氢能正成为这一领域技术“新秀”

目前，我国轨道交通正处于快速发展阶段，其能源消耗和碳减排压力与日俱增。《中国国家铁路集团有限公司2022年统计公报》显示，全国铁路营业里程为15.5万公里，机车拥有量为2.21万台，电气化率达73.8%。其中，内燃机车占比约为35.5%。内燃机车仍承担着调车作业、建设施工、非电气化铁路运输等任务。

在此背景下，氢能作为清洁能源，被视为轨道交通领域减排的可行选择。

“氢能轨道交通采用氢能源作为动力，从全产业链角度来看，更加低碳环保。”四川荣创新能动力系统有限公司董事长陈维荣在2023世界氢能青年科学家论坛上指出，“据测算，一列时速160公里的氢能源市域动车，一天跑500公里，一年大概可以减少1万多公斤二氧化碳的排放，减碳效果显著。因此，氢能轨道交通是我国交通领域实现‘双碳’目标的重要手段之一。”

氢能巨大的减碳潜力也获得了更多的政策支持。目前，成都、佛山、张家口、青岛等地在“十四五”规划中明确提出，要把有轨电车、城际交通纳入氢能应用范围中。与此同时，未来燃料电池应用规模也将持续增长。

“目前，国内铁路除郑州局、兰州局、成都局之外，基本上所有的路局都是电气化运营，大概有7万公里非电气化铁路采用内燃机车运营。”国家高速列车青岛技术创新中心副主任刘韶庆指出，“如果以5000辆列车的改造规模进行计算，采用燃料电池装机量可以达到1万兆瓦总量，市场预期规模有1000亿元需求。”

氢能轨道交通快速发展，离不开自身的性能优势。

陈维荣指出，氢能轨道交通的核心是以氢能为动力系统，由于避免了传统电气化铁路的接触网、变电所等复杂工程问题，氢能轨道交通的一次性建设成本和全寿命周期运营成本，比传统电气化铁路成本低10%—20%，有很好的竞争优势。

“目前，氢燃料电池已开始在乘用车、客车、物流车等当中推广应用，由于需要布局更多加氢站，短期内难以大规模商业化。相比而言，轨道交通系统的线路相对固定，让氢气的运输和储存更简单。”陈维荣表示。

基于上述应用优势，目前国内外都在积极推进氢能轨道交通的研究和应用。国内氢能轨道交通发展持续加快，以中国中车、国能集团、中国中铁为主的相关企业瞄准能源转型方向，加快推动燃料电池在氢能轨道交通领域的应用。2023年6月，“宁东号”氢动力机车在中国中车下线，这是目前氢燃料电池装机功率最大的氢动力机车，也是国内首台由内燃机车改造而来的氢动力机车；同年7月，国内首台氢能源地铁施工作业车在湖北襄阳正式下线，与传统燃油作业车相比，该车全生命周期可累计减少碳排放225吨。

国际范围内，法国阿尔斯通、德国西门子、日本丰田等公司都在研发氢能轨道机车；英国和德国等欧洲国家计划在2035年逐步将现有内燃机车替换为氢能机车；马来西亚已完成38列氢能智轨车的全球招标；印度发布了35列氢能列车的招标计划等，这些都为氢能轨道交通发展带来更多机遇。

在发展机遇不断涌现的同时，氢能轨道交通也面临不少挑战。

“当前，氢能轨道交通在技术上面临轻量化、小型化、智能化、大功率、长寿命、低成本等需求，同时，对制氢、加氢、储氢，尤其是固体储氢的工程配套设施也提出了更高要求。”陈维荣强调，“与汽车不同，大功率氢能动力系统是推动氢能轨道交通发展的核心与关键，需要采用复杂的多堆大功率燃料电池系统技术。因此，氢能轨道交通动力系统实现安全、稳定、高效、低成本是重大挑战。”

在刘韶庆看来，轨道交通由于运行里程、载重量、速度、功率需求和汽车不太相同，有着自己独特的运行工况，在氢燃料系统的应用方面，还面临动力总成设计、能量管理、加储氢以及安全技术等方面的挑战。

“在政策层面，需要积极进行氢能的制、储、运、加环节的政策扶持，以鼓励企业入局。另一方面，氢能轨道交通车辆过轨审批难的问题也亟待解决。”陈维荣说。

“围绕轨道装备产业的氢能发展，中小功率的氢动力应用技术已经成熟；而面向未来的大功率氢动力系统的技术工程化还有待提升，需要全行业上下游共同协同。”刘韶庆指出，“另外，涉及氢动力系统全生命周期的经济性，除了扩大市场规模外，上下游要共同努力，实现低成本的氢能产品制造全过程，满足应用需求。”