美國勞倫斯伯克利國家實驗室的一項研究表明，電池電動火車如何為美國帶來環境正義、成本節約和復原力。在美國，火車長期以來一直處於電氣化努力的邊緣，因為它們只佔交通部門排放量的2%，但柴油貨運列車每年排放3500萬噸的二氧化碳，併產生空氣污染，導致65億美元的健康成本，估計每年有1000人過早死亡。更重要的是，這些死亡和不利的健康影響不成比例地影響到弱勢和低收入社區，這些社區更有可能位於貨運鐵路場和鐵路附近。
最近，電池價格的大幅下降為貨運列車的電氣化創造了新的可能性。美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（以下簡稱伯克利實驗室）的研究人員與加州大學洛杉磯分校和加州大學伯克利分校的研究人員合作，提出了美國可以用電池改造柴電列車的理由，這種方式在成本上與柴油有競爭性。這樣做將避免這些不必要的死亡和健康影響，並通過減少空氣污染和二氧化碳排放在20年內為美國貨運鐵路部門節省940億美元。他們的研究最近發表在《自然-能源》雜誌上。
伯克利實驗室的科學家和該研究的主要作者Natalie Popovich說：“貨運鐵路部門的快速轉換不僅在技術上是可行的，而且具有成本效益，它將為低收入社區帶來直接和持久的健康和經濟利益。而且它將為我們國家遏制氣候變化的努力提供助力，特別是考慮到美國的貨運鐵路能力預計到2050年將翻倍。”
火車在整個美國的貨物運輸中發揮着重要作用，特別是煤炭、木材和礦石等重型貨物。根據美國聯邦鐵路管理局的數據，美國28%的貨物是通過鐵路運往全美各地的，而且這一比例預計在未來幾十年內將大幅增長。在最近舉行的2021年聯合國氣候變化大會上，美國與其他十幾個國家一起簽署了新的協議，以減少運輸排放，而鐵路貨運的零排放解決方案將是該承諾的一部分。
與世界上其他幾個地區不同，美國所有的貨運列車仍然是柴油-電動的，這主要是因為典型的電氣化戰略，即在軌道上建立電氣化的線路，在距離遙遠的美國很難實施。在柴電列車中，柴油發動機與交流發電機相連，然後向連接到機車軸的電動機供電。因此，將列車改裝成由電池供電是可行的，因為內燃機車已經有了一個電動機。
該研究的通訊作者、伯克利實驗室的科學家Amol Phadke說：“電池技術的巨大改進，加上美國主要的柴電貨運列車中現有的電力傳動系統，為快速轉換為電池-電力貨運鐵路鋪平了道路，並節省了大量成本。此外，與電動汽車或卡車相比，電池的重量也不是一個制約因素。我們可以在使用電池的貨運列車上增加一輛車，而電池車的重量對列車來說不是一個問題。”
柴油-電動火車從20世紀20年代就開始出現了，它們在20世紀30年代開始取代蒸汽火車，因為它們性能更好，污染更少。當時，由於電力成本高，使用柴油機為火車上的電機發電比試圖開發全電動火車要便宜。一個世紀后的今天，美國正處於電價與柴油機競爭的階段，繼續依賴柴油機為貨運列車提供動力的環境和健康成本太具有破壞性，不容忽視。
Popovich說：“我們的分析表明，改用電池電動貨運將使該行業每年的二氧化碳排放量減少一半以上，在20年內消除超過4億噸的二氧化碳。”
該研究強調，美國貨運列車的電氣化還存在其他途徑，如通過架空電力線使列車電氣化，或使用氫燃料電池與電池供電的列車相結合。然而，基於貨運列車已經是柴電合一的事實，並考慮到電池技術的最新進展，研究人員表明，電池-電力途徑提供了最具成本效益的長期解決方案，並具有多種附加效益。
他們的分析表明，現有的電池技術可以為一列貨運列車提供150英里的動力（平均每天行駛的距離）。電池供電的貨運列車將使用柴油電動列車所需能量的一半，考慮到電池價格下降和柴油的環境成本，電池電動列車有望比柴油電動列車更具成本競爭力。由於貨運鐵路的規劃是集中的，該研究表明，鐵路可以實現快速充電基礎設施的大量使用，這將進一步減少成本。
將現有的柴電貨運列車改裝成電池車的一個主要好處是，電池電動列車可以始終依靠柴油發動機作為備用燃料。這種雙燃料能力，允許使用電池或柴油，與完全電氣化的貨運鐵路系統或使用氫燃料電池相比，是一個獨特的優勢。
模塊化電池提供彈性的好處
另一個主要好處是，電池電動列車可以作為清潔的備用電源，從而加強電網的彈性。歷史上，柴電列車一直被用作緊急情況下的發電裝置。1998年初，一系列的冰風暴導致美國東北部和加拿大部分地區超過一百萬人停電。在蒙特利爾的一個郊區，市長將整個內燃機車移到市政廳附近，為他們的應急行動提供電力。
隨着極端天氣事件和停電事件的增加，電池電動火車有可能被部署到全美各地，以避免停電。這些模塊化的電池車可以被運送到需要的地方，並在電價低的地方充電，因此與電網規模的存儲相比具有明顯的優勢。此外，電池車可以作為模塊化的航運集裝箱，能夠在貨運鐵路和海運船隻之間交換，對這兩個部門的去碳化和擴大復原力範圍有積極的好處。
Phadke說：“將美國貨運鐵路部門轉換為電池-電力部門將產生約220千兆瓦小時的移動存儲。此外，這些電池車可以在極端事件中部署，例如在最近加州的災難性野火或2021年德克薩斯州的冬季風暴中，導致數百萬人無法獲得電力。這種移動儲能能力也將為貨運鐵路運營商創造一個潛在的新收入來源。”
從技術角度來看，研究人員證明了向全電池電動貨運列車發展應該沒有任何限制，但需要進一步研究和大規模示範項目來優化充電基礎設施。“伯克利實驗室的系統和市場分析揭示了這一被忽視的領域，並證明我們可以用現有的技術使一些部門脫碳，這將幫助我們更快地實現我們的氣候目標，同時也推進了環境正義和電網復原力。這是一個三贏的局面，”伯克利實驗室儲能中心主任Noel Bakhtian說。“對電池電動貨運列車的技術經濟分析表明，我們有可行的解決方案，可以實現向清潔、可負擔和有彈性的未來能源的過渡。”