牵引力替代方案推动欧洲铁路“脱碳”

来源：现代城市轨道交通 

阿尔斯通公司负责地区轨道车辆的副总裁Brahim Soua称：公司选择从2014年起就将注意力放在发展“净零”（net zero-compliant）牵引力技术的决定已在欧洲稳步取得成果。

当全球的铁路行业都在寻求从疫情影响中恢复的方法时，最为显著的工业发展趋势即是将柴油牵引替换为更加合适的牵引力方案；然而，阿尔斯通公司负责地区轨道车辆的副总裁Brahim Soua即时强调“这不是一个简单的任务”。仅仅在欧洲，45%的主要铁路运输网络没有实现电气化；据他估计，彻底消除那些只依靠柴油牵引的列车将迫使不少于5000列地区车组退役或接受修缮。

很明显，在电气化推广程度差距明显的情况下，这些统计数据即使是在几个主要的市场之间也反映出不均衡的发展情形。不过，一个不容争辩的共识是在很多铁路线路上，架线无论是从现实还是经济角度考虑都不太可行。这一情况尤其适用于那些服役于乡村地区的次级线路；其中，在实现铁路货运到达运输终点站前的“最后一英里”行程方面，行业也面临着更进一步的技术挑战。

转而，他提出，当我们接受全面电气化不是一个可行方案的前提下，这些现实条件将引出为铁路列车脱碳寻找最佳方案的日渐激烈的辩论。过去几年里，这一领域出现了3大主要方案：“双模式”车组结合了电力牵引与一个柴油电源组，以减少车辆在“终点站前”行驶于柴油模式时对环境的影响——这一应用在例如英国、法国等国家受到了支持。但是，现在更多的关注度被投向了彻底弃用柴油电源组，无论是使用氢燃料电池还是还是电池组进行替换。

阿尔斯通的相关产品

注意到他特别提到“传统双模式”电动-柴油车组已经被法国国家铁路公司（SNCF）广泛采用，Soua强调说阿尔斯通现在的公司轨道车辆产品系列可提供全部的3种牵引力替代方案。追求“技术多样性”将始终作为公司发展策略的核心要求，即使是在公司更多地将重心放在发展所谓“净零迁移”（net zero mobility）技术的时候。为此，他引用了一种可以通过高架电线或车载燃料电池进行运作的氢能源双模式多动力单元列车的发展。

（SNCF于2021年4月订购了12辆燃料电池-电动列车并在法国4个地区投入运营）

“我们的这些技术成果都有相关合同落地，”Soua确认地说，他还指出阿尔斯通早在2014年就开始对净零客运列车进行期权评估。他表明，目前为止还没有任何一种单一技术胜出，这种结果也在料想之中。所有经营者与产品测试经理都需要“搭建他们的关系网络，并与供货商与其他合作伙伴开展协作，来为最优的技术选择构建商业案例”。但是，他也提醒到最终决定的做出必须基于所有权总成本而不是单独的前期费用。

这一说法对氢能源的应用来说尤为适用；现今的氢燃料电池列车反对者迅速指出了部分燃料电池应用列车相比被替代前的柴油列车，在可持续性方面的提升是微不足道的，鉴于氢气生产过程中的碳排放强度较高。Soua热衷于推动氢气在铁路行业的应用，“氢气需要供应链方面的投资，当相关投资就位后，这一花费将间接被交通运输系统或经济活动其他参与者分摊，”他这么提出。

阿尔斯通确信，铁路装备应该将自己的发展目标定于仅仅使用“绿色氢气”，他坚称，这种氢气在电解水生产过程中必须100%使用可再生能源。但是，现在的很多铁路项目还是依赖于所谓“灰色氢气”；其是相对碳排放强度高的工业生产流程所产生的废弃副产品。

“氢气的碳足迹取决于它的生产过程，我们都清楚这一点，”他说，值得注意的是，相似的等式也适用于所有为电气化铁路提供牵引力的能源制备方式。“当看向氢气产品生命周期的整体影响，我们必须记住在大多数情况下，即使使用灰色氢气，相比纯柴油牵引也一般能减少40%到50%的二氧化碳废气排放。至少这是具有进步效果的第一步。”

基于性能需求的选择

当考虑是选择氢燃料电池还是电池电动技术替代柴油时，Soua相信“保有自主权是关键”，尽管不同情况下影响决策的因素是不同的。

在阿尔斯通看来，他说，列车需具备的性能将会是一个重要的参数。电池动车组的续航距离目前还限制于 100 - 150 km 之间。“这在理论上可以改变未来，”Soua坚信，“此时此刻，我们找到了推动电池技术发展的重要时机。”

（FNM订购了6辆来自Coradia Stream EMU 系列的氢能源车组）

当续航距离被作为主要因素考虑时，若要求列车具有大约 200 km 以上的相应数值参数，氢气将是更佳选项。通过引用北方货运（Ferrovie Nord Milano，简称FNM）计划取得6辆由燃料电池牵引的Coradia Stream 车组的近期决定，他确认“选择氢气作为解决方案的决定是综合考虑续航距离和具有挑战性的线路纵断面两个因素而做出的”。纠其深远影响，Coradia Stream EMU 系列车辆已经在意大利获得批准并上路行驶；因此，FNM已经获知该车型的相关数值。

但是，他也承认只要引入资本经费，不同牵引模式在续航距离上的差异也可以得到弥补。举个例子，如果进行采购的主体愿意支付资金以在间隔车站安装快速充电桩，那么部署电池牵引车辆的某些局限性就可以被克服。

改进方案

降低价格因素对取缔柴油牵引影响的方案之一是将更老的车型改装成电池或氢气驱动的火车，正如在一些国家所提出的那样；其中，最值得注意的是英国。

Soua相信这会是一个有效的方法，但前提是所有权总成本在所需资本花销的全局分析里被作为其中一部分而提出；相应花销也包括用于加油与充电的基础设施建设。在应用氢气的情况下，他指出，新出现的由国家或欧盟资助的机械装置也可以帮助解决创始费用问题。

Soua建议在决定是采购新车还是改造旧车时，必须权衡其长期的整体花销。这一评估需基于列车生命周期的全部花费，包括使用氢气或电池的能源价格与维护费用。

他报告“阿尔斯通正在与所有供货商展开合作以降低燃料电池与电池组的价格”，他还补充道“正如铁路行业所有的创新应用一样，只有技术创新上升到一定高度、达到一定规模，资本花销才会显著减少。”

然而，改装具有标准组件的燃料电池或电池组牵引列车仍在阿尔斯通的工作日程上。可以肯定的是，Soua指出在德国开展的Coradia iLint项目本身就是一个范例；其中核心的Lint设计可以追溯到上世纪90年代后期的DMU列车。

（燃料供货商Linde公司搭建车站间的氢气补给点）

“我们确实在推动将整列DMU翻新为替代牵引力车型的改进方案，”他说，尽管需要注意的是这一方案的成功应用取决于所涉及DMU列车的剩余价值，“在任何情况下，你都需要为这些调整投入资金。如果商业案例表明翻新后的列车使用寿命可达到20或25年，就可以开始翻新；但是对于那些已经服役了30或35年的列车，是否进行翻新就需要考虑一下了。”

当电池构想撞上现实

与阿尔斯通过去十年对氢能源技术的投入形成对比的是，Soua在谈论铁路主要线路的电池技术应用前景时略微降低了语调。然而，阿尔斯通在这一领域仍有很多值得注意的在建项目，包括在2020年2月签署的向Mittelsachsen交通运输行政管理机构ZVMS提供11辆“三车”Coradia Continental 电池EMU列车的合同。

尽管有些专家指出在未来十年后期可能成为主流的固态电池技术具有极大的潜力，但是铁路车辆的充电与功率密度问题仍然极具挑战性，他说。

“在车站停留1或2分钟就能实现极速充电的情形在现实条件下还是太过理想化了，”Soua继续指出，所面对的问题之一是将电池组充电量维持在最适宜运行的30%至70%区间，这意味着让电池达到满负荷状态的极速充电是不可取的。然而，适度的充电则影响电池操作使用过程中的续航距离与额定功率。“即使将电池电量充至最大值的50%，在现有技术条件下也需要30分钟。”

Soua将固态电池的发展潜力描述为“很有前途”并确认阿尔斯通将紧密研究这一创新技术，但是“它在商业上可以应用的具体时间很难预知，这可能出现在未来10年内，亦可能出现在十分遥远的未来。”

尽管电池与超级电容器技术已在轻轨市场占有一席之地，Soua解释这一问题被有轨电车低得多的能源消耗与较短的站间距离而简单化了。他预计，将应用于轻轨的牵引技术迁移至主要铁路线路不会很容易。

即便如此，他对铁路牵引市场可以从电池技术在其他工业领域，特别是汽车工业，的发展所获得的潜在益处持更加积极的态度。这些行业的巨大体量将推动技术创新与R&D花销；我对铁路行业在未来几年借力于这一进步趋势而实现发展的可能性充满希望。

相辅相成的兼并

鉴于阿尔斯通收购Bombardier交通运输公司后所占有的市场地位，Soua表明这一联合极具“互补”效果，不论是从车辆设计与技术，还是从地理位置上来看。

此次兼并在监管上的承诺之一就是阿尔斯通需要转让在Hennigsdorf的前Bombardier公司工厂所设计制造的Talent3 地区动车组平台；据Soua报告，为了这一目的的讨论目前还在进行中。

然而，Soua表明阿尔斯通仍凭借其对净零技术的早期投入而处于推进欧洲铁路“脱碳”的领军地位。“我们在氢能源技术上绝对处于领先地位，因为只有我们拥有已经完成200 000km作业服务里程的氢能源列车，”他说，2023年在Mittelsachsen应用的ZVMS电池牵引列车也将补充相应的空白。现在，公司已签订4个向3个不同国家提供氢能源列车的合同，这反映了阿尔斯通领先于其他竞争者的认知——“科技是脱碳行动中很重要的一块砖”。

展望未来，阿尔斯通已经在寻求“我们如何进行改进”的问题答案。公司正在聚焦于降低绿色牵引力的成本，并加强电池与燃料电池驱动列车的续航能力与自主性。“如果未来某一天，有人研发出了将电池EMU列车续航距离从150km翻倍至300km的技术，那很明显我们的客户会重新考虑更新他们的牵引力方式选择，”他承认。

因此，Soua发现了例如Shift2Rail及其衍生项目的铁路科研项目对牵引力子系统的“组件层次”进行分析的重要角色。这可以帮助车辆制造商在使用零排放牵引驱动时提升装机功率，并帮助铁路与金融机构更好地管理车辆维护的整个生命周期的花费。他提出“你可以想象在运营电池EMU列车时，将电池组的替换次数由3次降至2次将节省多少开销”。

“但即使在今天，当我们分析所有权总成本时，我们就已经知道几年之后氢能源列车将比柴油列车的便宜，因为它的维护费用在15年或以上的生命周期里相较花销更少，”他总结道。

参考文献：

[1]Nick Kingsley, Brahim Soua. Alterative traction can deliver decarbonisation in Europe[J]. Railway Gazette International. 2021（8）：46-48.

来源：《国际铁路公报》杂志2021年第8期