Đường sắt không phát thải và bảo vệ lưới điện bằng pin lớn trên bánh xe

Nghiên cứu của Berkeley Lab cho thấy tàu điện chạy bằng pin có thể mang lại công bằng môi trường, tiết kiệm chi phí và khả năng phục hồi như thế nào cho Hoa Kỳ

Các đoàn tàu đã đứng bên lề nỗ lực điện khí hóa ở Mỹ từ lâu vì chúng chỉ chiếm 2% lượng khí thải ngành giao thông vận tải, nhưng các đoàn tàu chở hàng chạy bằng dầu diesel thải ra 35 triệu tấn carbon dioxide hàng năm và tạo ra ô nhiễm không khí dẫn đến 6,5 tỷ đô la. về chi phí y tế, dẫn đến ước tính khoảng 1.000 ca tử vong sớm mỗi năm. Hơn nữa, những trường hợp tử vong và tác động xấu đến sức khỏe này ảnh hưởng không tương xứng đến các cộng đồng có hoàn cảnh khó khăn và thu nhập thấp, những cộng đồng này có nhiều khả năng nằm gần các bến bãi và đường sắt vận chuyển hàng hóa.

Giá pin giảm mạnh gần đây đã tạo ra một khả năng mới cho việc điện khí hóa các đoàn tàu chở hàng. Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (Berkeley Lab), hợp tác với các nhà nghiên cứu của UCLA và UC Berkeley, đưa ra trường hợp Mỹ có thể trang bị thêm pin cho tàu điện diesel theo cách cạnh tranh về chi phí với động cơ diesel. Làm như vậy sẽ tránh được những trường hợp tử vong và ảnh hưởng không cần thiết đến sức khỏe và tiết kiệm cho ngành đường sắt vận chuyển hàng hóa của Mỹ 94 tỷ đô la trong vòng 20 năm từ việc giảm ô nhiễm không khí và khí thải carbon dioxide. Nghiên cứu của họ gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature Energy .

Natalie Popovich, nhà khoa học Berkeley Lab và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Việc chuyển đổi nhanh chóng lĩnh vực đường sắt-vận tải không chỉ khả thi về mặt kỹ thuật và hiệu quả về chi phí, mà còn mang lại lợi ích kinh tế và sức khỏe ngay lập tức và lâu dài cho các cộng đồng có thu nhập thấp hơn. “Và nó sẽ tạo ra một động lực cho những nỗ lực của quốc gia chúng ta nhằm kiềm chế biến đổi khí hậu, đặc biệt là khi công suất đường sắt vận chuyển hàng hóa của Hoa Kỳ dự kiến sẽ tăng gấp đôi vào năm 2050”.

Xe lửa đóng một vai trò quan trọng trong việc vận chuyển hàng hóa trên khắp nước Mỹ, đặc biệt là hàng hóa nặng như than, gỗ và quặng. Theo Cơ quan Quản lý Đường sắt Liên bang, 28% hàng hóa của Mỹ được vận chuyển khắp đất nước bằng đường sắt và tỷ lệ đó dự kiến sẽ tăng lên đáng kể trong vài thập kỷ tới. Tại Hội nghị về biến đổi khí hậu của Liên hợp quốc năm 2021 gần đây, Mỹ đã cùng với hàng chục quốc gia khác ký kết các thỏa thuận mới để cắt giảm khí thải vận chuyển và các giải pháp không phát thải cho vận tải đường sắt vận tải hàng hóa sẽ là một phần của cam kết đó.

Diesel-Điện, nhưng không phải Pin-Điện

Không giống như một số khu vực khác trên thế giới, tất cả các chuyến tàu chở hàng ở Mỹ vẫn là chạy bằng điện diesel, phần lớn là do chiến lược điện khí hóa điển hình là xây dựng đường dây điện trên đường ray khó thực hiện hơn ở Mỹ với khoảng cách rộng lớn. Trong tàu điện-diesel, động cơ diesel được nối với máy phát điện, sau đó cung cấp điện cho động cơ điện nối với trục đầu máy. Do đó, việc trang bị thêm các đoàn tàu chạy bằng pin là hoàn toàn khả thi vì các đoàn tàu điện-diesel đã có động cơ điện.

Nhà khoa học Amol Phadke của Berkeley Lab cho biết: “Những cải tiến đáng kể trong công nghệ pin, cùng với hệ thống truyền động điện hiện có trong các chuyến tàu chở hàng chủ yếu chạy bằng diesel-điện ở Mỹ , tác giả tương ứng của nghiên cứu. “Ngoài ra, trọng lượng của ắc quy cũng ít bị hạn chế hơn so với đối với xe điện hoặc xe tải. Chúng tôi có thể thêm một toa vào một đoàn tàu chở hàng được chế tạo bằng pin, và trọng lượng của toa chạy bằng pin đó không phải là vấn đề với tàu hỏa ”.

Tàu điện chạy bằng dầu diesel xuất hiện từ những năm 1920, và chúng bắt đầu thay thế tàu hơi nước vào những năm 1930 vì chúng hoạt động tốt hơn và ít gây ô nhiễm hơn. Vào thời điểm đó, việc sử dụng động cơ diesel để tạo ra điện cho các động cơ trên tàu hỏa sẽ rẻ hơn so với việc cố gắng phát triển tàu điện hoàn toàn do chi phí điện cao. Bây giờ, một thế kỷ sau, chúng ta đang ở thời điểm mà giá điện cạnh tranh với dầu diesel, và chi phí môi trường và sức khỏe của việc tiếp tục dựa vào dầu diesel để cung cấp năng lượng cho các đoàn tàu chở hàng là quá khủng khiếp để có thể bỏ qua.

Popovich cho biết: “Phân tích của chúng tôi cho thấy việc chuyển sang vận chuyển bằng pin-điện sẽ cắt giảm hơn một nửa lượng khí thải carbon dioxide hàng năm của ngành, loại bỏ hơn 400 triệu tấn carbon dioxide trong 20 năm”.

Nghiên cứu nhấn mạnh rằng tồn tại các con đường bổ sung để điện khí hóa các đoàn tàu chở hàng của Mỹ, chẳng hạn như điện khí hóa các đoàn tàu qua đường dây điện trên không hoặc sử dụng pin nhiên liệu hydro kết hợp với các đoàn tàu chạy bằng pin. Tuy nhiên, dựa trên thực tế là các đoàn tàu chở hàng đã chạy bằng điện-diesel và xem xét những tiến bộ gần đây trong công nghệ pin, các nhà nghiên cứu cho thấy rằng con đường pin-điện mang lại giải pháp lâu dài, hiệu quả nhất với nhiều lợi ích bổ sung.

Phân tích của họ cho thấy rằng công nghệ pin hiện có có thể cung cấp năng lượng cho một đoàn tàu chở hàng trong 150 dặm (quãng đường trung bình hàng ngày đi được). Một đoàn tàu chở hàng chạy bằng pin sẽ sử dụng một nửa năng lượng yêu cầu của một đoàn tàu diesel-điện, và có tính đến việc giảm giá pin và chi phí môi trường của diesel, các đoàn tàu chạy bằng pin-điện đang trên đà cạnh tranh về chi phí hơn so với tàu điện-diesel . Vì quy hoạch đường sắt vận chuyển hàng hóa là tập trung, nghiên cứu cho thấy rằng các tuyến đường sắt có thể đạt được số lượng lớn sử dụng cơ sở hạ tầng sạc nhanh, điều này sẽ làm giảm chi phí hơn nữa.

Một lợi ích chính của việc trang bị thêm các đoàn tàu chở hàng chạy bằng điện-diesel hiện có với các toa chạy pin – hay còn gọi là toa đấu thầu chạy pin – là các đoàn tàu chạy bằng pin-điện luôn có thể hoạt động trở lại động cơ diesel như một nguồn nhiên liệu dự phòng. Khả năng sử dụng nhiên liệu kép này, cho phép sử dụng pin hoặc diesel, là một lợi thế độc nhất so với việc điện khí hóa hoàn toàn hệ thống đường sắt vận chuyển hàng hóa hoặc sử dụng pin nhiên liệu hydro.

Pin mô-đun mang lại lợi ích về khả năng phục hồi

Một lợi ích lớn khác là tàu điện chạy bằng pin có thể được sử dụng như nguồn điện dự phòng sạch, do đó tăng cường khả năng phục hồi của lưới điện. Trong lịch sử, tàu điện-diesel được sử dụng làm máy phát điện trong các trường hợp khẩn cấp. Vào đầu năm 1998, một loạt các cơn bão băng đã khiến hơn một triệu người không có điện ở đông bắc Hoa Kỳ và một số vùng của Canada. Tại một vùng ngoại ô của Montreal, thị trưởng đã di chuyển toàn bộ đầu máy diesel-điện gần Tòa thị chính để cung cấp điện cho các hoạt động ứng phó khẩn cấp của họ.

Với sự gia tăng của các hiện tượng thời tiết cực đoan và tình trạng mất điện, tàu điện chạy bằng pin có khả năng được triển khai trên toàn quốc để tránh mất điện. Những chiếc xe đấu thầu pin mô-đun này có thể được vận chuyển đến nơi cần thiết và sạc ở những địa điểm có giá điện thấp, do đó mang lại lợi thế đáng kể so với việc lưu trữ trên quy mô lưới điện. Hơn nữa, các toa đấu thầu chạy pin có thể hoạt động như các công-te-nơ vận chuyển mô-đun, có khả năng trao đổi giữa đường sắt chở hàng và tàu vận tải biển, với những lợi ích tích cực trong việc khử carbon cả hai lĩnh vực và mở rộng phạm vi phục hồi.

Phadke cho biết: “Việc chuyển đổi lĩnh vực đường sắt vận chuyển hàng hóa của Mỹ sang pin-điện sẽ tạo ra khoảng 220 gigawatt-giờ lưu trữ di động”. “Hơn nữa, những chiếc xe đấu thầu chạy bằng pin này có thể được triển khai trong các sự kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như trong trận cháy rừng thảm khốc gần đây ở California hoặc cơn bão mùa đông năm 2021 ở Texas khiến hàng triệu người không được tiếp cận với điện. Khả năng lưu trữ năng lượng di động này cũng sẽ tạo ra một nguồn doanh thu mới tiềm năng cho các nhà khai thác đường sắt vận chuyển hàng hóa. “

Từ góc độ kỹ thuật, các nhà nghiên cứu chứng minh rằng không nên có bất kỳ ràng buộc nào trong việc chuyển sang tàu hàng chạy hoàn toàn bằng pin – điện, nhưng cần có các nghiên cứu sâu hơn và các dự án trình diễn quy mô lớn để tối ưu hóa cơ sở hạ tầng sạc. “Các hệ thống và phân tích thị trường của Berkeley Lab đã làm sáng tỏ lĩnh vực bị bỏ qua này và chứng minh rằng chúng tôi có thể khử cacbon một số lĩnh vực bằng công nghệ hiện có, điều này sẽ giúp chúng tôi đạt được các mục tiêu về khí hậu nhanh hơn nhiều đồng thời thúc đẩy công bằng môi trường và khả năng phục hồi lưới điện. Đó là đôi bên cùng có lợi, ”Giám đốc Trung tâm Lưu trữ Năng lượng Berkeley Lab Noel Bakhtian cho biết. “Phân tích kinh tế – kỹ thuật của các chuyến tàu chở hàng chạy bằng pin-điện cho thấy rằng chúng tôi có sẵn các giải pháp khả thi để cho phép chuyển đổi sang một tương lai năng lượng sạch, giá cả phải chăng và có khả năng phục hồi”.

Tham khảo: “Lợi ích kinh tế, môi trường và khả năng phục hồi lưới điện của việc chuyển đổi tàu điện chạy bằng diesel sang chạy bằng pin-điện” của Natalie D. Popovich, Deepak Rajagopal, Elif Tasar và Amol Phadke, ngày 11 tháng 11 năm 2021, Nature Energy .
DOI: 10.1038 / s41560-021-00915-5

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi William and Flora Hewlett Foundation, bởi Berkeley Lab Foundation.

Theo Scitechdaily