電動火車

為了減低碳排,各國紛紛開始推廣電動車。而近期,美國大型鐵路公司表示將購買電池驅動的火車頭和充電系統,以此控制碳、柴油排放,同時保持燃油效率。但要讓火車電動化也並非這麼容易,仍有不少難題和挑戰需要解決。一般電動車的續航力一直都是大家討論的重點之一,面對又大又笨重的火車,鋰電池真的能夠撐得住嗎?

電動火車採購金額創世界紀錄

美國聯合太平洋鐵路公司(Union Pacific Railroad)近期表示,將花超過 1 億美元(約新台幣 28 億元),跟 Wabtec、Caterpillar 公司旗下的 Progress Rail 購買 20 台電池驅動的火車頭以及充電系統,而和同類採購相比,是迄今為止世界最大的一筆。

2023 年起,這些火車將在加州和內布拉斯加州的貨運場周圍牽引汽車,預計每年可減少 8000 噸碳排放量,並提高運輸效率。美國聯合太平洋鐵路公司計畫透過電動火車,到 2030 年時,可以減少 26% 的溫室氣體排放量

但外媒 Forbes 也指出,2019 年儘管美國約有 40% 的貨物由鐵路運輸,但其排放的溫室氣體不到 2%,而卡車則佔 24%,顯示火車本身已是對環境較為友善的交通工具

此外,若用電力改造美國現有的柴油火車,未來 24 年內亦能節省約 940 億美元(約新台幣 26,760 億元)的燃料成本。 

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自動電動火車指日可待?

另一家由前 SpaceX 工程師創立的公司 Parallel Systems,則計畫建造相對較小的電池驅動的火車,可自動運行,並用於短途貨運

Parallel Systems 會設計 10 到 50 個由電力發動車廂,並由分佈式電池組供電,而這些車廂將作為現有貨運鐵路上傳統火車的補充。

汽車或卡車常會面臨道路上突如其來的意外,相比之下,鐵路的狀況較易掌握。因此,該公司打算利用 Wabtec 和 Progress Rail 製造的安全技術「主動列車控制系統(Positive Train Control, PTC) 」來實現火車自動化。

主動列車控制系統能讓監控鐵路的操作人員知道火車的精確位置,確保一次只有一列火車在特定區段運行,且這項技術現已用於美國所有貨運和客運鐵路。而 Parallel Systems 也將在這套系統中添加電腦視覺(computer vision)和傳感器

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到底該怎麼幫火車頭充電?

然而,現階段實現全電動火車還有一段距離。一方面在於還需測試電池系統,讓其達成火車頭的質量和功率要求,一方面則是要思考火車的充電問題

目前,聯合太平洋鐵路公司與 Wabtec 訂購​​了配備 2.5 兆瓦/時電池的火車頭,但不確定鋰離子電池是否在接上 150 多個車廂並行駛長途路線仍能承受。

充電的部分,Wabtec 表示會提供插入式充電,而 Parallel Systems 則是正開發可置於火車軌道間,並連接軌道、火車下方的充電板。

加州大學洛杉磯分校的研究指出,貨運火車多行駛 1000 英里(約 1600 公里)以上,但每隔 150 英里(約 240 公里)就會停下來換班。若在這些地點架設充電站,由於不在城市裡,所以可降低不少成本;而充電站的建設其實佔初始成本很大一部分,因此這是一大優勢。

另一種可行方式,則是運用火車駛下坡時所捕獲的能量充電。配備高功率電池的火車可利用再生制動(regenerative brakes)充電,即每一次踩煞車、減速產生的大量動能,都能為電池充電。

Wabtec 曾進行測試,結果下坡時再生制動為電池充了 20% 的電,而火車在沒有充電的情況下行駛了 350 英里(約 560 公里)

這套系統其實近似於混合動力汽車(hybrid car)充電的制動系統,若能結合此運作系統,便能減少所需的充電站數量。

參考資料:ForbesDigital JournalWired。圖片來源:Shutterstock