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隨著“雙碳”目標(biāo)的實(shí)施，各行各業(yè)都面臨著低碳轉(zhuǎn)型、節(jié)能減排的挑戰(zhàn)。我國(guó)目前仍處于軌道交通快速發(fā)展階段，并繼續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，其能源消耗和碳減排壓力仍將與日俱增。氫能作為可再生的清潔能源，已成為軌道交通場(chǎng)景中降低碳排放的有效解決途徑之一。
氫能軌道交通的優(yōu)勢(shì)：
環(huán)境友好、綠色環(huán)保：使用氫能源作為動(dòng)力來(lái)源，使用過(guò)程中噪音小，相比傳統(tǒng)軌道交通更加低碳環(huán)保，能有效減少溫室氣體排放。
高效節(jié)能、經(jīng)濟(jì)性高：減少了對(duì)化石能源的依賴(lài)，使用可再生能源，能源利用率相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)更高，且不需要建設(shè)傳統(tǒng)電氣化鐵路所需的接觸網(wǎng)等設(shè)施，降低了建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本。
“氫能軌道交通采用氫能源作為動(dòng)力，從全產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)看，更加低碳環(huán)保。”西南交通大學(xué)氫能及儲(chǔ)能技術(shù)研究院院長(zhǎng)陳維榮指出，“據(jù)測(cè)算，一列時(shí)速160公里的氫能源市域動(dòng)車(chē)，一天跑500公里，一年大概可以減少1萬(wàn)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(guó)交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)‘雙碳’目標(biāo)的重要手段之一。”
氫能軌道交通憑借其續(xù)航長(zhǎng)、供電設(shè)備投入少、可以降低對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴(lài)等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。
據(jù)氫啟未來(lái)網(wǎng)不完全統(tǒng)計(jì)2023年國(guó)內(nèi)企業(yè)在氫能軌道交通領(lǐng)域有以下進(jìn)展
2023年3月2日，保定市河北京車(chē)智能制造基地下線(xiàn)國(guó)內(nèi)首列氫燃料混合動(dòng)力鉸接輕軌車(chē)。該列車(chē)具備全自動(dòng)駕駛功能，最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速80公里，采用無(wú)網(wǎng)供電技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)和城市軌道交通和市郊鐵路的跨網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，可應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、城郊通勤、景區(qū)旅游等場(chǎng)景。
2023年5月，中國(guó)中車(chē)集團(tuán)發(fā)布?xì)淠茉词杏蛄熊?chē)，最高時(shí)速160km/h，可實(shí)現(xiàn)600公里超長(zhǎng)續(xù)航。
2023年6月，中國(guó)中車(chē)集團(tuán)首臺(tái)“寧東號(hào)”氫動(dòng)力機(jī)車(chē)在山西大同下線(xiàn)?！皩帠|號(hào)”搭載著軌道交通領(lǐng)域最大功率燃料電池系統(tǒng)，裝車(chē)功率高達(dá)800kW，通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)模塊化配置可滿(mǎn)足2000kW以下不同輪周功率需求，同時(shí)具有最大容量270kg的儲(chǔ)供氫系統(tǒng)，最長(zhǎng)可單機(jī)連續(xù)運(yùn)行約190小時(shí)。
2023年7月14日，由中車(chē)株洲所自主研制的全球首輛氫能源智軌電車(chē)在湖南株洲成功裝運(yùn)發(fā)車(chē)，運(yùn)往馬來(lái)西亞，并將在古晉市開(kāi)展為期3個(gè)月的試跑。該氫能列車(chē)采用了70MPa儲(chǔ)氫系統(tǒng)和大功率燃料電池系統(tǒng)，續(xù)駛里程達(dá)245公里。
2023年7月18日，中鐵武漢電氣化局生產(chǎn)制造的氫能源地鐵施工作業(yè)車(chē)在襄陽(yáng)正式下線(xiàn)。該車(chē)采用氫燃料電池與鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，由四川榮創(chuàng)新能動(dòng)力系統(tǒng)有限公司負(fù)責(zé)提供，設(shè)計(jì)時(shí)速80公里，一次加氫30分鐘，可連續(xù)運(yùn)行32小時(shí)，可廣泛應(yīng)用于地鐵、隧道、礦山等作業(yè)領(lǐng)域。
當(dāng)前企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在系統(tǒng)能量管理、故障診斷與壽命預(yù)測(cè)等方面均已開(kāi)展了較為深入的研究，可以在多場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用，替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)軌道車(chē)輛進(jìn)行作業(yè)。
氫能軌道交通的發(fā)展還面臨以下挑戰(zhàn)
技術(shù)：氫燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的可靠高效運(yùn)行是氫能在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。軌道交通的運(yùn)行里程、載重量、運(yùn)行速度和功率等需求與燃料電池汽車(chē)不同，當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展主要基于已知工況和對(duì)既有車(chē)型的升級(jí)替換，存在車(chē)輛性能和實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景需求不匹配的情況。
為更好應(yīng)用于實(shí)際，需結(jié)合實(shí)時(shí)路況信息，應(yīng)對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和運(yùn)行需求。
除此之外，燃料電池的壽命遠(yuǎn)低于軌道交通車(chē)輛的設(shè)計(jì)壽命，同時(shí)由于軌道交通車(chē)輛的運(yùn)行功率大，單套氫燃料電池系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足使用需求，需要配備多堆燃料電池作為動(dòng)力源，系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制難度隨之升高。
安全：安全控制也是制約氫能軌道車(chē)輛商業(yè)化的難點(diǎn)，主要包括加氫安全、儲(chǔ)氫安全、氫泄漏處理和整車(chē)緊急狀態(tài)安全，隨著仿真技術(shù)的進(jìn)步、測(cè)試數(shù)據(jù)的積累和傳感器技術(shù)的提升，安全控制技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展。
成本：氫能軌道交通車(chē)輛可以擺脫接觸網(wǎng)系統(tǒng)，節(jié)約軌道建設(shè)成本，但燃料電池系統(tǒng)壽命較短，在車(chē)輛服役期間需要多次更換燃料電池系統(tǒng)，整體運(yùn)行成本仍高于傳統(tǒng)軌道交通車(chē)輛。目前降低成本方面的研究主要集中在燃料電池壽命的提升。
此外，氫氣成本的降低也會(huì)減少氫能軌道交通的運(yùn)營(yíng)成本。
基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：目前的加氫站建設(shè)主要針對(duì)燃料電池汽車(chē)，針對(duì)氫能軌道交通加氫站的建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)制定較少，而氫能軌道交通的加氫需求相比燃料電池汽車(chē)更大，對(duì)加氫站的安全性和加注規(guī)模要求更高。
發(fā)展趨勢(shì)
1. 高速化與重載化
受限于氫燃料電池的輸出功率，其行駛速度相對(duì)較低。為了更好地滿(mǎn)足乘客需求，高速化是氫燃料電池軌道客運(yùn)車(chē)輛的主要發(fā)展方向之一。
目前，我國(guó)時(shí)速120~160 km的氫燃料電池城際動(dòng)車(chē)組正處于實(shí)施階段，時(shí)速160~200 km的氫燃料電池動(dòng)車(chē)組正處于可行性研究階段。
同時(shí)，我國(guó)目前也正在對(duì)氫燃料電池站場(chǎng)調(diào)車(chē)和重載機(jī)車(chē)進(jìn)行深入研究，提升氫燃料電池機(jī)車(chē)整體性能，支撐軌道交通的綠色轉(zhuǎn)型。
2. 整車(chē)正向設(shè)計(jì)
后續(xù)氫燃料電池軌道車(chē)輛需開(kāi)展正向設(shè)計(jì)，以性能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)測(cè)試不斷迭代為過(guò)程，以設(shè)計(jì)技術(shù)、設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)軟件、數(shù)字孿生設(shè)計(jì)集成為核心，除了響應(yīng)運(yùn)行速度、節(jié)能環(huán)保等市場(chǎng)需求外，更要面向先進(jìn)技術(shù)參數(shù)，即高效率、高可靠性、智能化運(yùn)維等進(jìn)行整體規(guī)劃，與現(xiàn)有的軌道車(chē)輛研發(fā)與生產(chǎn)融合，打造氫燃料電池軌道車(chē)輛設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維開(kāi)發(fā)一體化能力。
在氫能軌道交通積極發(fā)展的同時(shí)，也有專(zhuān)家指出，政策層面的扶持不足將會(huì)影響企業(yè)入局的積極性，另外，新制式的氫能軌道交通車(chē)輛過(guò)軌審批難的問(wèn)題也亟待解決。
資料來(lái)源：《氫能軌道交通的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)》陳維榮，王穎民等
