Nature论文｜货运列车电动化，why not？

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NatureEnergy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。

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（图片来源：AlamyStockPhoto）
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， NataliePopovich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。

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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14MWh电池，一次充电可行驶241公里。 14MWh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39m3 ，再加上逆变器体积13.7m3 ，约为标准单节车厢(129m3)体积的40% 。因此，从重量和体积上来看，使用配备14MWh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
【Nature论文｜货运列车电动化，why not？】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。