2022年3月，由世界上最大的列車(chē)制造商——法國(guó)阿爾斯通公司（圣康坦市）——打造的14輛氫能列車(chē)Coradia iLint在德國(guó)開(kāi)始長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)（圖1）。在漢堡附近的布克斯特胡德（Buxtehude）和沿海城鎮(zhèn)庫(kù)克斯港（Cuxhaven）之間的區(qū)級(jí)線路上運(yùn)行的這項(xiàng)為期18個(gè)月的新服務(wù)是一項(xiàng)商業(yè)示范試驗(yàn)。在這項(xiàng)試驗(yàn)中，兩輛Coradia iLint運(yùn)載乘客行駛了20多萬(wàn)公里，而向空氣中排放的卻只有水蒸氣。

圖1. 在德國(guó)成功試運(yùn)營(yíng)18個(gè)月后，14輛氫能列車(chē)Coradia iLint于2022年3月正式在德國(guó)投入運(yùn)營(yíng)，未來(lái)幾年將在歐洲各地推出更多氫能列車(chē)。來(lái)源：Alstom (public domain)。

加拿大溫哥華不列顛哥倫比亞大學(xué)土木工程系副教授Gordon Lovegrove說(shuō)道：“德國(guó)的鄉(xiāng)村地區(qū)人口密度小、客流量少且電力供應(yīng)不足，阿爾斯通公司生產(chǎn)的列車(chē)能在這種地方運(yùn)營(yíng)，可謂是驚人之舉。Coradia iLint完美地填補(bǔ)了機(jī)載、零排放、電氣化的空白?！?/strong>

Coradia iLints的成功吸引了德國(guó)、法國(guó)、意大利、奧地利、英國(guó)以及匈牙利等國(guó)家的注意。它們紛紛向阿爾斯通公司訂購(gòu)此類(lèi)列車(chē)，并計(jì)劃投入本國(guó)使用。其他幾個(gè)大型制造商也著手建造自己的氫能列車(chē)。

氫能汽車(chē)、卡車(chē)和公交車(chē)在幾十年前就已經(jīng)投入使用，雖然取得的商業(yè)成就有限，但在氫燃料使用方面，無(wú)疑將列車(chē)落在了后面。列車(chē)依靠柴油（目前歐洲約五分之一的列車(chē)、美國(guó)大部分鐵路列車(chē)依賴(lài)柴油）以及電力（美國(guó)主要是化石燃料產(chǎn)生的電力，歐洲主要是可再生能源產(chǎn)生的電力）提供動(dòng)力。出現(xiàn)這種情況的主要原因是氫能技術(shù)所面臨的供需矛盾：在需求明確前，供應(yīng)商不愿意為降低成本建造所需的大型生產(chǎn)設(shè)備，而消費(fèi)者又希望在低排放燃料的價(jià)格降下來(lái)后再選用低排放燃料。

然而，最近各國(guó)政府開(kāi)始發(fā)布關(guān)于凈零排放的強(qiáng)制性政策，以緩解氣候變化。例如，2021年歐盟提出到2030年溫室氣體排放量比1990年減少55%，到2050年實(shí)現(xiàn)凈零排放。法國(guó)、蘇格蘭以及荷蘭部分地區(qū)的國(guó)家列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承諾在2035年以前以清潔能源系統(tǒng)取代客運(yùn)和（或）貨運(yùn)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。德國(guó)承諾在2038年以前取締柴油列車(chē)，英國(guó)承諾在2040年以前實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過(guò)擴(kuò)大對(duì)綠色電力（包括氫能發(fā)電）的需求，氫能列車(chē)將在強(qiáng)制措施下實(shí)現(xiàn)飛躍式發(fā)展。

如今，大多數(shù)氫燃料是通過(guò)甲烷水蒸氣重整（steam methane reformation, SMR）和電解水產(chǎn)生的：在SMR過(guò)程中，甲烷在催化劑的作用下與加壓水蒸氣反應(yīng)，產(chǎn)生“灰氫”（grey hydrogen）；在電解水過(guò)程中，通過(guò)電解水，分解出氫氣和氧氣。對(duì)于世界上所有的制氫工藝，SMR的使用占比為95%。雖然SMR的成本不高，但其產(chǎn)生的能量卻很高。Lovegrove說(shuō)道：“在生產(chǎn)'綠氫’（green hydrogen）時(shí)，你肯定想使用可再生能源，包括非高峰期的水力發(fā)電、太陽(yáng)能或風(fēng)能?！?/p>

然而，“綠氫”的生產(chǎn)成本是利用SMR生產(chǎn)“灰氫”的2~5倍。Lovegrove說(shuō)道，要使人們用得起“綠氫”，需要將它的生產(chǎn)成本降低一半。至少有幾位專(zhuān)家希望這一目標(biāo)可以在2030年以前實(shí)現(xiàn)。盡管其總成本較高，但如今氫能列車(chē)在由柴油列車(chē)占據(jù)主導(dǎo)地位的鐵路線上行使的商業(yè)案例越來(lái)越引人注目；因?yàn)榻ㄔ旄呒茈姎饣€路的技術(shù)難度大、成本高，而且這種鐵路線路過(guò)長(zhǎng)或地勢(shì)過(guò)于陡峭，所以由電池供電的發(fā)動(dòng)機(jī)不能滿(mǎn)足要求。

2016年，阿爾斯通公司對(duì)一個(gè)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整，制造了第一輛Coradia iLints列車(chē)。這輛列車(chē)的電力發(fā)動(dòng)機(jī)由氫燃料電池（通過(guò)列車(chē)頂部?jī)?chǔ)存的氫氣與空氣中的氧氣結(jié)合）供電。車(chē)載電池還可通過(guò)捕捉剎車(chē)過(guò)程中產(chǎn)生的電力來(lái)供電。這輛列車(chē)的續(xù)航里程為1000 km，最高時(shí)速可達(dá)140 km，同時(shí)運(yùn)載150名坐著的乘客和150名站著的乘客。電力發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎沒(méi)有噪聲。Lovegrove說(shuō)道：“我坐過(guò)一次，它安靜到甚至可以讓你聽(tīng)到自己思考的聲音?！?/p>

為給氫能列車(chē)建造加氫設(shè)施，阿爾斯通公司與包括位于德國(guó)的Linde（愛(ài)爾蘭都柏林）和波蘭的PKN Orlen在內(nèi)的石油和天然氣公司合作。正常情況下，Coradia iLints每加一次氫氣可行駛18 h。同時(shí)，阿爾斯通公司還與Hynamics公司（法國(guó)巴黎）和Deutsche Bahn公司（德國(guó)柏林）合作建造移動(dòng)加氫站。加氫站15 min內(nèi)就可為列車(chē)加好氫，與加柴油所需的時(shí)間相近，而給電池充電卻需花費(fèi)3~4 h。

雖然阿爾斯通公司是該領(lǐng)域的先驅(qū)，但也有其他公司宣布計(jì)劃開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的氫能列車(chē)。西班牙鐵道車(chē)輛制造商CAF公司（圣塞瓦斯蒂安）、德國(guó)西門(mén)子公司（慕尼黑）以及英國(guó)的HydroFLEX項(xiàng)目[伯明翰大學(xué)鐵路研究與教育中心和Porterbrook公司（德比）共同發(fā)起的一個(gè)合作項(xiàng)目]都在著力開(kāi)發(fā)氫能列車(chē)新技術(shù)。針對(duì)目前在美國(guó)進(jìn)行的唯一一個(gè)氫能列車(chē)項(xiàng)目，瑞士Stadler公司正在為加利福尼亞州圣貝納迪諾的一條線路設(shè)計(jì)一輛氫能列車(chē)。中國(guó)、日本及澳大利亞的氫能列車(chē)研發(fā)工作也不斷取得新突破。

短期內(nèi)可能無(wú)法在加拿大多倫多看到客運(yùn)氫能列車(chē)。由于氫燃料生產(chǎn)、運(yùn)輸以及儲(chǔ)存方面存在的不確定性問(wèn)題，多倫多最近暫停了可能成為迄今為止世界上最大規(guī)模的一個(gè)氫能列車(chē)項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃以氫燃料取代柴油來(lái)供電。

但加拿大的其他氫能列車(chē)項(xiàng)目還在繼續(xù)進(jìn)行。Ballard Power Systems公司（加拿大哥倫比亞本拿比）與中國(guó)中車(chē)（CRRC）青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司合作開(kāi)發(fā)有軌氫能列車(chē)，他們開(kāi)發(fā)的列車(chē)目前在中國(guó)唐山市和佛山市運(yùn)行（圖2）。Ballard Power Systems公司還為加拿大太平洋鐵路公司的氫燃料貨運(yùn)機(jī)車(chē)項(xiàng)目提供了14個(gè)燃料電池模塊，每個(gè)模塊的輸出功率為200 kW，這些模塊將通過(guò)氫燃料電池為三輛柴油列車(chē)提供動(dòng)力。這三輛列車(chē)最早于2022年開(kāi)始試運(yùn)行。另外，該公司與西門(mén)子公司的合作旨在開(kāi)發(fā)新一代氫能列車(chē)，名為Mireo Plus H（圖3），開(kāi)發(fā)的列車(chē)將于2023年在巴伐利亞開(kāi)始試運(yùn)行。Ballard Power Systems公司還將為德國(guó)馬德里供應(yīng)商Patentes Talgo計(jì)劃在西班牙運(yùn)行的列車(chē)提供燃料電池。

圖2. 加拿大Ballard Power Systems公司與中國(guó)中車(chē)（CRRC）青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司合作開(kāi)發(fā)的有軌氫能列車(chē)目前正在中國(guó)唐山市和佛山市運(yùn)行。來(lái)源：Wikimedia Commons（CC BY-SA 4.0）。

圖3. 西門(mén)子公司的Mireo Plus H氫能列車(chē)將于2023年年底前在巴伐利亞開(kāi)始試運(yùn)行。來(lái)源：Siemens (public domain)。

與Ballard Power Systems公司在中國(guó)、加拿大和歐洲的項(xiàng)目一樣，大多數(shù)正在開(kāi)發(fā)的氫能列車(chē)項(xiàng)目都同時(shí)涉及對(duì)設(shè)備進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，以及將以柴油和電力提供動(dòng)力的列車(chē)改造成以氫燃料提供動(dòng)力。Ballard Power Systems公司的技術(shù)總監(jiān)Cara Startek說(shuō)道：“目前，我們的關(guān)注點(diǎn)在于原始設(shè)備和改造設(shè)備，定做的列車(chē)獲得認(rèn)證所需的時(shí)間非常長(zhǎng)，因此，最理想的方法是針對(duì)現(xiàn)有列車(chē)制定具有針對(duì)性的解決方案?！?/p>

Lovegrove也認(rèn)為：“能夠改造有30~50年車(chē)齡的列車(chē)，是一件激動(dòng)人心的事情。任意一個(gè)機(jī)車(chē)平臺(tái)都非常重，大約是150 t金屬的重量，改造過(guò)程中不會(huì)對(duì)平臺(tái)的位置做任何改動(dòng)。你可以對(duì)現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼進(jìn)行改造，只需花費(fèi)幾個(gè)月時(shí)間和100萬(wàn)美元，就可以得到一輛能再行駛50年的列車(chē)?！?/p>

盡管新項(xiàng)目不斷涌現(xiàn)，但氫能列車(chē)采用的基礎(chǔ)技術(shù)與幾十年前列車(chē)采用的技術(shù)大體相同。Startek說(shuō)道：“燃料電池技術(shù)方面取得的成就有限，但在燃料電池工程設(shè)計(jì)方面卻取得了很多成就。我們致力于了解軌道獨(dú)特的安全系統(tǒng)以及沖擊和振動(dòng)要求，并將其整合到燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行策略中。”

然而，近期的一些創(chuàng)新有助于提升氫能列車(chē)的吸引力。例如，英國(guó)工程師設(shè)計(jì)出一種輕型燃料電池轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器的工作方式是通過(guò)半導(dǎo)體以可控的方式將能源從燃料電池中提取出來(lái)，然后將其輸送至列車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。這一過(guò)程需要將兩臺(tái)獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器升級(jí)整合成為一臺(tái)可以提高列車(chē)行駛里程的輕型轉(zhuǎn)換器。在氫能的生產(chǎn)及傳輸方面也存在可為所有氫能車(chē)輛帶來(lái)更為廣闊的商業(yè)發(fā)展前景的創(chuàng)新空間。最近一些令人感興趣的進(jìn)展包括：日本將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為氫能，效率可提高100倍；美國(guó)建造了可以放置在現(xiàn)有天然氣配送系統(tǒng)旁的小型、廉價(jià)加氫站，這些加氫站所用的氫氣是利用天然氣制造出來(lái)的。

制造商也在尋求通過(guò)其他方式進(jìn)一步減少氫能列車(chē)對(duì)環(huán)境的影響。Startek說(shuō)道：“我們正在翻新燃料電池，回收95%的鉑，重復(fù)使用電池板。我們希望通過(guò)擴(kuò)大這種策略的應(yīng)用范圍，提升產(chǎn)品的可持續(xù)性?！?/p>

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

改編原文：

Chris Palmer.Hydrogen-Powered Trains Start to Roll[J].Engineering,2022,11(4):9-11.