編譯 / 文龍
遏制碳排放需要交通運輸電氣化，但到目前為止，大多數創新都僅存在于汽車行業。在最近 Nature Energy 的一篇文章中，來自勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學的研究人員将目光投向了另一個關鍵行業——貨運列車。實際上，鐵路電氣化的方針政策一直都有，但該研究小組提出的解決方案并不是采用傳統的架空線路，而是采用電池。
（圖檔來源：Alamy Stock Photo）
國際能源機構資料顯示，2018年我國交通運輸行業二氧化碳排放占中國全國總排放量的 10.2%，是三大節能減排重點行業中急需突破的行業。在鐵路運輸中，盡管高鐵動車等客運列車已實作基本電氣化，但貨運列車仍以柴油為主要驅動力。而鐵路運輸因為比公路運輸便宜，自然成為了遠距離可靠運輸大量集裝箱的理想選擇。
與我國類似，美國鐵路貨運也幾乎完全使用污染柴油運作，每年預估排放 3500 萬噸 CO2 空氣污染，将會造成約 1,000 人過早死亡，約 65 億美元的健康損害成本。另一方面，改進的電池技術加上廉價可再生的優勢很快就會讓電池電力能夠與柴油燃料競争，為貨運列車提供動力。是以，Natalie Popovich 及其同僚提出支援美國向電池電動鐵路過渡的建議，并從技術和經濟方面分析了可行性。
一次充電可行駛 241 公裡
目前，鐵路部門的電氣化意味着安裝架空線路裝置——沿着整條線路承載電能的電纜，通過受電弓連接配接到裝有電動機的移動機車。這不僅需要與軌道長度成正比的密集資本投資，還使得電力機車無法在軌道網絡的剩餘非電氣化部分運作。随着電池價格持續下降，消費者更容易獲得電動汽車，研究人員也一直在研究在鐵路運輸中使用電池的可能性。
研究小組通過計算得出，利用目前的電池技術，假設使用锂鐵磷酸鹽 (LFP) 電池，建造一輛能夠為I類貨運列車（日均行駛距離為 241 公裡）提供動力的單節電池小車是可行的，同時還具有超越柴油列車的能源效率。
通過已知的 LFP 電池資料，假設電池達到目前最佳能量密度，單節車廂可容納 14 MWh 電池，一次充電可行駛 241 公裡。14 MWh 電池加上逆變器的總重量大約 114 噸，低于鐵路承重量要求；電池總體積大約 39 m3，再加上逆變器體積 13.7 m3 ，約為标準單節車廂 (129 m3 )體積的 40% 。是以，從重量和體積上來看，使用配備 14 MWh 電池和逆變器的單節車廂實作 241 公裡的續航裡程是可行的。由于電池重量增加，電池貨運列車的能耗增加了 5%，但由于全電動驅動的高效率，它仍然是柴油列車能耗的一半左右。
至于電池的選擇上，磷酸亞鐵锂 (LFP) 電池比鎳錳钴氧化物 (NMC) 電池具有更長的循環壽命和更低的溫度，比氧化钛酸锂 (LTO) 便宜并且可以在很寬的溫度範圍内運作。雖然 LTO 相對于 LFP 具有極速充電的優勢，但 LFP 電池也可以在不到半小時内充滿電，列車同樣可以在沿途停靠點快速充電或更換為已充電的電池。
20年内可節省940億美元
然而，技術可行性是一回事，經濟可行性是另一回事，如果得以證明，電池電氣化可能是鐵路貨運脫碳的一條有希望的路線。Popovich 及其同僚也研究了這方面，他們的結果表明，電池價格低于每千瓦時 100 美元的條件下，廉價的可再生電力以及化石燃料帶來的環境成本，使電池在總成本方面與柴油相比具有競争力。
值得注意的是，電池機車的總擁有成本的組成部分與内燃機車有着根本的不同：在後者中，營運費用（尤其是燃料）是目前的主要成本；在前者中，主要成本是電池本身和充電基礎設施的資本支出，而能源要便宜得多。這意味着前期成本會更高一些，即使總擁有成本具有競争力。
（基于總擁有成本達到柴油平價所需的全包電價）
計算表明，為了與美國平均柴油價格（US $0.66/L）持平，電價必須達到US$ 0.072/kWh，電池成本必須低于US$ 100/kWh電池。而美國的平均工業電價為US$ 0.064/kWh， LFP 最新技術價格為 US$100/kWh 。該計算不包括基礎設施成本，也不包括環境成本。在考慮标準污染減排時，改用電池電力推進将節省 440 億美元，在以 CO2 為減排标準時将節省 940 億美元。經濟回報的主要決定因素是車站使用率和柴油價格。
面臨的兩個主要挑戰
然而，在電池為火車提供動力之前，仍有許多挑戰需要解決。
一方面，在人煙稀少的地區難以建立快速充電基礎設施。這很重要，因為 Popovich 及其同僚發現充電基礎設施是電池組總擁有成本的重要組成部分。在最初階段，通過更換電池進行慢速充電可能是一種更可取的部署政策。
（不同使用率下 72 MW充電站的能源價格）
但是，貨運鐵路營運和排程的集中性質可以實作快速充電基礎設施的高使用率，進而降低成本。研究人員估算了 72 MW 充電站的成本，估計電力加充電的平準化成本介于 US$0.185 /kWh 和 US$0.185 /kWh 之間。
該充電站可以一次為八節車充電，由于這些成本由使用充電站的列車數量分攤，是以出行量較大的車站有可能成為最具成本效益的地點。
一個反複出現的不确定因素是電池價格和壽命的演變。即使電池變得越來越便宜，它們也不能比其原材料的價值更便宜。Popovich及其同僚重申了他們對幾個電池成本水準的分析，證明了他們的結果在除最悲觀的情況之外的所有情況下都成立。
對于零排放鐵路運輸，Popovich 及其同僚不僅指出了電池貨運列車這條經濟可行的路線，還提出了其他解決方案，例如生物柴油或氫氣。這些能源可以在更短的時間内儲存更多的能量，但仍需以類似的方式對其技術經濟可行性進行評估。不可否認的是，随着電池技術和其他脫碳途徑的創新，鐵路行業正走向有趣的時代。
參考内容：
https://techxplore.com/news/2021-11-battery-powered-economically-viable.html
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