基于铁路氢运输的多运输服务虚拟氢谷的 3E 分析》
本文来源：3E analysis of a virtual hydrogen valley supported by railway-based H2 delivery for multi-transportation service
研究背景
氢技术在全球得到大力推广，因其具有燃料电池技术效率高、污染低、灵活性强、与可再生能源整合性好以及应用广泛等优点。
“氢谷” 在氢产业的增长中至关重要，它是氢生产和需求的关键区域，也是技术应用的试点地区。许多国家和地区都在积极支持和规划氢谷的建设。
关于氢的生产、存储和分配过程已有许多研究，但缺乏对虚拟氢谷的整体分析，相关研究仅为项目总结或提案。
图1 世界上正在开发的氢谷项目。
研究内容
能量效率：不同线路的 FCHTs 根据负载和轨道情况具有不同的能量和功率需求。例如，1 号线车辆在往返行程中停车 3 次，功率变化范围广，能量需求在加速时约为 1800kW h，减速时最大为 850kW h；2 号线在工业中心有一次停车，能量和功率需求低于 1 号线；3 号线和 4 号线合并考虑，整体线路有两次停车，能量需求较高；5 号线运输距离短，速度和加速度限制较多，能量值最低。FCHTs 在能量效率方面表现出色，不同线路和场景下的燃料细胞效率有所不同，例如 1 号线在 100% 场景下燃料细胞效率约为 50%，20% 场景下为 47%；5 号线在 100% 场景下效率最高，为 52%，20% 场景下为 49.5%。
图2 模拟虚氢谷的代表性方案。
经济性能：集中式氢生产设施在不同 PPA 价格和生产场景下，LCOH 和 TCO 值有所变化。例如，在 PPA 价格为 50€/ MWh 且为氢谷所有车队服务（100% 场景）时，LCOH 最低约为 5.4€/kg，但在 PPA 为 250€/ MWh 且生产仅为车队名义容量的 20% 时，LCOH 会超过 20€/kg。TCO 在 RES PPA 价格低于 160€/ MWh 且生产为全名义容量时，可达到低于 10€/km 的竞争力水平，与欧盟近期分析的 TCO（12€/km）相比具有竞争力，且接近柴油火车（8.8€/km），优于全电池电动火车（14.8€/km）和可能的新架空线电气化（44.9€/km）。不同设施的 HRS 经济性能也不同，例如叉车 HRS 的 COH 在 RES PPA 价格为 50€/ MWh 时从 6.15€/kg 变化到 250€/ MWh 时的 8.45€/kg，在某些场景下可高达 12€/kg 甚至 17€/kg；自行车 HRS 在特定条件下 LCOH 可低至 4 - 6€/kg，否则会大于 8€/kg；FCEV HRS 在最乐观场景下 LCOH 接近 5€/kg；FCEAs HRS 在车队份额转换超过 60% 时表现良好。
环境效益：与柴油火车和全电动火车相比，氢火车在减少排放和健康效益方面具有优势。柴油火车的排放尤其是 NOx 排放显著，每年约为 29 吨；全电动火车的排放低于柴油火车，但仍高于 FCHTs，其 NOx 年排放最大为 0.385 吨。在二氧化碳当量排放方面，柴油火车和全电动火车分别为 3.2ktons / 年和 0.4ktons / 年。在健康效益方面，与柴油火车相比，FCHTs 在系统寿命 15 年内的健康效益为 5100 万欧元（包括等效 CO₂排放）；与全电动火车相比，FCHTs 的健康效益为 0.05 - 0.114 百万欧元（不包括等效 CO₂排放），包括等效 CO₂排放时为 0.548 百万欧元。
图3 仿真工具的主要结构。
焦亚陶罗的 100 辆叉车，每天消耗 90 千克氢气，由 1 号线供应；
从维拉圣乔瓦尼到西西里的 10 艘渡轮，每天消耗约 295 千克氢气，由 1 号线运输；
雷焦卡拉布里亚市中心的 130 辆自行车，每天消耗近 5 千克氢气，由 1 号线供应；
科森扎市的 98 辆公交车，每天消耗约 170 千克氢气，由 2 号线提供；
卡坦扎罗的 130 辆滑板车，每天需要约 34 千克氢气，由 3 号线从拉梅齐亚运输；
克罗托内的 100 辆汽车，每天需要 500 千克氢气，由 4 号线运输；
拉梅齐亚机场的 5 架飞机，每天消耗近 2270 千克氢气，由 5 号线运送。
所需氢气量对应最大氢需求的名义场景，基于此研究了五种场景，名义需求对应 100% 场景，其他场景考虑需求波动和生产基础设施的部分负载运行，即生产氢气名义值的 20%、40%、60% 或 80%。燃料细胞混合动力列车用于氢运输：首先估计每个地点移动应用所需的氢量，同时考虑轨道形态和驱动循环等因素作为模型输入。基于牛顿运动方程进行数值计算，得出能量和功率需求。然后为每个轨道设计合适的燃料电池混合动力系统（FCHT），该系统核心是燃料电池系统，通过建模实现设备行为，确定电压和堆栈电流，从而影响氢消耗和效率。电池作为第二能源存储，与燃料电池协同工作，能量管理系统通过 DC / DC 转换器控制能源来源，动力流到达由逆变器和电机组成的电机模块，该动力系统配置可在减速时回收能量。
氢基础设施：建模分为三个主要子类别，包括：
经济评估：采用总拥有成本（TCO）方法和平准化氢成本（LCOH）方法进行经济研究，考虑资本成本（CAPEX）和运营成本（OPEX），这些成本数据来自最新的研究和分析，系统寿命考虑为 15 年。还考虑了劳动力成本（35k / 年）、水成本（1.9€/ Sm³）和通过购电协议（PPAs）获取的可再生电力成本（价格在 50 - 250€/ MWh 之间）。LCOH 方法用于计算集中式氢工厂中设定的潜在氢价格，考虑一年的运营天数（本研究设为 320 天）、贴现率（7%）和寿命（15 年），CAPEX 包括电解器、存储压缩机、列车的管拖车、列车的加注压缩机和四辆 FCHTs。TCO 通过将年度 CAPEX、年度折旧和年度运营费用相加，再除以 FCHTs 的年行驶里程（AM）来计算。LCOH 和 TCO 相互关联但应用不同，LCOH 关注氢生产的成本效益，TCO 则提供了氢系统总成本的更全面视图。此外，还计算了向各个移动枢纽的加注基础设施出售氢的成本，以及单个 HRS 的 LCOH。同时指出了经济分析的适用性限制，包括经济风险、市场情况、政策变化、运营中断、供应链干扰和金融波动等因素可能对项目成本产生的影响。
图4 在卡拉布里亚（IT）中模拟的虚拟氢谷的图形表示。
环境评估：本研究旨在分析与柴油火车或全电动火车相比，氢铁路运输系统对环境的影响。采用两种方法评估排放及其环境影响，一是使用 Co - Benefits Risk Assessment（COBRA）计算碳足迹以及对健康和生活质量的益处，通过美国各地的污染水平数据库进行本地化研究，本研究中以蒙大拿州为标准预测排放，因为卡拉布里亚的空气质量指数与蒙大拿州相近；二是使用欧洲工具 “Carbon reduction advantages on health（CaRBonH）” 检查在欧盟及相邻国家的益处，该工具分析二氧化碳减排，但由于地区相互关联，欧洲的健康益处是平均的。计算柴油火车和全电动火车的能量需求时采用牛顿运动方程，根据平均动力系统效率（柴油火车为 30%，全电动火车为 90%）计算总燃料和电力消耗。柴油火车的排放数据来自欧洲环境署，假设动力系统效率为 30%；全电动火车的电力假设来自意大利国家电网，平均排放为 0.224kg co2 eq /kWh，其他成分排放通过与加利福尼亚州比较计算，本研究中绿色氢的生成基于所有能源需求仅由可再生能源满足的前提，通过 PPAs 实现。
表3：设备位置和氢气需求。
氢基础设施用于氢生产：基于聚合物电解质膜（PEM）电解的零维模型，计算电解器的日容量、能量需求和功率。氢气在 200 巴的存储系统中压缩，考虑多阶段存储压缩机系统的功率需求和焓的计算。
气态氢存储和加注站：使用真实气体定律计算存储罐的内部压力，对于需要更高压力的 HRS，其加注压缩机系统的功率计算类似于上述公式，但考虑不同因素。对于 FCEV HRS，还考虑了氢冷却器的特定能量消耗。
液态氢存储和加注站：考虑传统的液态氢液化技术的三个阶段，包括从高压拖车中提取纯干氢气、低温冷却至接近 30K 以及使用节流阀扩展氢气至 20K。考虑氢蒸发损失和正 - 仲氢转换等复杂现象，其能量消耗基于从欧洲数据库获取的实验数据。
能量平衡：分析了氢基础设施中涉及的生产、存储和加注各阶段的能量流，包括电力驱动电解器、压缩过程中的能量消耗以及加注压缩机导致的能量消耗，对于液态氢基础设施，还考虑了液化过程的显著能量需求。
图5 根据模拟的氢需求的桑基图。
定义氢谷新概念：本研究聚焦于 “虚拟氢谷” 的全面考察，包括从氢生产到终端应用的多个方面，采用 “3E” 分析（能源、经济、环境），以提供关于在卡拉布里亚地区建立氢谷的优势和障碍的全面观点。利用 Matlab / Simulink 软件创建虚拟模拟环境，以研究不同场景下系统的性能，创新点包括利用铁路运输（特别是燃料电池混合动力列车 - FCHTs）进行氢分布，以及开发虚拟仿真环境。
图6。每条线通过fcht输送和运输氢，其氢需求量分别为20 %、40 %、60 %、80 %和100 %。
结构模拟工具：设计、建模和测试位于意大利南部卡拉布里亚地区的氢谷，分析其技术性能和经济参数。中心基础设施用于氢生产，放置在战略位置以满足整个山谷的氢需求。氢通过铁路运输分配到不同区域，以满足不同运输模式下的氢需求。考虑的移动终端用户包括：
燃料细胞电动汽车（FCEVs），加注基础设施为 700 巴；
燃料细胞叉车（FCFs），加注基础设施为 350 巴；
燃料细胞自行车（FCBs），通过双级减压系统在 30 巴的加注点；
燃料细胞电动公交车（FCEBs），加注基础设施为 350 巴；
燃料细胞电动渡轮（FCEFs），加注基础设施为 250 巴；
燃料细胞电动滑板车（FCESs），加注基础设施为 350 巴；
燃料细胞电动飞机（FCEAs），具有现场液化系统和 20K 的加注基础设施。
工具分为三个子系统，涉及轨道车辆和氢移动应用、氢基础设施以及环境经济分析，根据模拟逻辑级联工作。
图7 1 (a)、2 (b)、3和4 (c)和5 (d).的Fcht功率和速度配置文件
材料与方法
理论与计算
案例研究描述：以意大利南部卡拉布里亚地区的氢谷为例，研究其在移动领域的创新应用。氢气在拉梅齐亚泰尔梅的中央设施生产，然后通过五条火车线路分配到七个不同地点，以满足不同的移动应用需求。具体包括：
焦亚陶罗的 100 辆叉车，每天消耗 90 千克氢气，由 1 号线供应；
从维拉圣乔瓦尼到西西里的 10 艘渡轮，每天消耗约 295 千克氢气，由 1 号线运输；
雷焦卡拉布里亚市中心的 130 辆自行车，每天消耗近 5 千克氢气，由 1 号线供应；
科森扎市的 98 辆公交车，每天消耗约 170 千克氢气，由 2 号线提供；
卡坦扎罗的 130 辆滑板车，每天需要约 34 千克氢气，由 3 号线从拉梅齐亚运输；
克罗托内的 100 辆汽车，每天需要 500 千克氢气，由 4 号线运输；
拉梅齐亚机场的 5 架飞机，每天消耗近 2270 千克氢气，由 5 号线运送。
所需氢气量对应最大氢需求的名义场景，基于此研究了五种场景，名义需求对应 100% 场景，其他场景考虑需求波动和生产基础设施的部分负载运行，即生产氢气名义值的 20%、40%、60% 或 80%。
图8 FCHTs：氢气消耗量。
结果
能量效率：不同线路的 FCHTs 根据负载和轨道情况具有不同的能量和功率需求。例如，1 号线车辆在往返行程中停车 3 次，功率变化范围广，能量需求在加速时约为 1800kW h，减速时最大为 850kW h；2 号线在工业中心有一次停车，能量和功率需求低于 1 号线；3 号线和 4 号线合并考虑，整体线路有两次停车，能量需求较高；5 号线运输距离短，速度和加速度限制较多，能量值最低。FCHTs 在能量效率方面表现出色，不同线路和场景下的燃料细胞效率有所不同，例如 1 号线在 100% 场景下燃料细胞效率约为 50%，20% 场景下为 47%；5 号线在 100% 场景下效率最高，为 52%，20% 场景下为 49.5%。
图9。氢气基础设施，特定的能耗。
经济性能：集中式氢生产设施在不同 PPA 价格和生产场景下，LCOH 和 TCO 值有所变化。例如，在 PPA 价格为 50€/ MWh 且为氢谷所有车队服务（100% 场景）时，LCOH 最低约为 5.4€/kg，但在 PPA 为 250€/ MWh 且生产仅为车队名义容量的 20% 时，LCOH 会超过 20€/kg。TCO 在 RES PPA 价格低于 160€/ MWh 且生产为全名义容量时，可达到低于 10€/km 的竞争力水平，与欧盟近期分析的 TCO（12€/km）相比具有竞争力，且接近柴油火车（8.8€/km），优于全电池电动火车（14.8€/km）和可能的新架空线电气化（44.9€/km）。不同设施的 HRS 经济性能也不同，例如叉车 HRS 的 COH 在 RES PPA 价格为 50€/ MWh 时从 6.15€/kg 变化到 250€/ MWh 时的 8.45€/kg，在某些场景下可高达 12€/kg 甚至 17€/kg；自行车 HRS 在特定条件下 LCOH 可低至 4 - 6€/kg，否则会大于 8€/kg；FCEV HRS 在最乐观场景下 LCOH 接近 5€/kg；FCEAs HRS 在车队份额转换超过 60% 时表现良好。
图10。氢基础设施，每日能源消耗：氢集中生产(a)和液化系统，以及其他设施(b).
环境效益：与柴油火车和全电动火车相比，氢火车在减少排放和健康效益方面具有优势。柴油火车的排放尤其是 NOx 排放显著，每年约为 29 吨；全电动火车的排放低于柴油火车，但仍高于 FCHTs，其 NOx 年排放最大为 0.385 吨。在二氧化碳当量排放方面，柴油火车和全电动火车分别为 3.2ktons / 年和 0.4ktons / 年。在健康效益方面，与柴油火车相比，FCHTs 在系统寿命 15 年内的健康效益为 5100 万欧元（包括等效 CO₂排放）；与全电动火车相比，FCHTs 的健康效益为 0.05 - 0.114 百万欧元（不包括等效 CO₂排放），包括等效 CO₂排放时为 0.548 百万欧元。
图11。集中式H2生产中心：LCOH级别(a)和TCO级别(b).
结论
提出了意大利南部卡拉布里亚地区虚拟氢谷的 3E 分析，该氢谷在经济、环境和效率方面具有竞争力，鼓励了 “氢谷” 的发展，以突出氢在环境转型过程中的使用潜力和对移动活动的兴趣。
图12。叉车HRS (a)、渡轮HRS (b)、自行车HRS (b)和巴士HRS (d).的LCOH水平
对基于氢能源载体的移动技术性能进行了分析，包括氢燃料电池汽车车队的管理和氢的分布，并对氢分布和加注基础设施作为有益于多种移动用途的能源载体进行了经济分析，具体研究了氢的平准化成本如何随车队规模和通过购电协议（PPAs）获取的可再生能源价格的变化而波动。
首次对铁路氢运输系统的概念进行了全面分析，包括能源、经济和环境方面，为企业和政府机构在氢设施设计、建设、分布和环境性能方面提供了方法和初步结果。
图13 小型摩托车HRS (a)、车辆HRS (b)和飞机HRS (c).的LCOH水平
