步入正轨:英国氢铁路的进步

上个月(2020年9月)，人们对氢作为一种低碳能源越来越感兴趣的另一个例子出现了HydroFLEX干线首次亮相，这是英国第一辆氢燃料列车。英国还有许多其他的氢铁项目正在进行中，《工程师》杂志向专家小组询问了氢铁目前的技术水平，以及氢铁的长期潜力。

请描述一下你们在氢燃料铁路技术方面的进展?

斯图尔特博士Hillmansen:在过去的十年里，伯明翰铁路研究与教育中心一直在引领氢燃料铁道车辆技术的发展。这包括详细的概念设计工作和建模，规模演示的开发，包括氢英雄1/5规模的火车头，以及最近与Porterbrook合作的HydroFLEX列车，该列车刚刚被批准用于干线应用，并在网络铁路基础设施上运行。

我们的团队还与关键合作伙伴合作，开发铁路专用加油解决方案，使未来的氢燃料列车能够在仓库环境中快速加油。

氢燃料汽车对铁路电气化是免费的，而HydroFLEX列车等车辆保留了其交流电气化设备，这意味着它们可以在电气化网络和非电气化网络中运行。

迈克·马尔登:阿尔斯通是氢燃料铁路技术的世界领导者。我们的Coradia iLint列车是唯一的氢燃料列车，在德国运行超过18万公里，现在在奥地利运行。它已经在荷兰和德国各地成功地进行了试验。41辆列车在两份合同中出售，其中包括与阿尔斯通签订的30年维护支持协议。在英国，我们与Eversholt铁路公司合作，为英国铁路网开发了“微风”(Breeze)氢列车，我们今天能够提供即时订单。Breeze旨在取代英国各地的区域dmu(柴油多机组)，目前正在与众多运营商和利益相关者进行讨论，以确保车队部署的安全。

爱丽丝吉尔曼:我们两年前开始了我们的氢气项目，当时氢气显然是脱碳混合的关键部分。作为唯一一家拥有完全获得客运服务许可的独立动力零排放列车的公司(我们的230级BEMU)，我们知道我们可以利用现有的技术和我们目前的批准来交付这样的列车。

请概述一下你的技术是如何工作的，以及它将如何部署在英国的铁路网上?

迈克·马尔登:以氢为燃料的汽车通常使用燃料电池，这种电池将车内储存罐中的氢气与大气中的氧气结合起来，利用水蒸气和热量产生的副产品发电。这是一个化学过程，不涉及燃烧，没有碳或其他有害排放。

氢气对于英国铁路网有着巨大的潜力。在电气化无法实现的地方，氢气可以提供远程性能，今天就可以投入使用，到2024年投入使用。

Coradia iLint和Breeze都是氢混合动力车，主要动力来自燃料电池，需要时再由电池补充。混合动力驱动优化了列车的能源效率，允许在电池中获取再生能源，并混合能源为列车提供动力。这些列车的设计是为了在没有其他能源可用的情况下运行，它们不是双模式的，它们是DMU的替代品，目的是在至少600英里的范围内提供同等或更好的性能。

斯图尔特博士Hillmansen:HydroFLEX列车有一个新的推进系统，集成到现有的牵引电力电子系统。新的推进系统结合了燃料电池和牵引电池为列车提供动力。牵引电池有效设置直流母线上的直流电压，控制燃料电池作为电流源，向直流母线注入电流，以响应牵引系统和电池的各种状态。因此，我们可以使燃料电池在其最优状态下运行，并尽量减少氢的使用量。

氢气储存在高压轻量化储罐中。气体储存在350巴，并通过一个调节器，然后被交付到燃料电池。

HydroFLEX已被完全批准用于干线运行，并提供安静和清洁的乘客体验，唯一的尾管排放是水。如果使用绿色氢，那么车辆可以完全脱碳。

爱丽丝吉尔曼:我们所有的技术都与电池有关——氢燃料列车是一种简单的电池列车，燃料电池用于给电池充电，而不是用于牵引。燃料电池的反应能力不足以满足火车的需求，而电池则灵活得多。

将氢燃料列车引入英国的一个关键部分是计量器——与阿尔斯通的德国列车不同，在英国，氢罐不能储存在车顶上。

我们标准的模块化动力组件设计意味着我们可以在列车下方放置燃料电池和油箱。我们的设计是一个四车单元组成:电池驱动汽车-挂车-挂车-电池驱动汽车

坦克和燃料电池将安装在拖车车下面，每天提供大约650英里的行程。

描述任何试验/部署的当前状态?

斯图尔特博士Hillmansen:最近，HydroFLEX已经在主线上进行了测试。运输署的首个同类计划已获得资金，以推进设计到下一阶段，以发展一个生产版本的单位，然后可以部署在客运服务。预计到2022年，我们将在主线上运行下一个版本的HydroFLEX。

迈克·马尔登:Breeze的基础技术来自Coradia iLint。在过去的4年里，这两列完全国产的量产预系列列车在私人测试轨道和日常客运服务中进行了广泛的测试。这些试验和操作使我们能够为所有机载系统积累大量的运行数据，优化混合动力效率和氢燃料消耗，在燃料电池和电池之间实现最佳平衡。我们还开发了列车控制系统和整体系统集成，以确保列车与司机通信，并通过输入司机信息系统和远程状态监控，让司机很容易了解列车的运行状态。大量的操作也验证了我们的模拟工具，现在已经部署在全球所有氢牵引项目的产品开发中。

爱丽丝吉尔曼:由于我们的设计只是改变了我们已经为威尔士运输部建造的电池/柴油混合动力车队的充电源，所以我们有一个先进的概念，而且只需要进一步批准就可以设计氢燃料列车。我们现在已经批准:

• 柴油火车
• 电池的火车
• 电池/柴油混合动力列车

我们的快速充电也即将完成其铁路网络的审批，因此我们在系统方面有丰富的经验，并成功地获得了必要的审批。

请概述一下你做过的关于氢气供应和加氢的相关工作?

斯图尔特博士Hillmansen:BCRRE正与Vanguard STS、TP集团和燃料电池系统公司合作，为铁路应用开发定制的专用加油解决方案。我们计划使用可再生的电力来电解水，生产高纯度的氢气，用于氢列车的燃料。该产品被称为HydroHUB，已以模块化方式开发，并已作为HydroFLEX加油系统的一部分。

迈克·马尔登:一个氢列车车队，即使规模不大(10列)，每天的氢消耗量也以吨计。从长期来看，这种消费是高度可预测的。因此，这对一个新兴的氢供应市场很有吸引力。由于这个原因，有许多潜在的供应合作伙伴热衷于参与供应铁路车队。氢气本身既可以在燃料补给站现场生产，也可以从其他来源获取。当它由可再生资源产生时，它是完全无碳的，甚至在某些情况下具有负碳含量。阿尔斯通已经形成了一些供应伙伴关系，作为我们Coradia iLint合同的一部分。许多地方政府都有工业氢足迹或可再生能源运营商，他们也渴望参与进来。加油过程本身是经过验证的，并且使用了原本为商业道路车辆开发的标准化设备。

爱丽丝吉尔曼:我们还没有!作为列车制造商，这不是我们的专业领域。我们将能够确定每个路线所需的氢气量，以及加氢点的合理位置。

总的来说，英国铁路网中氢的潜力有多大?

斯图尔特博士Hillmansen:铁路网公司的牵引脱碳网络战略(TDNS)清楚地阐明了将氢气作为国标铁路系统的重要组成部分的必要性。因此，发展和部署这些车辆是不可避免的。在最终所需的电气化程度与氢燃料汽车的性能和成本之间，将会有一个有趣的相互作用。我们预计，氢燃料汽车性能和性能的快速发展可能意味着，我们最终的电气化覆盖率将低于2050年TDNS的预期。

迈克·马尔登氢对英国铁路网有巨大潜力。在电气化无法实现的地方，氢气可以提供远程性能，今天就可以投入使用，到2024年投入使用。在未来几十年，电气化将或可能走向何方，这些相同的氢列车提供了一种中短期零排放的过渡技术，在电气化之前实现铁路的脱碳。任何部署的氢基础设施(生产设施和加油站)不必只针对铁路，它们可以支持多种用户模式，如公交车、出租车、公路车队等。如果在过渡运营停止后，铁路不再需要它们，它们可以被重新用于其他用途，火车也可以重新部署到其他地方。目前约有2400辆DMU汽车投入运营。如果其中一半被氢装置取代，英国铁路每年就会减少53.3万吨的二氧化碳排放。

爱丽丝吉尔曼:我们认为，为该网络的主要部分电气化的计划是完全有意义的，可使用替代技术作为该方案的理想补充。

氢气很有趣，因为它在英国显然是一个处于起步阶段的产业，需要在铁路部门之外开展工作，特别是在基础设施和绿色氢气供应方面。

氢动力列车当然是完全可行的，而且这项技术已经被证明是可行的，所以我们相信氢动力列车在英国网络上运行只是时间问题。正如上面所解释的，氢燃料列车本质上是电池列车，因此它们具有性能、零排放和显著航程的所有优势——当与快速充电站结合时，几乎可以无限使用。在英国有许多线路可以成功运行氢动力列车，而Vivarail已经准备好为运送这些列车发挥作用。