Kể từ cuối năm 2020, Thành phố Kansas Thái Bình Dương của Canada đã cam kết thời gian, nguồn lực và chuyên môn cho một nỗ lực lớn mà nó mô tả là "một dự án có ý nghĩa toàn cầu".
Được bắt đầu bởi Canadian Pacific trước khi sáp nhập với Kansas City Southern vào năm ngoái, cam kết nhắm mục tiêu phát triển đầu máy xe lửa chạy bằng hydro, không phát thải đầu tiên của Bắc Mỹ. Và đối với CPKC, đó sẽ là động lực tự phát triển, đáp ứng cả mục tiêu vĩ mô và vi mô.
Đơn vị sử dụng nhiên liệu hydro hứa hẹn sẽ củng cố các cam kết biến đổi khí hậu của chính đường sắt bằng cách giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính (GHG) từ các hoạt động đầu máy.
Hydro tạo ra năng lượng điện trong pin nhiên liệu, chỉ thải ra hơi nước và không khí ấm thay vì bất kỳ chất gây ô nhiễm không khí nào. Hơn 90% phát thải khí nhà kính phạm vi I của CPKC được tạo ra bởi đội tàu đầu máy.
Ngoài ra, đầu máy không phát thải sẽ giúp hỗ trợ toàn bộ ngành vận tải hàng hóa-đường sắt chuyển đổi sang thiết bị carbon thấp, các quan chức CPKC cho biết. Họ tin rằng chương trình hydro định vị Loại I ở vị trí hàng đầu trong vận chuyển hàng hóa khử cacbon.
"Chúng tôi muốn chứng minh rằng đầu máy hydro là khả thi và có thể được vận hành thực tế trong ngành", Kyle Mulligan, trợ lý phó chủ tịch công nghệ vận hành của CPKC, người đứng đầu chương trình cho biết.
Thông qua chương trình đang diễn ra, đường sắt đang chuyển đổi ba loại đầu máy diesel-điện khác nhau thành các đơn vị hydro, được trang bị pin nhiên liệu hydro và pin điều khiển động cơ kéo điện.
Trong vài năm qua, CPKC đã tiến hành thử nghiệm dịch vụ và kiểm tra trình độ với một số đầu máy để đánh giá sự sẵn sàng của công nghệ hydro cho lĩnh vực vận tải hàng hóa-đường sắt.
Dựa trên các phân tích, thử nghiệm và các yếu tố khác, đường sắt đã phát hiện ra rằng đầu máy xe lửa có thể được sử dụng hiệu quả để khử cacbon cho các nhà ga đường sắt và cung cấp đủ phạm vi để thực hiện các hoạt động chính tại địa phương.
Không bao gồm pin
Trước khi bắt đầu chương trình, CPKC xác định đầu máy chạy bằng pin quá hạn chế để sử dụng rộng rãi. Pin tăng thêm 25% trọng lượng cho nền tảng ban đầu của đầu máy và chiếm một lượng đáng kể dung lượng trên tàu.
Thêm vào đó, đầu máy pin yêu cầu tài sản trùng lặp vì thời gian sạc lâu, cần cơ sở hạ tầng sạc điểm cố định và chỉ có thể đạt khoảng 8% phạm vi hoạt động của đầu máy diesel-điện.
Một đầu máy chạy bằng hydro có thể đạt tới 30% phạm vi đó mà không cần đấu thầu. Và một số lượng nhỏ pin trong một đơn vị hydro có thể lấy lại năng lượng từ phanh động, tiết kiệm hydro và mở rộng phạm vi.
Hơn nữa, mật độ năng lượng cao hơn đối với hydro so với pin và hiệu suất hoạt động của đầu máy ban đầu và chuyển đổi thành hydro là giống hệt nhau.
Đầu máy xe lửa pin cũng không hoạt động tốt trong thời tiết lạnh, mất khoảng 40% công suất ở nhiệt độ thấp, Mulligan nói.
"Hydro đã được chứng minh là nhiên liệu của tương lai", ông nói. "Nhiên liệu sinh học có thể đưa bạn đi xa, nhưng không đến mức phát thải bằng không. Chúng tôi muốn xây dựng độ tin cậy của đầu máy hydro và chứng minh công nghệ".
Một lợi thế lớn với đầu máy hydro: Chúng có thể được cung cấp nhiên liệu tại các điểm cố định hoặc trên thực địa.
"Bạn có thể mang nhiên liệu đến đầu máy," Mulligan nói.
Trong 20 thử nghiệm chính, đầu máy hydro đã đăng ký hơn 2.200 dặm và di chuyển hơn 1.300 toa mà không có bất kỳ lỗi dịch vụ nào.
Thành phố Kansas Thái Bình Dương của Canada
Ngoài ra, thời gian tiếp nhiên liệu cho đầu máy hydro ngắn hơn nhiều so với thời gian sạc lại cho đầu máy pin, Giám đốc Hệ thống Cơ khí CPKC Matthew Findlay cho biết trong một bài thuyết trình ngày 9 tháng 7 tại cuộc họp mùa hè của Hiệp hội Chủ hàng Đường sắt Trung Tây ở Hồ Geneva, Wisconsin. Quá trình nạp nhiên liệu hydro mất khoảng 45 phút so với 14,2 giờ để sạc pin.
Về các điểm tiếp nhiên liệu cố định, CPKC đã thành lập các cơ sở tiếp nhiên liệu hydro ở Calgary và Edmonton. Các địa điểm sẽ có máy điện phân, hoặc các thiết bị sử dụng điện phân nước và điện để tách nước thành khí hydro và oxy.
Khi chương trình bắt đầu, lượng hydro cấp pin nhiên liệu khan hiếm để hỗ trợ thử nghiệm, vì vậy đường sắt có kế hoạch sử dụng máy điện phân để cung cấp khả năng sản xuất tại các cơ sở tiếp nhiên liệu. Khi nguồn cung cấp hydro chất lượng cao trở nên dồi dào hơn, khí đốt chủ yếu sẽ được mua, lưu trữ tại chỗ và phân phối cho đầu máy xe lửa.
'Mô-đun và có thể bảo trì'
CPKC cũng có kế hoạch phát triển thiết bị tiếp nhiên liệu di động cho đầu máy xe lửa. Lớp I đã phát triển một cách nhanh hơn và ít tốn kém hơn để chuyển đổi đầu máy diesel-điện thành các đơn vị chạy bằng hydro. Pin, pin nhiên liệu và khu vực lưu trữ - là các thành phần mô-đun - được tích hợp vào các cụm lắp ráp trước được gọi là "trượt".
Quá trình trượt dựa trên một kỹ thuật được sử dụng trong ngành dầu khí, trong đó thiết bị thường không được lắp ráp tại hiện trường, Mulligan nói. Ván trượt bảo vệ khung đầu máy và cho phép quá trình chuyển đổi nhanh hơn.
"Khung có thể tồn tại lâu hơn động cơ và các bộ phận đầu máy khác. Chúng tôi đã thiết kế các đường trượt, giúp kéo chi phí ra khỏi chuyển đổi và làm cho chúng khả thi hơn, "Mulligan nói. "Nó làm cho nó mô-đun và có thể bảo trì."
Trước đó trong chương trình, CPKC đã chuyển đổi hai đơn vị mã lực thấp thành đầu máy hydro. Các đơn vị này đã trải qua thử nghiệm tải trọng rộng rãi kể từ đó, chủ yếu là trong dịch vụ địa phương.
Trong 20 thử nghiệm chính, đầu máy xe lửa đã đăng ký hơn 2.200 dặm và di chuyển hơn 1.300 toa. Thử nghiệm hàng tuần được thực hiện với các đoàn tàu chở hơn 20.000 tấn và đẩy ở mức 2.350 mã lực. Tốc độ tàu trong các hoạt động thử nghiệm chính đạt tới 50 dặm / giờ.
Các đoàn tàu thử nghiệm đã xử lý các nhiệm vụ địa phương trong Phân khu Brooks gần Carseland, Alberta và dịch vụ doanh thu để chuyển từ Bắc Calgary đến Alyth, Alberta.
Một phần của thử nghiệm liên quan đến việc vận hành đầu máy xe lửa trong thời tiết cực lạnh, Findlay cho biết trong bài thuyết trình của mình.
"Chúng đã chạy trong nhiệt độ âm 30 độ C và vẫn ổn", ông nói.
Nhìn chung, các thử nghiệm đã được chứng minh thành công cho đến nay.
"Độ tin cậy đã tốt. Không có lỗi nào trong dịch vụ", Mulligan nói. "Chúng tôi đã ném những gì có thể vào đầu máy xe lửa".
Các thành viên phi hành đoàn đã vận hành các đoàn tàu thử nghiệm đang chào mời đầu máy xe lửa vì chúng yên tĩnh, không tạo ra bồ hóng phát thải dính vào quần áo và không khiến dầu phủ lên tay vịn, ông nói.
Đầu năm nay, CPKC cũng đã bắt đầu thử nghiệm đầu máy hydro mã lực cao. Các thử nghiệm với đơn vị trong dịch vụ doanh thu than dự kiến sẽ bắt đầu vào tháng 8.
CSX cũng trong thử nghiệm
Ngoài ra, CSX gần đây đã bắt đầu thử nghiệm đầu máy hydro sau khi chuyển đổi một đơn vị diesel với một bộ do CPKC phát triển. Vào giữa năm 2023, hai lớp Is đã thành lập một liên doanh để phát triển và triển khai bộ dụng cụ chuyển đổi hydro cho đầu máy diesel-điện.
Như một bước đầu tiên trong sự hợp tác, CSX đã chuyển đổi một trong những đầu máy diesel của mình bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi hydro của CKPC. CSX đã tiết lộ đơn vị hydro vào giữa tháng Tư sau khi hoàn thành việc chuyển đổi tại cửa hàng đầu máy ở Huntington, West Virginia.
Hiện tại, đơn vị đang trải qua thử nghiệm thực địa để đánh giá hiệu suất và tính khả thi trong hoạt động.
Và nhiều đầu máy hydro dự kiến sẽ bước vào giai đoạn thử nghiệm ở cả hai lớp vào cuối năm nay. CSX sẽ bắt đầu thử nghiệm thêm hai đầu máy bốn trục trong khi CPKC sẽ bắt đầu thử nghiệm một đơn vị mã lực cao khác và hai SD40 sẽ hoạt động ở Lethbridge, Alberta, Mulligan nói.
"Sau đó, sẽ có chín đầu máy đang thử nghiệm, với ba đầu máy tại CSX," ông nói.
CPKC đã nhận được khoản tài trợ 7 triệu đô la Canada từ Giảm phát thải Alberta để thử nghiệm hai đầu máy xe lửa trong dịch vụ chuyển mạch thường xuyên và vận chuyển hàng hóa địa phương trong khu vực Lethbridge để chứng minh cách giảm đáng kể lượng khí thải GHG.
CPKC đã chọn sử dụng khí hydro trong đầu máy xe lửa của mình chứ không phải hydro lỏng. Nếu nó thoát ra, khí sẽ bốc thẳng lên và không phân tán, đây sẽ là mối nguy hiểm về an toàn vì hydro rất dễ cháy.
Nhiều chỉnh sửa hơn, thời gian cần thiết
Khi các thử nghiệm tiếp tục, CPKC đang tinh chỉnh các thiết kế đầu máy hydro của mình để giải quyết công suất và phạm vi. Phạm vi hoạt động không phải là vấn đề với các đơn vị mã lực thấp vì chúng thường hoạt động trong bãi, nhưng đó là mối quan tâm đối với đầu máy xe lửa mã lực cao chạy trên đường dây, Mulligan nói. Đó là lý do tại sao các đơn vị mã lực cao đòi hỏi một chiếc xe đấu thầu để chở nhiên liệu.
CPKC cũng đang giải quyết một số vấn đề vận hành, chẳng hạn như làm thế nào để tiếp nhiên liệu cho đầu máy hydro trong giá lạnh, xử lý và bảo dưỡng chúng trong các cửa hàng, và đào tạo nhân viên để bảo trì và sửa chữa chúng.
Mục tiêu tổng thể với thử nghiệm là đạt được 20 năm hoạt động tương đương. Thông thường, tỷ lệ hỏng hóc thành phần đầu máy được đo dựa trên 20 năm vận hành đầu máy.
Đầu năm nay, CSX đã chuyển đổi một đầu máy diesel thành một đơn vị hydro bằng cách sử dụng một bộ từ CPKC. Thông qua thử nghiệm thực địa, CSX hiện đang đánh giá hiệu suất và tính khả thi hoạt động của đầu máy.
CSX
"Để đạt được dữ liệu để đánh giá độ tin cậy của các thành phần và đầu máy nói chung, người ta thường xây dựng một số đơn vị mẫu và chạy chúng đồng thời", Mulligan nói. "Trong trường hợp của chúng tôi, chúng tôi đang tìm cách xây dựng tổng cộng 20 đầu máy với CSX và triển khai chúng trong một năm. Dữ liệu sẽ cho phép chúng tôi xác định độ tin cậy tổng thể và đánh giá tỷ lệ hỏng hóc của thành phần".
Nỗ lực đó có thể sẽ kéo dài đến năm 2027. Sau đó, đường sắt sẽ cần thực hiện nhiều thử nghiệm hơn trên các đơn vị mã lực cao, có thể mất đến khoảng năm 2030.
"Chúng tôi đang xem xét từ năm 2030 đến năm 2050 để bí mật đầu máy xe lửa trên cơ sở hàng năm", Mulligan ước tính.
Trong khi đó, CPKC sẽ xem xét quan hệ đối tác với các Class Is khác để giúp thúc đẩy phong trào khử cacbon của ngành.
"Chúng tôi đã được liên lạc bởi các quốc gia khác và các quốc gia khác có đường sắt hạng nặng như ở Bắc Mỹ", Mulligan nói.
Ngoài ra, CPKC đang làm việc với Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ về các cơ hội tài trợ tiềm năng liên quan đến việc sử dụng đầu máy hydro tại các cảng, chẳng hạn như các cảng dọc theo Bờ Vịnh, ông nói.
Đối với CPKC, tương lai khử cacbon là tất cả về hydro. Các nguồn nhiên liệu đầu máy khác - đặc biệt là pin - có quá nhiều hạn chế, Mulligan nhấn mạnh.
"Chúng tôi hoạt động trong thời tiết lạnh và có những chuyến tàu đi lên dốc ở dãy núi Rocky. Điều đó không biện minh cho đầu máy pin", ông nói.
Mời đối tác xem các hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
