隨著世界各地的鐵路網(wǎng)絡(luò)逐步淘汰老式柴油火車，英國(guó)即將測(cè)試一種新型發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)可能有助于鐵路脫碳——氫動(dòng)力火車。

從站臺(tái)上看，它和其他英國(guó)通勤列車沒(méi)什么兩樣。但當(dāng)數(shù)百名乘客登上位于長(zhǎng)島馬斯頓的鋼質(zhì)車廂時(shí)，他們看到了一個(gè)不同尋常的景象。在其中一輛車?yán)?，乘客被鼓?lì)停在四個(gè)氫燃料罐、一個(gè)燃料電池和兩個(gè)鋰電池周圍。

列車的氫動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生的能量足以讓列車行駛50至75英里。這輛名為Hydroflex的火車是英國(guó)第一輛由氫驅(qū)動(dòng)的火車。2019年6月，它首次在昆頓軌道技術(shù)中心(QuintonRailTechnologyCentre)的軌道上向公眾展示。昆頓軌道技術(shù)中心是位于英格蘭埃文河畔斯特拉特福附近的長(zhǎng)島馬斯頓(LongMarston)的一個(gè)測(cè)試設(shè)施。

來(lái)自伯明翰大學(xué)和英國(guó)波爾特布魯克鐵路公司的工程師研發(fā)了這款新列車，他們希望乘客能坐在列車的氫燃料電池旁。他們認(rèn)為，乘客越早熟悉這項(xiàng)技術(shù)，就越早感到安全。

考慮到充滿氫氣的飛艇的不幸歷史，比如命運(yùn)多災(zāi)多吉的英國(guó)R101和德國(guó)興登堡號(hào)，一些關(guān)于氫作為燃料來(lái)源的擔(dān)憂也許是可以理解的。但是，氫動(dòng)力火車已經(jīng)成為一種可行的——而且更安全的——交通工具。我們離那些只把水作為廢物排放的火車還有多遠(yuǎn)?

氫驅(qū)動(dòng)火車的方式非常簡(jiǎn)單。燃料電池由陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)膜組成。儲(chǔ)存的氫通過(guò)陽(yáng)極，在那里它被分解成電子和質(zhì)子。然后電子被強(qiáng)制通過(guò)一個(gè)產(chǎn)生電荷的電路，這些電荷可以儲(chǔ)存在鋰電池中，也可以直接發(fā)送到列車的電動(dòng)馬達(dá)。氫分子的剩余部分在陰極與氧反應(yīng)，成為廢物——水。

Hydroflex的氫氣罐、燃料電池和電池目前被安置在一節(jié)載客車箱里，最終的計(jì)劃是將它們儲(chǔ)存在列車下面，以容納更多的乘客。氫當(dāng)然是非常易燃的，但在Hydroflex上，它被儲(chǔ)存在四個(gè)安全的高壓罐中，這是確保乘客安全的一系列措施之一。

在氣候危機(jī)期間，運(yùn)輸行業(yè)對(duì)脫碳的需求不斷增長(zhǎng)，而Hydroflex只是其中的一個(gè)產(chǎn)品。2016年，德國(guó)推出了世界上第一輛氫動(dòng)力火車CoradiaiLint，它只用一箱燃料就可以行駛600英里，與傳統(tǒng)火車用一箱柴油行駛的距離相當(dāng)。美國(guó)的工程師們也在致力于將一種“九頭蛇”（黑科技）帶到美國(guó)。然而，由于鐵路已經(jīng)是交通運(yùn)輸中溫室氣體排放量最低的行業(yè)之一，大規(guī)模鐵路系統(tǒng)改革的價(jià)值是否值得還有待觀察。

英國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(InstitutionofMechanicalEngineers)的數(shù)據(jù)顯示，英國(guó)已經(jīng)有42%的線路里程實(shí)現(xiàn)了電氣化，這意味著如果使用可再生能源，這些列車將準(zhǔn)備好實(shí)現(xiàn)零碳排放。目前，從漢普郡到倫敦的一條線路是世界上唯一一條完全使用太陽(yáng)能的線路。然而，英國(guó)其余58%的鐵路尚未實(shí)現(xiàn)電氣化，因此仍需要柴油火車來(lái)保持這些地區(qū)之間的鐵路連接。

開發(fā)Hydroflex的工程師表示，氫動(dòng)力火車可能是解決英國(guó)鐵路系統(tǒng)脫碳問(wèn)題的答案，同時(shí)又不會(huì)導(dǎo)致軌道電氣化的高成本。根據(jù)對(duì)英國(guó)和歐洲大陸的20條線路的評(píng)估，電氣化一公里的鐵軌需要花費(fèi)75萬(wàn)到100萬(wàn)英鎊(96.5萬(wàn)到130萬(wàn)美元)。氫動(dòng)力火車更便宜，因?yàn)樗鼈儾恍枰笠?guī)模的軌道大修，而且可以通過(guò)改造現(xiàn)有的柴油火車來(lái)實(shí)現(xiàn)。這在農(nóng)村地區(qū)尤其有益，因?yàn)槟抢镉懈嗟睦锍桃?，但卻少有乘客能證明花費(fèi)是合理的。

但是氫驅(qū)動(dòng)火車也有自己的挑戰(zhàn)。

伯明翰大學(xué)教授、Hydroflex項(xiàng)目負(fù)責(zé)人斯圖爾特希爾曼森(StuartHillmansen)表示:“我們儲(chǔ)存了大約20公斤氫氣，這些氫氣足以讓燃料電池運(yùn)轉(zhuǎn)3個(gè)小時(shí)”。因此，長(zhǎng)途旅行還不可行。伯明翰大學(xué)鐵路研究與教育中心(CentreforRailwayResearchandEducation)的工程師們正在研究如何擴(kuò)大這些限制。該中心是波特布魯克在Hydroflex項(xiàng)目上的合作伙伴。

根據(jù)我們目前的儲(chǔ)氫技術(shù)，氫所占的空間比同等的化石燃料要大得多——拉斐爾艾薩克

雖然氫燃料電池可以像柴油燃料一樣節(jié)能，但儲(chǔ)存氣體可能是個(gè)問(wèn)題。密歇根州立大學(xué)鐵路研究與教育中心(CenterforRailwayResearchandEducation)研究鐵路燃料替代品的研究員拉斐爾艾薩克(RaphaelIsaac)表示:“盡管每質(zhì)量的氫具有很高的能量，但因?yàn)樗浅］p，所以也占據(jù)了很大的體積”。他說(shuō):“以我們目前的儲(chǔ)氫技術(shù)，氫所占的空間比同等的化石燃料要大得多，即使氫通常被壓縮，它的單位體積效率仍然不如化石燃料”。

這也是火車上的空間問(wèn)題。例如，Hydroflex的油箱必須足夠小，以適合一輛普通的列車通過(guò)維多利亞時(shí)代的鐵路隧道。這些空間限制是波特布魯克選擇用氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)改造老舊列車模型的原因之一，而不是像德國(guó)的阿爾斯通那樣建造全新的車輛——現(xiàn)有的列車已經(jīng)為它們必須經(jīng)過(guò)的隧道進(jìn)行了測(cè)量。

氫可以用其他方法和可再生能源來(lái)生產(chǎn)，如太陽(yáng)能光伏發(fā)電和水電解——MargaretS.Wooldridge

盡管氫燃料的唯一直接廢棄物是水，但獲得這種形式的能源并不一定是絕對(duì)干凈的。“挑戰(zhàn)在于，目前氫是化學(xué)過(guò)程的副產(chǎn)品”，波特布魯克創(chuàng)新和項(xiàng)目總監(jiān)海倫辛普森(HelenSimpson)表示。目前最便宜、最常用的方法是利用天然氣和高溫蒸汽生產(chǎn)氫氣。Hydroflex使用的氫是由天然氣生產(chǎn)的氫混合而成的，但它的供應(yīng)商中銀(BOC)表示，它正在研究可再生能源的選項(xiàng)。

為了讓氫能源真正可持續(xù)發(fā)展，其他不依賴化石燃料的生產(chǎn)方法需要成為主流。密歇根大學(xué)的航天工程師MargaretS.Wooldridge說(shuō):“氫可以通過(guò)其他方法和可再生能源來(lái)生產(chǎn)，比如太陽(yáng)能光伏發(fā)電和水的電解”。電解利用電流將氧從水中分離出來(lái)，從而產(chǎn)生氫。這種電流可以用可再生能源產(chǎn)生，但還需要在小規(guī)模的試驗(yàn)示范之外進(jìn)行。為了成為一種真正的綠色出行方式，氫的制造和儲(chǔ)存需要使用可再生能源，比如離岸風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)和太陽(yáng)能電網(wǎng)，而不是化石燃料。

氫動(dòng)力火車的另一個(gè)揮之不去的環(huán)境問(wèn)題是鋰電池的使用。目前，鋰的加工對(duì)周圍環(huán)境造成了很大的影響。例如，開采一噸鋰需要50萬(wàn)加侖的水，而開采鋰與環(huán)境惡化的幾個(gè)指標(biāo)有關(guān)。研究人員希望在未來(lái)可以用太陽(yáng)能從海水中提取鋰，但這一想法仍處于試驗(yàn)階段。

另一方面，像Hydroflex這樣的列車的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其作為雙模列車的潛力，這意味著它們既可以在電氣化線路上運(yùn)行，也可以在常規(guī)線路上運(yùn)行。因此，盡管建造新的氫動(dòng)力列車(其中一輛Alstrom氫動(dòng)力列車的成本約為519萬(wàn)英鎊)或翻新舊列車肯定是有成本的，但它們是一種靈活的選擇，而大多數(shù)線路——尤其是農(nóng)村線路——還沒(méi)有被改造成可搭載電力列車線路。

辛普森說(shuō):“在這個(gè)領(lǐng)域，氫燃料是一種真正具有成本效益和價(jià)值的替代能源，并提供了一條低碳鐵路”。“我們有這么多乘客需求不高的長(zhǎng)途線路，但電氣化線路的成本效益卻不存在”。

這對(duì)乘客也有好處，與柴油火車相比，氫動(dòng)力火車，就像電動(dòng)火車一樣，也是出奇地安靜。與電動(dòng)火車不同的是，它們對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的破壞狀態(tài)更有彈性。艾薩克說(shuō):“共享的電力基礎(chǔ)設(shè)施意味著，如果基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，一條線路上的許多列車的運(yùn)營(yíng)都會(huì)受到影響”。例如，如果輸電線斷了，氫動(dòng)力火車可以轉(zhuǎn)換到燃料電池。

發(fā)展向鐵路提供氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施存在著巨大的挑戰(zhàn)——斯圖爾特·希爾曼森

在客運(yùn)列車不那么受歡迎的國(guó)家，比如美國(guó)，將貨運(yùn)列車轉(zhuǎn)化為氫動(dòng)力的能力，將是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的關(guān)鍵。最近一份由美國(guó)能源部和聯(lián)邦鐵路局贊助的報(bào)告指出，雖然用氫氣驅(qū)動(dòng)貨運(yùn)列車在技術(shù)上更具挑戰(zhàn)性，但它最終將具有“最高的社會(huì)價(jià)值”。然而，貨運(yùn)比客運(yùn)更重，所以它需要更多的氫，或者更有效地壓縮氫，來(lái)承載相同的負(fù)荷，達(dá)到目前柴油貨運(yùn)列車所能達(dá)到的相同距離。

伯明翰大學(xué)的工程師們目前正在研究更有效的壓縮氫氣的方法，這是氫動(dòng)力公司仍需克服的幾個(gè)障礙之一。希爾曼森說(shuō):“在發(fā)展向鐵路提供氫氣的基礎(chǔ)設(shè)施方面，存在著巨大的挑戰(zhàn)”。“這種技術(shù)是存在的，但這些行動(dòng)的規(guī)模需要擴(kuò)大”。

但工程師們強(qiáng)調(diào)，Hydroflex不僅僅是氫動(dòng)力技術(shù)的示范，它將成為一種可行的商用列車。為了證明商業(yè)用途是安全的，這列火車需要通過(guò)一長(zhǎng)串的審批，但參與該項(xiàng)目的人估計(jì)，Hydroflex最快將在兩年后全面投入運(yùn)行。

考慮到英國(guó)到2040年完全淘汰柴油火車的雄心，Hydroflex或許會(huì)成為英國(guó)最受期待的車型之一。