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在交通工具中使用氢不是气候变化时代的概念;通用汽车公司在1966年开发了一辆氢动力货车的原型车(最终由于成本问题被废弃了)。然而，尽管这些发展并非完全史无前例，但近年来氢技术的进步和进步速度，使氢火车成为铁路运输脱碳技术的前沿。
重述氢燃料
氢是一种很有吸引力的燃料前景，因为在消费时，副产品只能是水，这意味着不会产生温室气体，并为周围的居民带来更好的空气质量。这并不一定使氢成为一种清洁能源——氢的清洁程度取决于生产氢的过程。总的来说，正如CMS氢项目专家指南中进一步解释的那样，要实现低碳氢应该是:
“蓝色”氢(即碳捕获和存储系统捕获作为蒸汽甲烷重整过程的一部分而排放的二氧化碳，以防止其释放到大气中);或
“绿色”氢(即由可再生能源产生的电力通过电解产生的氢)。
氢在很大程度上是一种发展中的产品，这意味着低碳氢目前没有经济竞争力——例如，目前世界上只有大约4%的氢是“绿色”的。如果氢要成为一种可行的清洁能源，生产这种氢的经济性需要改进。
氢的另一个关键问题是,它不是能量密度比目前使用的柴油燃料,因此它需要被存储在液态低于-252.8°C(这不是目前可行的大规模)或储存在压力约5000 - 10000 psi(为背景,地球的平均大气压力约为14.7 psi)。因此，氢燃料需要特定的存储和运输基础设施，在这种压力下存储意味着需要小心处理燃料箱。
氢通常用于燃料电池系统。在燃料电池中，电是通过电化学反应产生的，在这个过程的最后，氢与氧结合产生水。氢也可以用于燃烧反应——比如汽车的改良内燃机——但它的燃烧会产生氮氧化物污染物，因此从环境角度来看，它不太有吸引力。
但是使用氢燃料作为首选的火车燃料也有其他的优点和缺点，主要的考虑见下表。
铁路网的脱碳——选择
许多国家，比如英国，都有雄心勃勃的“净零”战略，旨在鼓励人们使用火车而不是公路运输。客运和货运服务都是如此。简单地鼓励通过铁路网运输人员或货物本身就能减少温室气体，因为铁路更有效地利用化石燃料。然而，考虑到许多列车是由柴油驱动的，而不是电气化的，为了实现脱碳的目标，使用氢动力列车等选项是摆在桌面上的选项之一。
为什么用氢气而不是电气化所有的电线?电气化是有代价的。例如，英国铁路网目前估计，每单轨公里(STK)的轨道电气化费用为100万至250万英镑，尽管苏格兰政府目前正在为每STK提供75万至150万英镑的项目(业内人士认为，这是一个滚动电气化项目的结果，允许开发和维护经验)。对于服务于农村社区的火车服务来说——通常线路很长，乘客很少——电气化的成本可能是巨大的。
电气化的两种主要替代方案是电池动力和氢动力列车。目前，电池、氢气和电气化之间存在一种权衡:因为它们可以在非电气化轨道上运行，前者资本成本低但运行成本高，而后者资本成本高但运行成本低。电池列车目前的时速可达75 - 100英里，氢动力列车的时速可达90 - 100英里。与氢相比，电池动力的优势在于所需安装的配套设施更少。然而，随着电池技术的不断改进，氢动力列车通常可以在不加油的情况下行驶更长的距离，这意味着，对于许多铁路服务来说，氢动力可能会比电池动力更受青睐。
考虑到每一种技术各自的优缺点，业内人士认为，需要使用一种混合技术来实现铁路网络的脱碳——氢、电力和电池动力可以相互补充，而不是相互竞争。例如，英国目前有15400 STKs的铁路未电气化，这意味着，要达到净零，就必须在进一步电气化、氢或锂离子电池供电之间做出选择。铁路网目前提议进一步电气化13040个stk，氢燃料服务1300个stk，电池燃料服务800个stk，还有260个stk尚未提出选择。至少在重新设想英国的交通时，似乎所有的选择都是开放的。
氢动力火车——我们现在发展到哪个阶段了?
虽然氢燃料技术仍在发展中，但世界各地的铁路网络中已经有了计划或正在运行的氢燃料列车。2018年9月至2020年5月，法国运输制造公司阿尔斯通(Alstom)在德国威瑟-易北(Weser-Elbe)网络上对其Coradia iLint氢动力列车进行了530天的试验。从2022年开始，预计14列Coradia iLint列车将开始取代下萨克森州现有的柴油列车。目前，该列车已在法国、意大利订购，并在奥地利、荷兰和德国进行了进一步的测试。阿尔斯通(Alstom)和英国铁路公司Eversholt Rail也领导了一个英国试点项目，考虑将现有的321级列车(他们称之为“微风”列车)转化为氢气的可行性。
类似地，HydroFLEX是由伯明翰铁路研究和教育中心(伯明翰大学的一部分)和铁路车辆公司Porterbrook运营的英国氢列车计划。该公司的目标之一是用必要的氢燃料设备改造现有列车。2020年9月，HydroFLEX列车进行了首次成功的测试，在昆顿铁路技术中心和伊夫沙姆之间往返。HydroFLEX目前正致力于将其技术固定在车厢底部，以增加乘客的空间。
苏格兰企业和运输支持零排放列车项目，在苏格兰铁路网络中开发氢燃料列车的使用。它的目标是在一个封闭的铁路网上运行氢气列车，以在今年11月的COP26上展示。
最后，瑞士铁路制造商Stadler从加州圣贝纳迪诺县运输局获得了一份合同，将在美国交付首列氢动力列车。
火车用氢——未来
所以，我们目前有了一种燃料，它有可能在脱碳铁路网络中辅助电气化的使用，但绿色氢目前是不经济的，这意味着氢生产需要一些温室气体排放。尽管如此，还是有理由对氢的未来感到乐观。
首先，该技术还处于起步阶段，随着技术的成熟和规模经济的增长，效率和成本往往会有很大的提高。例如，2010年至2020年间，电池价格按实际价格计算下降了89%。
国际能源署(International Energy Agency)表示，“氢目前在政治和商业上享有前所未有的势头”，“今天的新情况是，正在讨论的氢使用可能性的广度，以及世界各地对这些可能性的政治热情的深度。”在几乎所有地区，氢正日益成为主流能源讨论的主要内容”。在这种情况下，类似于电池的发展，我们看到规模经济开始在氢领域发展。国际能源署指出，10年前，大多数电解器项目都小于0.2兆瓦，但我们现在经常看到更大的项目，如ITEM Power在英国谢菲尔德的工厂，预计每年生产1 GW的氢气。同样，国际能源署估计，如果各国政府实现其在2030年部署燃料电池汽车的目标，燃料电池的成本可以降低75%。
如果我们看到氢的广泛应用，我们的交通基础设施会发生什么变化?嗯，最初需要大量的投资来创建新的氢基础设施或改造现有的基础设施。改造现有的基础设施尤其有趣，因为氢燃料火车或车辆的充电时间并不比柴油发动机长，这意味着现有的加油站可以使用。一个优势是，氢气可以通过各国现有的天然气分销网络进行运输(SGN在英国的H100项目旨在证明这一点)，因此运输网络的拥堵可能会得到改善。或者，取决于技术的进步，电解器可以在燃料补给站就地产生氢气。
在基础设施方面，氢燃料火车比氢燃料汽车更有优势，因为火车沿着固定轨道行驶。这条可预测的路径意味着可以在确保覆盖整个路线的情况下安装基础设施;与电动汽车不同的是，电动汽车受到燃料补给点的限制。同样，由于许多火车站紧邻公交车站，因此有可能共享加油基础设施。
结论
望着地平线,跳跃电池技术已经在过去的十年中,它可能是氢成为铁路运输的首选燃料,甚至取代某些线路电气化——成为一个零的重要运输路线的一部分。我们有理由对绿色氢持谨慎乐观的态度，并因此对铁路网的脱碳持谨慎乐观的态度。
来源: Lexology.
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