1. 氢能源发展背景
能源是人类耐以生存的能量载体。全球所消耗的主要能源包括石油、煤炭和天然气等, 其能源消耗结构如图1所示。如今大部分化石能源的储量日益减少, 由能源消耗引起的环境污染问题也愈发严重, 而人类对能源的需求却在与日俱增, 这两者的矛盾愈演愈烈, 催化了新能源变革的加速发展。
传统化石能源主要由C、H、O元素组成, 其中大部分还含有S、N等杂质元素, 在它燃烧供能的过程中不可避免的会产生碳氧化物、硫化物和氮氧化物等危害环境的污染气体, 其中尤以碳氧化物的排放影响最为严重。统计的年均化石燃料消耗量与二氧化碳排放量如图2所示, 可见年均排放的二氧化碳量是消耗的化石燃料的两倍多, 由此造成的大气污染和温室效应等已经对人类生活造成了严重影响。柴静的《穹顶之下》向我们揭示了中国雾霾的严峻性, 全球变暖导致的冰川融化和海平面上升也都在不断吞噬着人类的生存环境。
目前可替代化石燃料的新能源包括可再生电力、生物质和氢能等, 我们认为氢能是最理想的新能源, 最有希望成为人类耐以生存能源的终极解决方案。因为氢能相比于其他能源方案有显著的优势:储量大、污染小、效率高;比能量高 (单位质量所蕴含的能量高) ;可持续发展。
2. 国内外氢能源发展政策
为尽快减少化石燃料对世界环境造成的污染, 各国政府和相应机构积极出台了一系列加快氢能源发展的政策。
2009年, 日本政府投资15万亿日元, 为可再生能源项目提供资金支持, 包括燃料电池和二氧化碳收集存储 (CCS) 技术的开发等。2012年, 日本经济产业省 (METI) 提议开发高效的氢气储存系统, 发展日本燃料电池电动汽车 (FCEV) , 旨在通过该方案减轻日本对进口石油的物质依赖。2014年, 日本氢能/燃料电池战略协会公布了《氢能/燃料电池战略发展路线图》:从当前到2025年, 将氢能的使用范围进行快速扩张, 将日本燃料电池生产储备数量分别在2020年和2030年提高到大约140万台和530万台, 2015年实现燃料电池车加氢站增加至100座;从2020年中期至2030年底, 建立大规模氢能供应系统, 以将海外购氢价格降低到30日元/立方米, 扩大日本商业用氢的流通网络;从2040年开始, 通过收集和储存二氧化碳, 全面实现零排放的制氢、运氢、储氢。
2002年10月, 欧盟委员会成立了氢能源和燃料电池专家组, 并计划在未来五年内投资2500万到3000万欧元用于氢能源和燃料电池的研究。2007年, 欧洲议会主席发布了欧盟“关于通过地区、城市、中小企业和公民社会组织之间的合作建立欧洲绿色氢能经济和第三次工业革命的书面声明”, 提出到2025年要形成不同应用领域 (便携式、固定式、交通等) 的氢燃料电池技术, 并在所有欧盟成员国建立一个分布式氢能基础设施体系。如今, 欧盟委员会仍在为《欧洲综合氢计划》筹备资金, 并联合北欧五国组建了“北欧能源研究机构”, 致力于氢能源的研究与应用。
2001年, 我国确立了“863计划电动汽车重大专项”项目, 确定三纵三横战略, 以纯电动、混合电动和燃料电池为三纵, 以多能源动力联合控制、驱动电机和蓄电池为三横。2016年, 国家发改委、国家能源局下发了《能源技术革命创新行动计划 (2016-2030年) 》, 并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》, 创新行动计划主要包括:氢的制备、储运和加氢站的大规模建设, 重点集中在制氢、分布式制氢和氢的储运材料与技术方面;大力研发先进燃料电池, 重点在氢气/空气聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFC) 、甲醇/空气聚合物电解质膜燃料电池 (MFC) 等方面;采用燃料电池分布式发电, 重点对质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 、固体氧化物燃料电池 (SOFC) 和金属空气燃料电池 (Me AFC) , 以及分布式制氢与燃料电池 (PEMFC和SOFC) 的一体化设计和系统集成等方面开展研发与攻关。
3. 氢能源在轨道交通行业的发展
在轨道交通开发燃料电池或者锂电池驱动的有轨列车, 根本目的是为了摆脱接触网受电弓的限制, 这样既减少了基建, 又提升了市容市貌, 同时更好的增加了车辆的灵活性。
现阶段, 氢气主要和燃料电池相结合构成动力系统, 替代传统内燃机应用于铁路交通领域。氢燃料动力系统使车辆可以摆脱线路牵引供电系统, 降低了线路的投资, 并且具有噪音小、污染低及使用寿命长等特点。基于燃料电池发展现状, 可使用的燃料电池类型主要包括质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 和固体氧化物燃料电池 (SOFC) 。
2002年, 世界上第一辆氢燃料电池动力系统机车诞生, 由美国Vehicle Projects公司研制开发。该机车由纯质子交换膜燃料电池驱动, 两个燃料电堆串联, 提供126 V电压和135 A电流, 净功率达17k W。车辆采用金属氢化物储氢, 并加装热交换机满足氢气吸附和去吸附过程中产生热量的热传递。随后在2009年, 该公司与美国伯灵顿北方圣达菲铁路公司 (BNSF) 合作研制了氢燃料电池调车机车, 该项目由美国国防部出资支持。该机车重约130吨, 采用燃料电池与铅酸电池混合动力系统, 240k W质子交换膜燃料电池作为主功率输出并为电池充电, 电池提供辅助功率输出, 全系统瞬时功率可超1 MW。
2003年, 东日本铁路公司试制了一辆混合动力新能源轻轨列车 (NE列车) , 该列车采用柴油-燃料电池混合动力系统。基于此项目, 该公司于2007年加装了一组360k Wh锂离子电池并去除柴油机系统, 构成燃料电池-锂电池混合动力列车。
2010年, 中国中车永济电机有限公司与西南交通大学合作研制了中国首台新能源燃料电池轻轨机车。该车应用加拿大巴拉德公司制造的HD6-150K型燃料电池电堆, 总功率达150 k W, 可产生400~800 V直流电。直流电通过2台200 k VA的牵引变流器转换成频率、电压可调的三相交流电, 控制两台120 k W交流永磁同步电机, 这也是首次将永磁同步电机用在新能源列车上。该车持续速度为21km/h, 最高运行速度为65 km/h。
2011年, 西班牙窄轨铁路FEVE公司成功研制了一辆燃料电池有轨电车样车。整车由2台12 k W质子交换膜燃料电池供电, 氢气储存在12个储氢罐内, 总容量可达105.6 m3。4台交流异步电机作为牵引电机, 每台电机功率可达30 k W。再生制动能可由3个超级电容或锂离子电池储存。该车理论载客为20~30人, 最高运行速度可达20km/h。
2015年3月19日, 世界首列氢能源有轨电车在南车青岛四方机车车辆股份有限公司下线, 填补了氢能源在全球有轨电车领域应用的空白。碳纤维材料作为该车载储氢瓶的制造, 可承受高达100MPa的高气压。该车的智能检测系统可对氢燃料电池系统实行双重保护, 氢燃料电池在有轨电车运行过程中不会产生氮氧化合物, 既能保护环境免受污染又能保障旅客出行安全。
4. 氢能源发展制约因素
为加快氢能源在轨道交通行业的发展, 首先应克服氢能发展的制约因素, 主要包括氢能源的制造和储存。
目前制氢技术主要包括传统能源和生物质的热化学重整、水的电解和水的光解。其中化石能源重整是主导, 成本低并且已“有利可图”, 但不可持续、不环保;电解水制氢将成主流, 成本将随电价而下降;光解水效率太低, 期待技术突破。
氢是所有元素中最轻的, 在常温常压下为气态, 密度仅为0.0899 kg/m3, 是水的万分之一, 因此其高密度储存一直是一个世界级难题。储氢问题一旦突破, 氢能必将在轨道交通行业的发展日益突出。目前储氢方法主要分为低温液态储氢、高压气态储氢, 储氢材料储氢三种。低温液态储氢不经济;高压气态储氢是产业应用最成熟的技术, 但是致命缺点是体积比容量小;储氢材料储氢就是利用氢气与储氢材料之间发生物理或者化学变化从而转化为固溶体或者氢化物的形式来进行氢气储存的一种储氢方式。储氢材料最大的优势是储氢体积密度大, 相同质量的氢气用储氢材料储存占用空间最少, 并且操作容易、运输方便、成本低、安全等, 恰好克服了高压气态储氢和低温液态储氢的缺点, 成为最具发展潜力的一种储氢方式, 但是它们仍然存在一些技术问题有待解决。
5. 轨道交通行业氢能源发展战略
从上述氢能源发展制约因素可见, 为加快氢能源在轨道交通行业的快速发展, 必须克服阻碍氢能发展的制约因素, 国家需加大对氢能源开发及应用领域的投资, 并制定相应发展战略如下:
(1) 技术研发:主要集中于对高压储存和氢能源制造的技术攻关;
(2) 政策制定:国家及相关部门应建立促进氢能源在轨道交通行业发展的政策环境体系, 如鼓励氢能发展的税收政策和市场标准规范等;
(3) 基础设施建设:政府应大力支持积极推进加氢站建设, 推动氢能轨道交通产业市场化进程。
摘要：随着国民经济的飞速发展和城镇化进程加快, 能源短缺和环境污染等问题日益加重, 具有环保性和可再生性的氢能源备受各国关注。轨道交通在城市公共交通体系中具有环保、快速和准时等优点, 是改善城市公共交通状况的有效途径。本文结合氢能源的相关发展和各国在轨道交通行业的研究进展, 总结了氢能源制造和储存的主要技术, 针对当前氢能源发展的制约因素, 探讨了加快氢能源在轨道交通行业的发展战略。
关键词：氢能源,轨道交通,制约,发展战略
参考文献
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