清潔化需求、政策支持等因素推動(dòng)下，氫能軌道交通正持續(xù)升溫。

滿足降碳需求

目前，我國(guó)軌道交通正處于快速發(fā)展階段，其能源消耗和碳減排壓力與日俱增。《中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司2022年統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程為15.5萬(wàn)公里，機(jī)車(chē)擁有量為2.21萬(wàn)臺(tái)，電氣化率達(dá)73.8%。其中，內(nèi)燃機(jī)車(chē)占比約為35.5%。內(nèi)燃機(jī)車(chē)仍承擔(dān)著調(diào)車(chē)作業(yè)、建設(shè)施工、非電氣化鐵路運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。

在此背景下，氫能作為清潔能源，被視為軌道交通領(lǐng)域減排的可行選擇。

“氫能軌道交通采用氫能源作為動(dòng)力，從全產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，更加低碳環(huán)保。”四川榮創(chuàng)新能動(dòng)力系統(tǒng)有限公司董事長(zhǎng)陳維榮在2023世界氫能青年科學(xué)家論壇上指出，“據(jù)測(cè)算，一列時(shí)速160公里的氫能源市域動(dòng)車(chē)，一天跑500公里，一年大概可以減少1萬(wàn)多公斤二氧化碳的排放，減碳效果顯著。因此，氫能軌道交通是我國(guó)交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)的重要手段之一。”

氫能巨大的減碳潛力也獲得了更多的政策支持。目前，成都、佛山、張家口、青島等地在“十四五”規(guī)劃中明確提出，要把有軌電車(chē)、城際交通納入氫能應(yīng)用范圍中。與此同時(shí)，未來(lái)燃料電池應(yīng)用規(guī)模也將持續(xù)增長(zhǎng)。

“目前，國(guó)內(nèi)鐵路除鄭州局、蘭州局、成都局之外，基本上所有的路局都是電氣化運(yùn)營(yíng)，大概有7萬(wàn)公里非電氣化鐵路采用內(nèi)燃機(jī)車(chē)運(yùn)營(yíng)。”國(guó)家高速列車(chē)青島技術(shù)創(chuàng)新中心副主任劉韶慶指出，“如果以5000輛列車(chē)的改造規(guī)模進(jìn)行計(jì)算，采用燃料電池裝機(jī)量可以達(dá)到1萬(wàn)兆瓦總量，市場(chǎng)預(yù)期規(guī)模有1000億元需求。”

競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)顯著

氫能軌道交通快速發(fā)展，離不開(kāi)自身的性能優(yōu)勢(shì)。

陳維榮指出，氫能軌道交通的核心是以氫能為動(dòng)力系統(tǒng)，由于避免了傳統(tǒng)電氣化鐵路的接觸網(wǎng)、變電所等復(fù)雜工程問(wèn)題，氫能軌道交通的一次性建設(shè)成本和全壽命周期運(yùn)營(yíng)成本，比傳統(tǒng)電氣化鐵路成本低10%—20%，有很好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

“目前，氫燃料電池已開(kāi)始在乘用車(chē)、客車(chē)、物流車(chē)等當(dāng)中推廣應(yīng)用，由于需要布局更多加氫站，短期內(nèi)難以大規(guī)模商業(yè)化。相比而言，軌道交通系統(tǒng)的線路相對(duì)固定，讓氫氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存更簡(jiǎn)單。”陳維榮表示。

基于上述應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)外都在積極推進(jìn)氫能軌道交通的研究和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)氫能軌道交通發(fā)展持續(xù)加快，以中國(guó)中車(chē)、國(guó)能集團(tuán)、中國(guó)中鐵為主的相關(guān)企業(yè)瞄準(zhǔn)能源轉(zhuǎn)型方向，加快推動(dòng)燃料電池在氫能軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用。2023年6月，“寧東號(hào)”氫動(dòng)力機(jī)車(chē)在中國(guó)中車(chē)下線，這是目前氫燃料電池裝機(jī)功率最大的氫動(dòng)力機(jī)車(chē)，也是國(guó)內(nèi)首臺(tái)由內(nèi)燃機(jī)車(chē)改造而來(lái)的氫動(dòng)力機(jī)車(chē)；同年7月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)氫能源地鐵施工作業(yè)車(chē)在湖北襄陽(yáng)正式下線，與傳統(tǒng)燃油作業(yè)車(chē)相比，該車(chē)全生命周期可累計(jì)減少碳排放225噸。

國(guó)際范圍內(nèi)，法國(guó)阿爾斯通、德國(guó)西門(mén)子、日本豐田等公司都在研發(fā)氫能軌道機(jī)車(chē)；英國(guó)和德國(guó)等歐洲國(guó)家計(jì)劃在2035年逐步將現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)車(chē)替換為氫能機(jī)車(chē)；馬來(lái)西亞已完成38列氫能智軌車(chē)的全球招標(biāo)；印度發(fā)布了35列氫能列車(chē)的招標(biāo)計(jì)劃等，這些都為氫能軌道交通發(fā)展帶來(lái)更多機(jī)遇。

仍存諸多挑戰(zhàn)

在發(fā)展機(jī)遇不斷涌現(xiàn)的同時(shí)，氫能軌道交通也面臨不少挑戰(zhàn)。

“當(dāng)前，氫能軌道交通在技術(shù)上面臨輕量化、小型化、智能化、大功率、長(zhǎng)壽命、低成本等需求，同時(shí)，對(duì)制氫、加氫、儲(chǔ)氫，尤其是固體儲(chǔ)氫的工程配套設(shè)施也提出了更高要求。”陳維榮強(qiáng)調(diào)，“與汽車(chē)不同，大功率氫能動(dòng)力系統(tǒng)是推動(dòng)氫能軌道交通發(fā)展的核心與關(guān)鍵，需要采用復(fù)雜的多堆大功率燃料電池系統(tǒng)技術(shù)。因此，氫能軌道交通動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、高效、低成本是重大挑戰(zhàn)。”

在劉韶慶看來(lái)，軌道交通由于運(yùn)行里程、載重量、速度、功率需求和汽車(chē)不太相同，有著自己獨(dú)特的運(yùn)行工況，在氫燃料系統(tǒng)的應(yīng)用方面，還面臨動(dòng)力總成設(shè)計(jì)、能量管理、加儲(chǔ)氫以及安全技術(shù)等方面的挑戰(zhàn)。

“在政策層面，需要積極進(jìn)行氫能的制、儲(chǔ)、運(yùn)、加環(huán)節(jié)的政策扶持，以鼓勵(lì)企業(yè)入局。另一方面，氫能軌道交通車(chē)輛過(guò)軌審批難的問(wèn)題也亟待解決。”陳維榮說(shuō)。

“圍繞軌道裝備產(chǎn)業(yè)的氫能發(fā)展，中小功率的氫動(dòng)力應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟；而面向未來(lái)的大功率氫動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)工程化還有待提升，需要全行業(yè)上下游共同協(xié)同。”劉韶慶指出，“另外，涉及氫動(dòng)力系統(tǒng)全生命周期的經(jīng)濟(jì)性，除了擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模外，上下游要共同努力，實(shí)現(xiàn)低成本的氫能產(chǎn)品制造全過(guò)程，滿足應(yīng)用需求。”