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在交通工具中使用氫不是氣候變化時代的概念;通用汽車公司在1966年開發了一輛氫動力貨車的原型車(最終由于成本問題被廢棄了)。然而，盡管這些發展并非完全史無前例，但近年來氫技術的進步和進步速度，使氫火車成為鐵路運輸脫碳技術的前沿。
重述氫燃料
氫是一種很有吸引力的燃料前景，因為在消費時，副產品只能是水，這意味著不會產生溫室氣體，并為周圍的居民帶來更好的空氣質量。這并不一定使氫成為一種清潔能源——氫的清潔程度取決于生產氫的過程。總的來說，正如CMS氫項目專家指南中進一步解釋的那樣，要實現低碳氫應該是:
“藍色”氫(即碳捕獲和存儲系統捕獲作為蒸汽甲烷重整過程的一部分而排放的二氧化碳，以防止其釋放到大氣中);或
“綠色”氫(即由可再生能源產生的電力通過電解產生的氫)。
氫在很大程度上是一種發展中的產品，這意味著低碳氫目前沒有經濟競爭力——例如，目前世界上只有大約4%的氫是“綠色”的。如果氫要成為一種可行的清潔能源，生產這種氫的經濟性需要改進。
氫的另一個關鍵問題是,它不是能量密度比目前使用的柴油燃料,因此它需要被存儲在液態低于-252.8°C(這不是目前可行的大規模)或儲存在壓力約5000 - 10000 psi(為背景,地球的平均大氣壓力約為14.7 psi)。因此，氫燃料需要特定的存儲和運輸基礎設施，在這種壓力下存儲意味著需要小心處理燃料箱。
氫通常用于燃料電池系統。在燃料電池中，電是通過電化學反應產生的，在這個過程的最后，氫與氧結合產生水。氫也可以用于燃燒反應——比如汽車的改良內燃機——但它的燃燒會產生氮氧化物污染物，因此從環境角度來看，它不太有吸引力。
但是使用氫燃料作為首選的火車燃料也有其他的優點和缺點，主要的考慮見下表。
鐵路網的脫碳——選擇
許多國家，比如英國，都有雄心勃勃的“凈零”戰略，旨在鼓勵人們使用火車而不是公路運輸。客運和貨運服務都是如此。簡單地鼓勵通過鐵路網運輸人員或貨物本身就能減少溫室氣體，因為鐵路更有效地利用化石燃料。然而，考慮到許多列車是由柴油驅動的，而不是電氣化的，為了實現脫碳的目標，使用氫動力列車等選項是擺在桌面上的選項之一。
為什么用氫氣而不是電氣化所有的電線?電氣化是有代價的。例如，英國鐵路網目前估計，每單軌公里(STK)的軌道電氣化費用為100萬至250萬英鎊，盡管蘇格蘭政府目前正在為每STK提供75萬至150萬英鎊的項目(業內人士認為，這是一個滾動電氣化項目的結果，允許開發和維護經驗)。對于服務于農村社區的火車服務來說——通常線路很長，乘客很少——電氣化的成本可能是巨大的。
電氣化的兩種主要替代方案是電池動力和氫動力列車。目前，電池、氫氣和電氣化之間存在一種權衡:因為它們可以在非電氣化軌道上運行，前者資本成本低但運行成本高，而后者資本成本高但運行成本低。電池列車目前的時速可達75 - 100英里，氫動力列車的時速可達90 - 100英里。與氫相比，電池動力的優勢在于所需安裝的配套設施更少。然而，隨著電池技術的不斷改進，氫動力列車通常可以在不加油的情況下行駛更長的距離，這意味著，對于許多鐵路服務來說，氫動力可能會比電池動力更受青睞。
考慮到每一種技術各自的優缺點，業內人士認為，需要使用一種混合技術來實現鐵路網絡的脫碳——氫、電力和電池動力可以相互補充，而不是相互競爭。例如，英國目前有15400 STKs的鐵路未電氣化，這意味著，要達到凈零，就必須在進一步電氣化、氫或鋰離子電池供電之間做出選擇。鐵路網目前提議進一步電氣化13040個stk，氫燃料服務1300個stk，電池燃料服務800個stk，還有260個stk尚未提出選擇。至少在重新設想英國的交通時，似乎所有的選擇都是開放的。
氫動力火車——我們現在發展到哪個階段了?
雖然氫燃料技術仍在發展中，但世界各地的鐵路網絡中已經有了計劃或正在運行的氫燃料列車。2018年9月至2020年5月，法國運輸制造公司阿爾斯通(Alstom)在德國威瑟-易北(Weser-Elbe)網絡上對其Coradia iLint氫動力列車進行了530天的試驗。從2022年開始，預計14列Coradia iLint列車將開始取代下薩克森州現有的柴油列車。目前，該列車已在法國、意大利訂購，并在奧地利、荷蘭和德國進行了進一步的測試。阿爾斯通(Alstom)和英國鐵路公司Eversholt Rail也領導了一個英國試點項目，考慮將現有的321級列車(他們稱之為“微風”列車)轉化為氫氣的可行性。
類似地，HydroFLEX是由伯明翰鐵路研究和教育中心(伯明翰大學的一部分)和鐵路車輛公司Porterbrook運營的英國氫列車計劃。該公司的目標之一是用必要的氫燃料設備改造現有列車。2020年9月，HydroFLEX列車進行了首次成功的測試，在昆頓鐵路技術中心和伊夫沙姆之間往返。HydroFLEX目前正致力于將其技術固定在車廂底部，以增加乘客的空間。
蘇格蘭企業和運輸支持零排放列車項目，在蘇格蘭鐵路網絡中開發氫燃料列車的使用。它的目標是在一個封閉的鐵路網上運行氫氣列車，以在今年11月的COP26上展示。
最后，瑞士鐵路制造商Stadler從加州圣貝納迪諾縣運輸局獲得了一份合同，將在美國交付首列氫動力列車。
火車用氫——未來
所以，我們目前有了一種燃料，它有可能在脫碳鐵路網絡中輔助電氣化的使用，但綠色氫目前是不經濟的，這意味著氫生產需要一些溫室氣體排放。盡管如此，還是有理由對氫的未來感到樂觀。
首先，該技術還處于起步階段，隨著技術的成熟和規模經濟的增長，效率和成本往往會有很大的提高。例如，2010年至2020年間，電池價格按實際價格計算下降了89%。
國際能源署(International Energy Agency)表示，“氫目前在政治和商業上享有前所未有的勢頭”，“今天的新情況是，正在討論的氫使用可能性的廣度，以及世界各地對這些可能性的政治熱情的深度。”在幾乎所有地區，氫正日益成為主流能源討論的主要內容”。在這種情況下，類似于電池的發展，我們看到規模經濟開始在氫領域發展。國際能源署指出，10年前，大多數電解器項目都小于0.2兆瓦，但我們現在經常看到更大的項目，如ITEM Power在英國謝菲爾德的工廠，預計每年生產1 GW的氫氣。同樣，國際能源署估計，如果各國政府實現其在2030年部署燃料電池汽車的目標，燃料電池的成本可以降低75%。
如果我們看到氫的廣泛應用，我們的交通基礎設施會發生什么變化?嗯，最初需要大量的投資來創建新的氫基礎設施或改造現有的基礎設施。改造現有的基礎設施尤其有趣，因為氫燃料火車或車輛的充電時間并不比柴油發動機長，這意味著現有的加油站可以使用。一個優勢是，氫氣可以通過各國現有的天然氣分銷網絡進行運輸(SGN在英國的H100項目旨在證明這一點)，因此運輸網絡的擁堵可能會得到改善。或者，取決于技術的進步，電解器可以在燃料補給站就地產生氫氣。
在基礎設施方面，氫燃料火車比氫燃料汽車更有優勢，因為火車沿著固定軌道行駛。這條可預測的路徑意味著可以在確保覆蓋整個路線的情況下安裝基礎設施;與電動汽車不同的是，電動汽車受到燃料補給點的限制。同樣，由于許多火車站緊鄰公交車站，因此有可能共享加油基礎設施。
結論
望著地平線,跳躍電池技術已經在過去的十年中,它可能是氫成為鐵路運輸的首選燃料,甚至取代某些線路電氣化——成為一個零的重要運輸路線的一部分。我們有理由對綠色氫持謹慎樂觀的態度，并因此對鐵路網的脫碳持謹慎樂觀的態度。
來源: Lexology.
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