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氢能源火车来了——它们能完全替代柴油吗?

来源:环球科学
世界首辆商业氢能源火车在德国运行。 (图片来源:David Hecker/EPA)

当英国政府取消了威尔士电气化火车路线的计划,英格兰中部和北部削减大西部铁路网电气化工程时,一度被吹捧为这个国家自维多利亚时期以来最大的铁路投资项目也提前宣告结束。但现在有报告称政府和火车制造商也许有另一种办法把英国轨道交通电气化,那就是用氢。
德国的一条线路中,氢能源火车已经代替了污染环境的柴油引擎,并且有一些火车公司认为这样的交通工具在英国最早能在2022年运行。要引进它们仍需大量的投资,并充满挑战。但它们将会是减少轨道交通碳排放量的重要一步。
英国铁路网大约只有三分之一被电气化,而过去几年中被转化的轨道也寥寥无几。没有进一步的铁路网电气化,政府面临着没有办法减少会产生碳排放和其他污染物的柴油火车的困境。
目前的战略是购买双模火车,这种火车在没有电气化的轨道处可以改用柴油。但这对于应对气候变化和空气污染的问题只是杯水车薪,英国还是远落后于欧洲其他的铁路网。
氢燃料电池。(图片来源:R.Dervisoglu/Wikipedia)

如果电气化剩余铁路网太贵了的话,还有一种选择是在火车上发电。其中一种方法就是用燃料电池,这种电池结合氢气和空气中的氧气产生电和水。同样的重量的氢气比电池储存的能量更多,也就是说燃料电池系统会更轻。它们加氢的时间也比电池充电的时间要短,并且生产燃料电池的环境成本也没有那么高。
氢气会被压入火车顶的油箱中。但加装一个再生制动系统给额外的小电池充电能减少为火车提供动力所需的氢气。
安装头顶上电线的高昂费用意味着对相对交通量较小的线路来说,氢能源火车比轨道线电气化更经济。而且用氢能源火车实验来探索预料之外的问题也具有合理性。但要实现广泛的使用还需大量产氢和储氢的投资。因为被建造的氢能源轨道很少,所以与有一定经济效益保证的电气化更多路线方案相比,它是否能省下更多的钱也是未知数。

费钱的解决方案。(图片来源:Lukas Juocas/Shutterstock)

一个更好的解决方案也许是发展能够在头顶电线和燃料电池之间切换的双模火车。这对英国铁路网来说尤为合适,因为英国的轨道有很多桥和隧道,在下方装电缆太低,而全面更换又太贵。如果电火车能在有桥和隧道的路段换成氢能源,而不需要电缆的话,它将能大大减少电气化的费用。
氢燃料电池的另一个问题是现在的燃料是由甲烷(天然气)产生的,用了一个叫蒸汽甲烷重整的过程,会产生大量剧毒的一氧化碳。虽然这些气体能被转化为二氧化碳,但这意味着用氢燃料电池还是会产生温室气体排放。
更清洁的氢
一种无污染的产氢方法是电解,也就是使电流通过水。理论上来说,你可以用过量的风能(或者太阳能)来发电,使氢成为可再生能源。但问题是除非这些电解设备能在一天大部分时间里运作,不然这套方案并不经济。这意味着当没有足够的风供能时,它们就需要从电网中汲取稳定的电流,增加了这个过程的成本(且不一定可再生)。
第二种方法是用“热化学”生产方法,该方法会用到水与硫和碘在加热条件下的反应。好消息是,多亏了第四代核电站的发展,这个方法会在未来十年内变得便宜。中国、美国、加拿大和日本都在发展这些高温、小型模块化的反应堆,但不包括英国或欧洲。
尽管氢能源作为交通燃料会有电流限制,但当越来越多的国家(尤其是日本)进一步发展氢经济,它的费用会大大降低,就像太阳能和风能一样。氢最终甚至能代替主燃气管中的天然气,这会降低使用氢进行运输的成本。
在尝试引进一种新的交通燃料时一般会出现的困难是,车主不会在没有基础设施的情况下使用它,而除非车主要求,基础设施建造商也不会进行安装。一个政府出资的氢能源火车实验项目能帮助解决这个问题,并使可再生氢经济往现实更进一步。

作者:Brian Scott-Quinn
翻译:费哲妮 
审校:鲁智元
引进来源:the Conversation
引进链接:https://theconversation.com/hydrogen-trains-are-coming-can-they-get-rid-of-diesel-for-good-110450

 
本文来自:环球科学
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