《Fuel》：Decarbonizing rail transport with green hydrogen: Techno-economic and environmental insights into alternative propulsion systems
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实现欧洲联盟脱碳目标需要铁路向低排放推进系统快速转型，特别是在非电气化线路上柴油牵引仍占主导地位的情况下。研究人员以葡萄牙区域客运铁路为对象，探究绿氢燃料电池列车（H2-FCT）作为直接电气化及传统柴油替代方案的可行性。研究针对四条代表性
实现欧洲联盟脱碳目标需要铁路向低排放推进系统快速转型，特别是在非电气化线路上柴油牵引仍占主导地位的情况下。研究人员以葡萄牙区域客运铁路为对象，探究绿氢燃料电池列车（H2-FCT）作为直接电气化及传统柴油替代方案的可行性。研究针对四条代表性铁路线路，评估了绿氢生产与加注以及线路长度、服务频率等运行参数下的可行性、成本效益与环境表现。技术经济评估显示，H2-FCT情景的年运营成本为5.14 M�（0.091 �/乘客-公里），而完全电气化线路为18.12 M�（0.之目的32 �/乘客-公里）。从环境角度看，生命周期分析表明两种情景相对柴油运营均能实现温室气体排放的大幅削减，H2-FCT情景每年可避免6,142吨CO2（0.109 kg CO2/乘客-公里），而电气化可实现每年进一步减排7,160吨CO2。尽管电气化与氢能推进均为可行的脱碳路径，氢燃料电池列车展现出更显著的综合经济与环保优势，尤其在低运量区域线路上。这些发现凸显了绿氢在推动可持续铁路运输及引导政策制定以实现碳中和出行方面的战略作用。
全球能源系统正面临气候变化与能源需求增长的双重压力，运输部门已成为实现可持续 mobility 的关键领域。铁路作为低碳运输方式，在欧盟能源消费持续增长背景下，其脱碳进程对实现气候目标至关重要。葡萄牙虽制定了雄心勃勃的2050年净零排放路线图，但区域铁路仍大量依赖柴油牵引，非电气化线路面临技术经济性挑战。在此背景下，研究人员开展了一项针对葡萄牙四条典型区域铁路线路（East Line、West Line、Line of Alentejo、Line of Douro）的综合评估研究，旨在比较氢燃料电池列车（H
2-FCT）、电气化列车与传统柴油列车的技术经济性与环境表现，为区域铁路脱碳策略提供决策支持。该论文发表于《Fuel》期刊。
研究采用生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）与技术经济分析相结合的方法框架。技术经济性方面，涵盖资本支出（CAPEX）与运营支出（OPEX），计算平准化氢成本（Levelized Cost of Hydrogen, LCOH），并以每乘客-公里成本作为功能单位进行标准化比较。环境评估基于SimaPro软件平台，采用ILCD 2011 Midpoint方法，以全球变暖潜势（Global Warming Potential, GWP）为核心指标，建立从摇篮到坟墓的系统边界，涵盖燃料生产、基础设施建设、列车运营、维护及报废处理全阶段。研究设定三种情景：H
2-FCT情景配置质子交换膜（Proton Exchange Membrane, PEM）电解槽与氢气加注站（Hydrogen Refueling Station, HRS）；电气化情景采用葡萄牙国家电网供电，单位成本基于葡萄牙实际电气化项目数据；柴油情景作为基准参照。氢气生产电力通过光伏购电协议（Power Purchase Agreement, PPA）供应，并引入未来情景敏感性分析（2025年与2050年对比）。
**成本分析结果**
平准化氢成本与基础设施投资：研究为四条线路分别设计了总计7.2 MW的分散式PEM电解系统，年产能约932吨H
2。LCOH
tp（项目总平准化氢成本）为5.62 �/kg H
2，其中电力采购与电解环节为主要成本驱动因素，分别贡献2.8 �/kg H
2和4.58 �/kg H
2。HRS压缩存储环节占比较小。
年度运营费用比较：H
2-FCT情景年运营成本为5.14 M�，低于柴油情景的6.19 M�（含碳税）和电气化情景的18.12 M�。每乘客-公里成本方面，H
2-FCT为0.091 �，较柴油（0.11 �）降低17%，而电气化高达0.32 �，为氢能方案的3.5倍。若不计碳税，柴油与氢能成本接近，显示碳定价机制对氢能经济性的关键影响。
**环境绩效结果**
生命周期GWP比较：柴油情景年排放9,360吨CO
2（166 g CO
2/乘客-公里），为最高；H
2-FCT情景降至2,460吨CO
2/年（43.6 g CO
2/乘客-公里），减排74%；电气化情景最优，为2,201吨CO
2/年（39.1 g CO
2/乘客-公里），减排76%。电解环节占H
2-FCT情景排放的73%，为主要贡献源。若电气化采用PPA供电，年排放可骤降至约9吨，凸显电力碳强度对结果的敏感性。
**敏感性分析与未来情景**
基于IRENA预测（电解能耗降至42 kWh/kg H
2）和葡萄牙电网90%可再生能源占比目标，2050年情景显示：H
2-FCT成本降至0.060 �/乘客-公里，GWP降至43.7 g CO
2/乘客-公里；柴油因燃料价格上涨与碳税增加（230 �/t CO
2）成本攀升至0.174 �/乘客-公里；电气化成本基本不变（0.320 �/乘客-公里），但GWP降至25.1 g CO
2/乘客-公里。
**线路特异性评估**
逐线分析揭示：Douro线路综合效益最显著，氢能可减少年运营成本0.43 M�并避免2.8千吨CO
2排放，每乘客-公里成本从0.045 �降至0.037 �；West Line年节省0.31 M�，减排1.3千吨CO
2；Alentejo线路节省0.18 M�，减排0.6千吨CO
2；East Line虽绝对量最小，仍具成本与排放改善。所有线路均呈现氢能优于柴油、远优于电气化的经济性，而电气化在排放控制上略胜一筹。
**讨论与结论**
研究讨论了多重关键因素。成本结构方面，电气化初期基础设施投资（0.87–1.36 M�/km）导致其全生命周期成本居高不下，而氢能基础设施的模块化特性降低了资本密集度，尤其适合低运量区域线路。环境影响的电源敏感性显著：氢能方案因采用PPA绿电而实现低排放，电气化则高度依赖电网碳强度，当前葡萄牙电网结构（约19.8%天然气、3.2%其他化石燃料）限制其减排潜力。技术经济性权衡显示，氢能在非电气化线路上具有"最低 regrets"特性——无需大规模线路改造即可实现显著减排。方法论层面，研究排除电池电动列车（BEV）与生物柴油路线，前者因温度敏感性不适于葡萄牙气候条件，后者受限于生物质资源竞争与排放不确定性。
研究结论可概括为以下要点：LCOH
tp为5.62 �/kg H
2，电力与电解为主要成本构成，系统可于20年内实现财务平衡；H
2-FCT较柴油减排约74%，年运营成本5.14 M�，每乘客-公里成本0.091 �；电气化虽减排76%但成本高昂（0.32 �/乘客-公里），且需补充能源部门脱碳方能完全释放环境效益；2050年氢能成本预计降至0.060 �/乘客-公里，年运营费用降至3.25 M�；碳税显著影响技术竞争力，当前72 �/t CO
2水平下氢能已具优势；线路评估证实Douro线路综合效益最优，但所有线路均从氢能部署中获益。总体而言，氢燃料电池列车 emerges as the most promising option for regional and intercity rail，在无需大规模基础设施改造的前提下实现实质性脱碳，为葡萄牙及类似国家的区域铁路可持续发展提供了兼具经济性与环境效能的解决方案。
