现代有轨电车混合动力技术优势与经济性分析

从车辆制造成本、线路综合建设成本、运营成本、维护维修成本等方面对几种有轨电车进行运行经济性综合比较。假定车辆相关参数均一致，其中，运营成本分析中针对采用电力、柴油、氢气（燃料电池）作为牵引能源的轨道车辆进行了对比。

（1）车辆制造成本比较 几种有轨电车的车辆制造成本比较如表1-7所示。

表1-7 几种有轨电车的车辆制造成本比较

（2）线路综合建设成本比较 假设建设20km的有轨电车线路1条，配备40列有轨电车运行。

接触网式有轨电车：为保证有轨电车线路运行电力供应，可以采用集中式供电或分散式供电方案，集中式供电可从110kV城市高压电网经主变电所降压至35kV供有轨电车系统使用，集中式供电电压等级高，供电可靠，供电距离长，谐波治理简单，但是建设投资高。分散式供电不设置城轨专用主变电所，有轨电车供电通过建设分散式开闭所从10kV城市电网获取备用供电容量，为有轨电车系统供电。经主变电所或分散式开闭所获取的电力再经过牵引变电所提供给DC750V牵引供电网，用于驱动电车行驶。平均约2km需要建设一个牵引变电所。综合考虑供电变电所、牵引变电所、架空接触网等牵引供电系统的必须的建设成本，供电系统线路及设备等造价约为1000万-1300万元/km，有轨电车牵引供电系统平均造价约为2000万-3000万元/km，该部分费用包括供电相关站房、接触网、设备、迁改土建等费用。

第三轨供电现代有轨电车：底部需安装受电靴，在车辆运行过程中，在车辆运行至某一段授电轨上方时，该授电轨处于带电状态，从而为车辆供电。而其他授电轨均处于未带电状态，以保证其他车辆和行人的安全。车辆前进过程中，不断切换授电轨的工作状态以满足车辆连续受电的需求。因此，需要沿线铺设切换装置，而使牵引供电设备、土建等成本增加约4000万元/km。列车上除了具备受电靴，往往还要配备储能装置，以备授电轨出现故障不能正常授电时电车可以正常行驶，因此，每列电车成本会增加300万元左右。目前世界上采用第i轨供电的线路已应用的有法国波尔多有轨电车，规划设计中的有法国兰斯、昂热、奥尔良、巴西巴西利亚、阿联酋迪拜等城市的有轨电车。

感应式供电现代有轨电车：将电缆回路预先埋设在轨道结构下方，车体安装有耦合线圈。由于沿途铺设感应线圈，折合牵引供电设备、土建等成本增加5000万元/km左右。车上除了布置受流感应线圈之外，还需安装超级电容等储能设备，因此每列电车成本增加500万元。

储能式有轨电车：需要在每列车上增加超级电容或动力电池、双向变流器、能量管理装置等设备，因此每列车造价增加约300万元。同时，由于电车采用进站快速充电方式，每个车站需要增加快速充电装置，牵引变电所也需要做出相应调整，甚至可能需要每个车站配置一个牵引变电所，满足快速充电的大电流需求，车站需要更大的占地面积来放置变电装置和充电设备。因此，土建和设备增加了线路的建设投入，相应投入增加按照500万元/km计算。目前世界上采用超级电容供电的有轨电车为西门子的AVEINO系列有轨电车和西班牙卡福公司的有轨电车等。AVEINO系列有轨电车通常情况下一次充电后在线路条件较好的情况下可运行最长约2.5km的距离，该系列有轨电车在葡萄牙里斯本的有轨电车电车线路上得以应用。

燃料电池混合动力有轨电车：无需牵引供电系统，可以节省线路投资。但如果每列燃料电池有轨电车上需要配备300kW的燃料电池系统、储氢系统、超级电容系统，每列车的成本会增加500万元（按量产价格估计）。整条线路上需要配备一个制氢加氢站，根据容量计

算，建设制氢量为3000Nm3/h的制氢站即可满足50列燃料电池运行需求。氢气来源可根据条件选取副产氢、电解水、天然气重整、甲醇裂解等多种来源，此处根据目前甲醇裂解一变压吸附(PSA)制氢厂的工程造价，3000Nm3/h甲醇裂解制氢厂投资约2000万元，占地面积lOOOm2，包括甲醇裂解、变压吸附等设备，加氢设备包括氢气压缩机、高压储氢罐等，投资约1000万元，考虑征地拆迁等费用，制氢、加氢厂总投资约5000万元。燃料电池有轨电车目前尚无商业运营方面的应用。

基于以上假设条件的几种有轨电车系统建设成本比较如表1-8所示。

表1-8 几种有轨电车系统建设成本比较ⓐ

注：ⓐ每列有轨电车按3编组，配置两套混合动力系统进行对比分析。

ⓑ基建投入按1亿/km计算。

ⓒ上表中燃料电池有轨电车的整车价格是按照国产化、量产价格考虑，整个燃料电池混合动力系统预计会在500万元左右，即在储能式有轨电车基础上增加2套燃料电池系统（100万元/套）。

ⓓ一条有轨电车线路只需建设一个制氢加氢站，制氢量3000Nm³/h即可满足需求，设备总投资约5000万元。

从上表的对比可以看出，燃料电池有轨电车虽然增加了燃料电池动力系统、储氢系统、超级电容系统等，使得每列有轨电车的初期投入成本增加了500万元。但是，由于建设制氢加氢站点的投入远远低于牵引供电系统的投入，使得燃料电池有轨电车线路的初期投资远低于无接触网电车线路，略低于现有接触网式有轨电车线路初期投资，具备较强的市场竞争力。

（3）运营成本比较

1）不同动力源轨道车辆的经济性对比分析。以目前唐山公司研制的3模块燃料电池有轨电车为研究对象，按其最高速度60km/h，列车在两个站点之间行驶了1.5km，速度与行驶里程曲线如图1-5所示。

图1-5 速度与行驶里程曲线

对于接触网式轨道车辆，在制动过程中，牵引电机转变成发电机网接触网馈电，如果没有其他列车吸纳回馈至电网的电能，会造成网压抬升，网压抬升到一定程度时，制动电阻切入以吸纳制动能量，避免网压过高。而燃料电池混合动力轨道车辆在制动过程中会利用制动能量为超级电容充电，使得能量效率有所提高。对于以上计算，列车加速到60km/h到制动停车，行驶1500m过程中，燃料电池有轨电车消耗总能量为5.36kW·h，接触网有轨电车消耗总能量6.85kW·h。经折算，燃料电池有轨电车能耗为3.57kW·h/km，接触网有轨电车能耗为4.57kW·h/km。

通过折算，燃料电池轨道车辆的氢耗量为2.13Nm³/km。如果以天然气蒸气转化制氢，按1.6元/Nm³成本计算，考虑其他成本和利润，用氢成本按照2.0元/Nm³计算，燃料电池有轨电车运行成本为4.26元/km。

如图1-6所示，对于接触网式轨道车辆，电价按照0.75元/kW·h计算，接触网式轨道车辆运行成本为3.43元/km。

图1-6 两种有轨电车运行能耗对比

如果考虑电车采用柴油机驱动，柴油机发电之后通过电力传动驱动电车行驶，对于后级电力部分的能耗与接触网有轨电车是相同的，能耗依然是4.57kW·h/km。柴油机组发电油耗一般都会超过200～300g/kW·h，以200g/kW·h计算，密度按0号柴油0.835kg/L计算，按0号柴油价格5.9元/L计算，如果使用柴油机驱动电车，运行成本为6.46元/km。

从以上比较可以看出，采用柴油机驱动的轨道车辆成本最高，采用电网驱动的轨道车辆成本最低，燃料电池使用氢气驱动的轨道车辆成本比电网驱动的轨道车辆成本略高。

不同动力源每公里运行成本排序：电网驱动<氢气驱动<柴油机驱动电车。

其中氢气驱动方式的能耗是电网驱动式能耗的1.24倍。

2）几种有轨电车的每日运营成本对比分析。有轨电车行驶中峰值功率可达500～600kW，但低功率运行和停车时间较多，平均功率比较低。以每列车平均功率125kW计算，按照中等运量40列车、平均运行速度25km/h、每天电车运行时间15h计算，线路列车总功耗为5MW。接触网、储能式、第三轨三种有轨电车线路电能损耗可忽略，感应式有轨电车会有约5%的感应损耗，每日能耗会相应增加。

燃料电池有轨电车线路如果采用甲醇裂解制氢路线，每吨甲醇可以制得氢气187kg。目前甲醇的市场价格在2800元/t上下浮动，考虑甲醇裂解-PSA制氢过程的成本，甲醇裂解制氢成本约为2.0元/Nm³左右。(www.xing528.com)

几种有轨电车的每日运营成本比较见表1-9。

表1-9 几种有轨电车的每日运营成本比较

注：根据有轨电车功耗，燃料电池有轨电车的氢气消耗量为3000Nm³/h，并且城轨牵引用电电价按照0.75元/kW·h估算。

从表1-9的比较中可以看出，燃料电池有轨电车运营成本与其他牵引供电系统的有轨电车相差不大。燃料电池电车线路每日运行成本增加2600元，电车运行30年共增加成本约2600万元（330天/年），远低于节省的先期投资（1.5亿）。

此外，表1-9中接触网、储能式、第三轨、感应式供电方式均未计及电力传输过程中的损耗，这部分能量损耗也是不容忽视的。而氢能直接用于有轨电车，是一种更为直接、高效的供能方式。

相信随着后期氢能源产业链的发展，燃料电池有轨电车的运营成本还将进一步降低。

3）利润分析。由于缺乏相应数据，此处根据以下假设进行大致估算：

①以前述20km、40列有轨电车线路运行30年来计算。

②接触网式有轨电车需要更换必要器件，每年维护费用按照5万元/列估计。

③第三轨和感应式有轨电车需要更换必要器件，缺乏相应数据，每年维护费用按照10万元/列估计。

④储能式有轨电车中储能电池循环寿命有限，按照每天10次深充深放循环计算，动力电池使用寿命约为3年，动力电池全部更换，费用约为200万元，每年维护费用折合70万元/列。

⑤储能式电车和燃料电池电车按照每3年一个大的维护周期、每6年进行混合动力系统更换计算。

⑥以有轨电车运行寿命30年计算，每列燃料电池有轨电车动力系统初始投入500万元，考虑其他部件更新，每年维护费用为80万元/列。

⑦假设有轨电车线路建设全部依靠银行贷款，作为公共基础设施投资，贷款利率按照5%计算，贷款30年，每年支付利息为本金的6.44%。

⑧按照每列车每年运行330天、每天运行20班次、平均载客350人、票价2元计算，年收入693万元/列。

全寿命周期成本比较如表1-10所示。

表1-10 几种有轨电车的全寿命周期成本比较

注：ⓐ收入是指车票收入扣除列车维护费用之后的数值。

ⓑ利润仅为收入扣除利息，其他运营成本相同，并纳入计算。

从以上的对比可以看出：

①银行贷款利息在有轨电车线路成本构成中所占比例甚大。

②燃料电池有轨电车无需建设牵引供电系统，线路建设成本降低。

③燃料电池系统虽然运营过程中需进行膜电极更新，维护成本更高，但是初期投资小，贷款利息低，反而盈利能力更强。

因此，由于燃料电池有轨电车系统初期投资相比第三轨、感应式和储能式等无牵引接触网系统低，燃料电池有轨电车全寿命周期经济性比其他无牵引接触网有轨电车系统更强，盈利前景更好。

（4）寿命及运维成本比较 以上建设成本和运营成本比较未考虑各项技术的使用寿命、运营维护等因素。由于目前各种技术路线的技术成熟度存在差异，缺乏几种技术维护成本、寿命等关键数据，无法进行全生命周期比较。现根据各项技术特点进行定性分析：

接触网有轨电车：使用范围广，技术成熟度高，设计使用寿命一般达到20～30年，使用过程中需要进行定期维护，受电弓等易磨损部件需要定期更换，接触网经过长期磨损之后，出现磨损严重的路段也需要更换。

储能式有轨电车：使用动力电池和超级电容作为储能部件，超级电容作为物理储能元件，充放电寿命长，可达50万次以上。但是，随着工作年限的增加，线路接头、导线等老化，为防止安全事故，也需要定期维护。相对而言，动力电池的循环寿命要低得多，目前循环性能最好的钛酸锂电池成组后也仅为6000次左右，而且，寿命会随着充放电倍率的增大大幅衰减。

移动第三轨有轨电车：由于其授电轨需要一系列切换装置频繁动作，且牵引供电电流达数百安培，其切换装置也存在使用寿命和可靠性的问题。同时，为防止保证系统可靠性，电车上也需要配备动力电池和超级电容等储能设备，同样存在使用寿命的问题。

感应式有轨电车：也需要用到移动第三轨电车相似的切换装置，且电车上也需要配备动力电池和超级电容等储能设备，同样存在使用寿命的问题。

燃料电池有轨电车：燃料电池电堆存在使用寿命问题，目前国际最好水平是巴拉德公司的燃料电池大巴车，经过15000h，燃料电池电堆性能衰减10%左右。随着运行工况、空气质量恶化，电堆寿命会更快衰减。电堆成本占据燃料电池系统成本的一半左右。随着技术的发展，电堆会朝着更换膜电极的方向发展，会提升燃料电池电堆使用年限。燃料电池系统中，空压机、增湿器、水泵等转动部件相对容易损坏，存在使用寿命问题。电车上也需要配置超级电容、动力电池构成混合动力，同样存在寿命问题。

总体而言，基于接触网的有轨电车技术成熟，使用年限长，经济性好。几种非接触网有轨电车技术成熟度存在差异，运行维护和经济性等需要经过实际线路运行考核，比较合理的方案是采取局部路段无接触网运行。燃料电池有轨电车可实现全线无接触网运行，但目前尚无正式运营线路，可靠性、寿命、运行维护成本等尚需通过实际线路运行验证。