2018年1月2日 星期二

「低碳交通」十一:從減重到製氫,軌道節能心法大公開

"今日軌道列車不只可以節能,還能自產電力,甚至提供熱能、氫氣等多種環境友善能源。"
圖&文鄭羽哲(台灣鐵道暨國土規劃學會理事)
為抑制運輸部門成長未歇的排碳狀況,鼓勵民眾搭乘大眾運輸、尤其是軌道系統,成為各國政府的必備作法。不過,筆者曾在之前文章提到,軌道系統必須有一定程度的班次和載客量,才能真正發揮節能效益。這次就讓我們來了解,已經應用超過40年的軌道運輸體系,如何運用技術榨取更多能源、提升更多效率?


起手勢:先從「減重」開始吧!
 第一個節能手段不難猜,就是先從「減重」開始。
 傳統鐵路常行駛在與路面交織的複雜環境,所以列車結構須具備一定強度,才能在發生事故時保障車內乘客安全。不過,捷運、或完全立體化的鐵路,因為軌道路線已完全和其他交通系統隔離,也以更先進的號誌系統保持間距,有效降低列車間發生衝撞的機率。加上材料技術的進步,自1970年代開始導入鋁合金後,大幅降低列車的重量;近年,更輕量化的複合材料也成為列車製造材料,諸如此類的減重方式,都能幫助列車減少耗電。
和其他交通載具如出一轍,軌道節能的第一步驟,就是想辦法替車子減重。
心法二:「回收」電力、而且存起來
 再來,由於軌道是量體很大的運輸系統,從啟動、加速、到減速、煞停,都必須進行大規模的能量轉換,有人想到,可否從列車減速的過程中,將原本要抵銷的動能轉換為電能,並將之回收再利用,因而發展出所謂的「再生式電力煞車」(Regenerative Braking),將煞車動能轉為電能,回收電能產生後,列車再將電力送回電網、提供給運轉中的列車使用。依據先進國家實施經驗,電力煞車約可回收30~40%的電能,是目前相當重要的軌道節能技術。
 不過,上述方式受到同時間用電的列車密度影響,一旦列車行走密度較低,縱使回收電力回饋到電網,能被再利用的比例就比較不穩定。因此發展至今,許多國家不只要求列車導入再生式電力煞車,也呼籲電網做更多的改善,如將再生電力蒐集至儲能設備、或導入場站供電系統,避免浪費。
不管是列車或電梯等裝置,甚至電動車,都能透過煞車蒐集回生電力。
新招式:太陽能+燃料電池
 演進到1990年代,軌道系統還多了「交流電動機變壓變頻」(VVVF)技術,可讓列車更有效率地加速,並且配合再生式電力煞車回收電力,更為提升整個系統的能源使用效率。

 經過車廂輕量化、再生式電力煞車、搭配VVVF技術、配合空調與燈光系統的改善,新一代的軌道列車已經不可同日而語。以鋼輪鋼軌的捷運系統(或通勤鐵路系統)為例,平均每一車廂行駛一公里的耗電量,幾乎都可控制在2~2.5度之間,常被當成標竿的東京地鐵,每車廂跑一公里僅需1.9度電。
 談了這麼多節能手法,更有人把腦筋動到如何「開源」?

 一般說來,高架化的車站,都有屋頂搭建太陽能板自行發電。但是,曾遭遇311大地震而陷入缺電危機的日本,目前多以太陽能系統配合「燃料電池」進行儲能,把太陽能在白天發的電,用來將水電解成氫氣與氧氣,再把氫氣存起來,而燃料電池發電時產生的「溫水」,供應給車站內的長椅暖座、加熱,一旦發生在緊急情況,燃料電池內的「氫氣」,也能產生電力給緊急照明與通訊裝備。

 總之,經過多年的實戰演練,今日軌道列車不只可以節能,還能自產電力,甚至提供熱能、氫氣等多種環境友善能源,希望這些技術往後都能在台灣的運輸系統上慢慢看見。
【作者簡介】
鄭羽哲,畢業於臺灣大學土木研究所交通組,從小開始和交通工具打交道,長大之後從求學到工作都沒有離開交通運輸的領域,後來實踐加入公共運輸的推動者與實踐者。自己著有小小的部落格「fabg's 航空.軌道.交通生活」,觀察公共運輸系統的發展,現在也是「台灣鐵道暨國土規劃學會」理事,持續緊密關心公共運輸與社會發展的脈動與變化。
【延伸閱讀】
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