Nature论文 | 货运列车电动化，why not？

2022 年 2 月 5 日 机器之心

编译 / 文龙

遏制碳排放需要交通运输电气化，但到目前为止，大多数创新都仅存在于汽车行业。在最近 Nature Energy 的一篇文章中，来自劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学的研究人员将目光投向了另一个关键行业——货运列车。实际上，铁路电气化的方针政策一直都有，但该研究小组提出的解决方案并不是采用传统的架空线路，而是采用电池。

（图片来源：Alamy Stock Photo）

国际能源机构数据显示，2018年我国交通运输行业二氧化碳排放占中国全国总排放量的 10.2%，是三大节能减排重点行业中急需突破的行业。在铁路运输中，尽管高铁动车等客运列车已实现基本电气化，但货运列车仍以柴油为主要驱动力。而铁路运输因为比公路运输便宜，自然成为了远距离可靠运输大量集装箱的理想选择。

与我国类似，美国铁路货运也几乎完全使用污染柴油运行，每年预估排放 3500 万吨 CO2 空气污染，将会造成约 1,000 人过早死亡，约 65 亿美元的健康损害成本。另一方面，改进的电池技术加上廉价可再生的优势很快就会让电池电力能够与柴油燃料竞争，为货运列车提供动力。因此，Natalie Popovich 及其同事提出支持美国向电池电动铁路过渡的建议，并从技术和经济方面分析了可行性。

一次充电可行驶 241 公里

目前，铁路部门的电气化意味着安装架空线路设备——沿着整条线路承载电能的电缆，通过受电弓连接到装有电动机的移动机车。这不仅需要与轨道长度成正比的密集资本投资，还使得电力机车无法在轨道网络的剩余非电气化部分运行。随着电池价格持续下降，消费者更容易获得电动汽车，研究人员也一直在研究在铁路运输中使用电池的可能性。

研究小组通过计算得出，利用目前的电池技术，假设使用锂铁磷酸盐 (LFP) 电池，建造一辆能够为I类货运列车（日均行驶距离为 241 公里）提供动力的单节电池小车是可行的，同时还具有超越柴油列车的能源效率。

通过已知的 LFP 电池数据， 假设电池达到目前最佳能量密度，单节车厢可容纳 14 MWh 电池，一次充电可行驶 241 公里。 14 MWh 电池加上逆变器的总重量大约 114 吨，低于铁路承重量要求；电池总体积大约 39 m3，再加上逆变器体积 13.7 m3 ，约为标准单节车厢 (129 m3 )体积的 40% 。因此，从重量和体积上来看，使用配备 14 MWh 电池和逆变器的单节车厢实现 241 公里的续航里程是可行的。由于电池重量增加，电池货运列车的能耗增加了 5%，但由于全电动驱动的高效率，它仍然是柴油列车能耗的一半左右。

至于电池的选择上， 磷酸亚铁锂 (LFP) 电池比镍锰钴氧化物 (NMC) 电池具有更长的循环寿命和更低的温度，比氧化钛酸锂 (LTO) 便宜并且可以在很宽的温度范围内运行。 虽然 LTO 相对于 LFP 具有极速充电的优势，但 LFP 电池也可以在不到半小时内充满电，列车同样可以在沿途停靠点快速充电或更换为已充电的电池。

20年内可节省940亿美元

然而，技术可行性是一回事，经济可行性是另一回事，如果得以证明，电池电气化可能是铁路货运脱碳的一条有希望的路线。Popovich 及其同事也研究了这方面，他们的结果表明，电池价格低于每千瓦时 100 美元的条件下，廉价的可再生电力以及化石燃料带来的环境成本，使电池在总成本方面与柴油相比具有竞争力。

值得注意的是，电池机车的总拥有成本的组成部分与内燃机车有着根本的不同：在后者中，运营费用（尤其是燃料）是目前的主要成本；在前者中，主要成本是电池本身和充电基础设施的资本支出，而能源要便宜得多。 这意味着前期成本会更高一些，即使总拥有成本具有竞争力。

（基于总拥有成本达到柴油平价所需的全包电价）

计算表明，为了与美国平均柴油价格（US $0.66/L）持平，电价必须达到US$ 0.072/kWh，电池成本必须低于US$ 100/kWh电池。而美国的平均工业电价为 US$ 0.064/kWh ， LFP 最新技术价格为 US$100/kWh 。该计算不包括基础设施成本，也不包括环境成本。在考虑标准污染减排时，改用电池电力推进将节省 440 亿美元，在以 CO2 为减排标准时将节省 940 亿美元。 经济回报的主要决定因素是车站使用率和柴油价格。

面临的两个主要挑战

然而，在电池为火车提供动力之前，仍有许多挑战需要解决。

一方面， 在人烟稀少的地区难以建立快速充电基础设施。 这很重要，因为 Popovich 及其同事发现充电基础设施是电池组总拥有成本的重要组成部分。在最初阶段，通过更换电池进行慢速充电可能是一种更可取的部署策略。

（不同使用率下 72 MW充电站的能源价格）

但是，货运铁路运营和调度的集中性质可以实现快速充电基础设施的高使用率，从而降低成本。研究人员估算了 72 MW 充电站的成本，估计电力加充电的平准化成本介于 US$0.185 /kWh 和 US$0.185 /kWh 之间。

该充电站可以一次为八节车充电，由于这些成本由使用充电站的列车数量分摊，因此出行量较大的车站有可能成为最具成本效益的地点。

一个反复出现的不确定因素是电池价格和寿命的演变。 即使电池变得越来越便宜，它们也不能比其原材料的价值更便宜。Popovich及其同事重申了他们对几个电池成本水平的分析，证实了他们的结果在除最悲观的情况之外的所有情况下都成立。

对于零排放铁路运输，Popovich 及其同事不仅指出了电池货运列车这条经济可行的路线，还提出了其他解决方案，例如生物柴油或氢气。这些能源可以在更短的时间内储存更多的能量，但仍需以类似的方式对其技术经济可行性进行评估。不可否认的是， 随着电池技术和其他脱碳途径的创新，铁路行业正走向有趣的时代。

论文链接：http://dx.doi.org/10.1038/s41560-021-00915-5

参考内容：

http://dx.doi.org/10.1038/s41560-021-00914-6

https://techxplore.com/news/2021-11-battery-powered-economically-viable.html

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