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

▲中車長客研制的全球首列氫能源市域列車。

近年來，隨著新能源在軌道交通的應用興起，氫能正成為軌道交通領域備受關注的技術“新秀”。業(yè)內人士普遍認為，當前，在軌道交通清潔化需求、政策支持等因素推動下，氫能軌道交通正持續(xù)升溫。

滿足降碳需求

目前，我國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。《中國國家鐵路集團有限公司2022年統(tǒng)計公報》顯示，全國鐵路營業(yè)里程為15.5萬公里，機車擁有量為2.21萬臺，電氣化率達73.8%。其中，內燃機車占比約為35.5%。內燃機車仍承擔著調車作業(yè)、建設施工、非電氣化鐵路運輸等任務。

在此背景下，氫能作為清潔能源，被視為軌道交通領域減排的可行選擇。

“氫能軌道交通采用氫能源作為動力，從全產業(yè)鏈角度來看，更加低碳環(huán)保。”四川榮創(chuàng)新能動力系統(tǒng)有限公司董事長陳維榮在2023世界氫能青年科學家論壇上指出，“據測算，一列時速160公里的氫能源市域動車，一天跑500公里，一年大概可以減少1萬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交通領域實現‘雙碳’目標的重要手段之一。”

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、城際交通納入氫能應用范圍中。與此同時，未來燃料電池應用規(guī)模也將持續(xù)增長。

“目前，國內鐵路除鄭州局、蘭州局、成都局之外，基本上所有的路局都是電氣化運營，大概有7萬公里非電氣化鐵路采用內燃機車運營。”國家高速列車青島技術創(chuàng)新中心副主任劉韶慶指出，“如果以5000輛列車的改造規(guī)模進行計算，采用燃料電池裝機量可以達到1萬兆瓦總量，市場預期規(guī)模有1000億元需求。”

競爭優(yōu)勢顯著

氫能軌道交通快速發(fā)展，離不開自身的性能優(yōu)勢。

陳維榮指出，氫能軌道交通的核心是以氫能為動力系統(tǒng)，由于避免了傳統(tǒng)電氣化鐵路的接觸網、變電所等復雜工程問題，氫能軌道交通的一次性建設成本和全壽命周期運營成本，比傳統(tǒng)電氣化鐵路成本低10%—20%，有很好的競爭優(yōu)勢。

“目前，氫燃料電池已開始在乘用車、客車、物流車等當中推廣應用，由于需要布局更多加氫站，短期內難以大規(guī)模商業(yè)化。相比而言，軌道交通系統(tǒng)的線路相對固定，讓氫氣的運輸和儲存更簡單。”陳維榮表示。

基于上述應用優(yōu)勢，目前國內外都在積極推進氫能軌道交通的研究和應用。國內氫能軌道交通發(fā)展持續(xù)加快，以中國中車、國能集團、中國中鐵為主的相關企業(yè)瞄準能源轉型方向，加快推動燃料電池在氫能軌道交通領域的應用。2023年6月，“寧東號”氫動力機車在中國中車下線，這是目前氫燃料電池裝機功率最大的氫動力機車，也是國內首臺由內燃機車改造而來的氫動力機車；同年7月，國內首臺氫能源地鐵施工作業(yè)車在湖北襄陽正式下線，與傳統(tǒng)燃油作業(yè)車相比，該車全生命周期可累計減少碳排放225噸。

國際范圍內，法國阿爾斯通、德國西門子、日本豐田等公司都在研發(fā)氫能軌道機車；英國和德國等歐洲國家計劃在2035年逐步將現有內燃機車替換為氫能機車；馬來西亞已完成38列氫能智軌車的全球招標；印度發(fā)布了35列氫能列車的招標計劃等，這些都為氫能軌道交通發(fā)展帶來更多機遇。

仍存諸多挑戰(zhàn)

在發(fā)展機遇不斷涌現的同時，氫能軌道交通也面臨不少挑戰(zhàn)。

“當前，氫能軌道交通在技術上面臨輕量化、小型化、智能化、大功率、長壽命、低成本等需求，同時，對制氫、加氫、儲氫，尤其是固體儲氫的工程配套設施也提出了更高要求。”陳維榮強調，“與汽車不同，大功率氫能動力系統(tǒng)是推動氫能軌道交通發(fā)展的核心與關鍵，需要采用復雜的多堆大功率燃料電池系統(tǒng)技術。因此，氫能軌道交通動力系統(tǒng)實現安全、穩(wěn)定、高效、低成本是重大挑戰(zhàn)。”

在劉韶慶看來，軌道交通由于運行里程、載重量、速度、功率需求和汽車不太相同，有著自己獨特的運行工況，在氫燃料系統(tǒng)的應用方面，還面臨動力總成設計、能量管理、加儲氫以及安全技術等方面的挑戰(zhàn)。

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

“圍繞軌道裝備產業(yè)的氫能發(fā)展，中小功率的氫動力應用技術已經成熟；而面向未來的大功率氫動力系統(tǒng)的技術工程化還有待提升，需要全行業(yè)上下游共同協同。”劉韶慶指出，“另外，涉及氫動力系統(tǒng)全生命周期的經濟性，除了擴大市場規(guī)模外，上下游要共同努力，實現低成本的氫能產品制造全過程，滿足應用需求。”