美研究揭示将柴油列车转换为电池-电动列车的经济、环境和电网恢复优势

2021年11月29日 09:52 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

美国劳伦斯伯克利国家实验室的一项研究表明,电池电动火车如何为美国带来环境正义、成本节约和复原力。在美国,火车长期以来一直处于电气化努力的边缘,因为它们只占交通部门排放量的2%,但柴油货运列车每年排放3500万吨的二氧化碳,并产生空气污染,导致65亿美元的健康成本,估计每年有1000人过早死亡。更重要的是,这些死亡和不利的健康影响不成比例地影响到弱势和低收入社区,这些社区更有可能位于货运铁路场和铁路附近。

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最近,电池价格的大幅下降为货运列车的电气化创造了新的可能性。美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(以下简称伯克利实验室)的研究人员与加州大学洛杉矶分校和加州大学伯克利分校的研究人员合作,提出了美国可以用电池改造柴电列车的理由,这种方式在成本上与柴油有竞争性。这样做将避免这些不必要的死亡和健康影响,并通过减少空气污染和二氧化碳排放在20年内为美国货运铁路部门节省940亿美元。他们的研究最近发表在《自然-能源》杂志上。

伯克利实验室的科学家和该研究的主要作者Natalie Popovich说:“货运铁路部门的快速转换不仅在技术上是可行的,而且具有成本效益,它将为低收入社区带来直接和持久的健康和经济利益。而且它将为我们国家遏制气候变化的努力提供助力,特别是考虑到美国的货运铁路能力预计到2050年将翻倍。”

火车在整个美国的货物运输中发挥着重要作用,特别是煤炭、木材和矿石等重型货物。根据美国联邦铁路管理局的数据,美国28%的货物是通过铁路运往全美各地的,而且这一比例预计在未来几十年内将大幅增长。在最近举行的2021年联合国气候变化大会上,美国与其他十几个国家一起签署了新的协议,以减少运输排放,而铁路货运的零排放解决方案将是该承诺的一部分。

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与世界上其他几个地区不同,美国所有的货运列车仍然是柴油-电动的,这主要是因为典型的电气化战略,即在轨道上建立电气化的线路,在距离遥远的美国很难实施。在柴电列车中,柴油发动机与交流发电机相连,然后向连接到机车轴的电动机供电。因此,将列车改装成由电池供电是可行的,因为内燃机车已经有了一个电动机。

该研究的通讯作者、伯克利实验室的科学家Amol Phadke说:“电池技术的巨大改进,加上美国主要的柴电货运列车中现有的电力传动系统,为快速转换为电池-电力货运铁路铺平了道路,并节省了大量成本。此外,与电动汽车或卡车相比,电池的重量也不是一个制约因素。我们可以在使用电池的货运列车上增加一辆车,而电池车的重量对列车来说不是一个问题。”

柴油-电动火车从20世纪20年代就开始出现了,它们在20世纪30年代开始取代蒸汽火车,因为它们性能更好,污染更少。当时,由于电力成本高,使用柴油机为火车上的电机发电比试图开发全电动火车要便宜。一个世纪后的今天,美国正处于电价与柴油机竞争的阶段,继续依赖柴油机为货运列车提供动力的环境和健康成本太具有破坏性,不容忽视。

Popovich说:“我们的分析表明,改用电池电动货运将使该行业每年的二氧化碳排放量减少一半以上,在20年内消除超过4亿吨的二氧化碳。”

该研究强调,美国货运列车的电气化还存在其他途径,如通过架空电力线使列车电气化,或使用氢燃料电池与电池供电的列车相结合。然而,基于货运列车已经是柴电合一的事实,并考虑到电池技术的最新进展,研究人员表明,电池-电力途径提供了最具成本效益的长期解决方案,并具有多种附加效益。

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他们的分析表明,现有的电池技术可以为一列货运列车提供150英里的动力(平均每天行驶的距离)。电池供电的货运列车将使用柴油电动列车所需能量的一半,考虑到电池价格下降和柴油的环境成本,电池电动列车有望比柴油电动列车更具成本竞争力。由于货运铁路的规划是集中的,该研究表明,铁路可以实现快速充电基础设施的大量使用,这将进一步减少成本。

将现有的柴电货运列车改装成电池车的一个主要好处是,电池电动列车可以始终依靠柴油发动机作为备用燃料。这种双燃料能力,允许使用电池或柴油,与完全电气化的货运铁路系统或使用氢燃料电池相比,是一个独特的优势。

模块化电池提供弹性的好处

另一个主要好处是,电池电动列车可以作为清洁的备用电源,从而加强电网的弹性。历史上,柴电列车一直被用作紧急情况下的发电装置。1998年初,一系列的冰风暴导致美国东北部和加拿大部分地区超过一百万人停电。在蒙特利尔的一个郊区,市长将整个内燃机车移到市政厅附近,为他们的应急行动提供电力。

随着极端天气事件和停电事件的增加,电池电动火车有可能被部署到全美各地,以避免停电。这些模块化的电池车可以被运送到需要的地方,并在电价低的地方充电,因此与电网规模的存储相比具有明显的优势。此外,电池车可以作为模块化的航运集装箱,能够在货运铁路和海运船只之间交换,对这两个部门的去碳化和扩大复原力范围有积极的好处。

Phadke说:“将美国货运铁路部门转换为电池-电力部门将产生约220千兆瓦小时的移动存储。此外,这些电池车可以在极端事件中部署,例如在最近加州的灾难性野火或2021年德克萨斯州的冬季风暴中,导致数百万人无法获得电力。这种移动储能能力也将为货运铁路运营商创造一个潜在的新收入来源。”

从技术角度来看,研究人员证明了向全电池电动货运列车发展应该没有任何限制,但需要进一步研究和大规模示范项目来优化充电基础设施。“伯克利实验室的系统和市场分析揭示了这一被忽视的领域,并证明我们可以用现有的技术使一些部门脱碳,这将帮助我们更快地实现我们的气候目标,同时也推进了环境正义和电网复原力。这是一个三赢的局面,”伯克利实验室储能中心主任Noel Bakhtian说。“对电池电动货运列车的技术经济分析表明,我们有可行的解决方案,可以实现向清洁、可负担和有弹性的未来能源的过渡。”

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