应用“升温”，氢能轨道交通发展的背后是什么？

文章来源：全球氢能，封面图源视觉中国

“全国铁路营业里程从2012年的9.8万公里增长到2022年的15.5万公里，其中高铁从0.9万公里增长到4.2万公里，稳居世界第一。”在国家铁路局工作会议上，国家铁路局局长费东斌回顾了新时代10年铁路发展取得的辉煌成就。而氢能作为近两年来国家大力研发的新型能源，如果未来大规模应用到轨道交通上，无疑对进一步促进中国实现碳中和的目标有着积极的作用。

西南交通大学电气工程学院院长、俄罗斯工程院外籍院士陈维荣表示，氢能在中国轨道交通领域有着广泛的应用场景，包括观光列车和城市轨道交通车辆，以及许多工程车辆。他表示：“一提到氢能源应用，可能大家想到的是公路交通，比如轿车、大巴车等等，但实际上铁路同样面临巨大的节能减排压力，以2021年为例，全系统机车拥有量为21000多台，但其中内燃机有7600多台，占比超过了1/3，所以铁路交通也迫切需要新能源的应用。”

根据测算，一列时速160公里的氢能源市域动车，一天来回跑500公里，一年大概可以减少1万多公斤二氧化碳的排放，减碳效果非常明显。所以，氢能源列车是轨道交通领域实现“双碳”目标的一个重要手段。

上海临港中运量2号线运营的氢能源数字轨道胶轮车，图源中车浦镇公司

为什么氢能可以用于轨道交通领域？

“近年来，国内各地开始加快推进氢能轨道交通相关项目，不少地方也已经开始试运行。比如，2019年开通的佛山高明有轨电车，作为国内最早的商业运营氢能源有轨电车，其运营情况表现出色。”清华大学核能与新能源技术研究院教授、国际氢能协会副主席毛宗强在年初接受采访时表示，“从目前的技术和发展情况来看，氢能源在轨道交通领域的应用，未来将迎来很大的发展。”

氢能轨道交通是极具前景的氢燃料电池应用场景。那么，氢能为什么可以用于轨道交通？轨道交通发展氢能源又有什么优势呢？

资料显示，与高铁相比，氢能源轨道车辆线路将取消接触网及相关变电站，提升了线路检修便捷性，增强城市环境兼容性，带动当地氢能源产业链发展，推动氢能源综合应用，轨道交通氢能源应用具有其自身的应用优势：

• 环境友好。采用氢能源作为动力，从制氢到用氢，全产业链都是低碳的，轨道交通氢能源应用无接触网/受流轨，噪音、辐射小。而高铁靠电力驱动，电气化铁路在使用阶段是环保的，但目前我国60%的电力来源于火电，源头上还是有空气污染问题。所以从全产业链角度来看，氢能源轨道交通更加低碳环保。

• 经济性高。氢能源轨道交通因免掉了传统电气化铁路的接触网、变电所等复杂工程问题，初期成本大幅降低，其一次性建设成本和全寿命周期运营成本，比传统高铁低10%-20%左右，同时，建设周期短，无需维护供电系统，降低养护成本。

• 兼容性强。轨道交通氢能源应用增加线路组网能力，车辆多线路运行效率提升。

• 示范显著。氢能源轨道交通用氢规模大，可显著带动当地氢产业链全面发展。

在2023年世界氢能技术大会上，中车青岛的相关工作人员表示，氢能源有轨电车加注一次氢只需要3分钟，在加满氢的状态下，可以满载持续行驶近100公里，最高运行时速可达70公里，具有高效能的突出优势，氢能作为一种清洁能源，可以做到真正意义上的‘零’排放，节能环保。另一方面当前产品现在可以做到轻量化，对于城市的一些复杂地形来说，轨道交通氢能源应用还是很有优势的。

氢能应用轨道交通当下进展如何？

事实上，如今在全球向低碳、绿色转型的大背景下，世界各国都在进行积极探索，利用氢燃料实现“零排放、无污染”，氢能在轨道交通上的应用也一直在推进探索中。

在国外，2016年9月，阿尔斯通氢能列车Coradia iLint首次在柏林展Innotrans亮相。该列车为两编组，载客300人，列车最高时速可达140km/h，续航800km，每列车配置2套氢动力系统，配套燃料电池系统198kW，采用IV型35MPa储氢系统，可储存氢气188kg。2018年，Coradia iLint氢能列车在德国下萨克森州示范运营。

应用氢燃料电池技术的iLint列车，图源新能源驿站

此外，日本最大的客运铁路公司东日本铁路公司（JR East）于2019年公布了测试燃料电池列车的计划。法国国家铁路公司（SNCF）也公布法国将加入氢能列车革命。斯塔德勒公司（Stadler US）与加州圣贝纳迪诺县运输管理局（SBCTA）也将零排放客运铁路技术引入美国，宣告着美国首辆商用氢动力客运火车（Flirt H₂）项目正式启动。

2022年5月，国际轨道交通整车装备巨头西门子推出了H₂goes Rail项目最新成果——氢动力列车Mireo Plus H。据了解，Mireo Plus H列车运行距离约为1000公里，牵引动力1.7MW，可实现1.1m/s²的加速度，最高时速160km/h，并可以实现快速燃料填充。在30年的使用寿命中，一列氢动力列车能比汽车减少4.5万吨的二氧化碳排放。西门子方面表示，Mireo Plus H列车将于2023年在德国巴登-符腾堡（Baden-Württemberg）路线开始试运行。2024年，它将为H₂goes Rail项目提供常规的客运服务，在图宾根、霍尔布和普福尔茨海姆（Pforzheim）之间运行，计划提供大约12万公里线路的客运服务，并取代目前在该路线上使用的柴油列车。

国内的氢动力列车几乎与世界同时“发车”。

2015年3月，氢能源有轨电车在中车青岛四方机车车辆股份有限公司下线，它的问世填补了氢能源在有轨电车领域的空白，也使我国成为世界上第一个成功钻研出氢能源有轨电车的国家。

近年来，国内各地开始加快推进氢能轨道交通相关项目，多家燃料电池企业开始深入挖掘氢能轨道交通应用机会，相关产品实现了从研发到试运行。过去一年，在政策的大力支持下，氢能轨道车同样高速发展，突破不断。

此外，国内氢能轨道交通示范线路也在不断推进中。

2019年12月30日，中车四方股份公司研制的氢能源有轨电车在佛山高明上线载客开跑，标志着世界首条氢能源有轨电车正式投入商业运营。与之相关的佛山高明氢能源有轨电车商用线路总长17.4km，首期工程线路长约6.6km，站点数量20个，初期开通的范围为沧江路站—智湖站，设车站10座，其中换乘站1座，平均站间距约640m。该线路载客运营至今，运行里程超40.4万公里，耗氢超80t，减少碳排放超1200t。作为全球首个配套完善、载客运营的商业化氢能源轨道交通项目，该线路显著带动了佛山氢能产业链发展马助理“双碳国家战略”。

2022年7月12日，成都发布2022年第一批向民间资本推介重点领域项目清单，成都西部片区国家城乡融合发展试验区旅游轨道交通环线工程-天台山线低运量氢能轨道交通示范项目在列。项目位于邛崃市范围内，起于成蒲铁路邛崃站，经回澜塔、中国酒村、茶兰、平乐、临济、砖桥、夹关、天台山、天台山镇站，止于红军纪念馆站，设站11座，平均站间距约4.5公里，线路全部为新建，全长50公里。

陈维荣院长表示，随着中国3060碳达峰碳中和目标的制定，各级政府正在努力促进氢能产业发展，制定具体的氢能发展计划来推动该产业，作为公共汽车、重型货车和火车的高潜力能源，氢动力汽车作为一种多功能的轨道交通零排放技术，可以很好地帮助中国实现减排目标。到2030年，清洁燃料能够大规模替代柴油，未来几年有望带动上万亿元的产业链。

氢能轨道交通发展还需要解决什么？

在2023年世界氢能技术大会上，中车青岛四方机车车辆股份有限公司副总经理梁建英表示，当前，氢能源技术在公路交通领域发展趋于成熟，已经具备了在轨道交通领域推广的条件，但轨道交通的应用工况对混动系统总成、能量管理、储氢加氢及安全技术有其独特要求，同时需要完善相关标准体系，促进产业协同发展。

大功率系统总成技术方面，轨道交通氢能源应用集成度要求高，需解决大功率系统与有限空间的矛盾，同时寿命要求高，燃料电池等核心部件寿命需匹配轨道交通30年寿命周期。

复杂能量管理技术方面，不同列车平台的能量管理机制差异较大，需解决多对燃料电池系统、多套混动集群系统的复杂能量控制。

高效储氢、加氢技术方面，氢能源轨道交通载重大、运营时间长、停站时间短，运营期间无法快速补氢，因此需携带大量氢气，对车载储氢密度要求高；日耗氢量大、加氢时间短，对加氢速率方面也有快速加注需求。

特殊场景氢安全防控技术方面，氢能源轨道交通运行线路存在隧道、氢电混跑等工况，需要采取措施抑制氢气排放，加强氢气泄露安全防控等措施。

标准支撑方面，当前已有氢能源有轨电车系列标准，但仍然需求轨道交通用储氢系统设计及试验、燃料电池系统设计及试验等标准，需要联合氢能与燃料电池领域标委会开展氢能源轨道交通国标编制。

在轨道交通氢能应用发展的背后，是全球能源变革的缩影。氢能及燃料电池技术作为柴油的替代，以减缓温室效应、提高能源利用率、削减列车运行能耗为目的，逐步在铁路运输中崭露头角。未来，氢燃料电池用于轨道交通方面的项目将致力于克服成本、融资、氢的监管和跨部门协作等挑战，并进一步降低成本，延长运营里程，完善基础设施和法律问题。

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编辑：戴戴

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