报告题目：零排放列车可行性分析：洛杉矶港至巴斯托段 - 发布机构：加利福尼亚空气资源委员会
- 发布日期：2024 年 4 月 22 日
- 核心目标：评估当前电池电力和氢燃料电池两种零排放（ZE）机车技术，在加利福尼亚州洛杉矶港（POLA）至巴斯托高流量货运线路的应用可行性，确定牵引 130 节双层轨道车辆完成该线路运输所需的零排放机车数量。
- 评估车型：Wabtec 公司 FLXdrive 重载电池电力机车、Progress Rail 公司 SD70J-BB 电池电力机车、CPKC 公司带氢燃料拖车的氢燃料电池机车（均为一级铁路适用的干线货运车型）
一、线路概况
1. 基本信息
洛杉矶港至巴斯托段线路全长约 174 英里（约 280 公里），海拔最低 17 英尺（约 5.2 米），最高 3800 英尺（约 1158.2 米）。基于海拔变化差异，线路被划分为 5 个区段，涵盖平路、上坡及下坡路段，其中第 3 区段坡度最陡，第 4-5 区段为下坡路段。
2. 区段详细参数
注：海拔变化以相邻区段末端为基准，负值表示下坡；第 3-4 区段坡度数据来源于公开发布资料，其余区段坡度因缺乏公开信息，通过谷歌地球专业版估算；各区段速度基于 BNSF 铁路公司《零排放及近零排放货运设施项目报告》数据估算。
二、功率与能量需求计算
1. 核心计算逻辑
- 功率（P）
通过机车牵引列车所需的净力（Fnet）与列车速度（v）相乘得出，公式为 P=Fnet×v。 - 净力（Fnet）
平路及上坡路段（第 1-3 区段）：需克服重力（Fgravity）、空气阻力（Fdrag）和滚动阻力（Frr），公式为 Fnet=Fgravity+Frr+Fdrag； 下坡路段（第 4-5 区段）：重力起辅助作用，公式为 Fnet=Frr+Fdrag−Fgravity。 - 能量（E）
功率与区段行驶时间（t）的乘积，公式为 E=P×t。
2. 关键假设与说明
空气阻力计算：假设整体列车风阻系数为 2.1（将列车视为矩形箱体），因缺乏机车专用风阻系数数据，此简化处理不影响核心结论； 列车质量：130 节双层轨道车辆（每节集装箱重 19 吨）的总质量，按加利福尼亚空气资源委员会《卡车与列车排放分析方法》计算，含车辆载货质量与机车质量； 再生制动：下坡区段（第 4-5 区段）无需机车供能，再生制动产生的电能暂未纳入模型（仅作为补充充电场景）； 最小需求确定：第 1-3 区段为耗能区段，总能量需求为该区段能量之和；第 3 区段因坡度最陡，其功率需求为全线路最小功率阈值。
3. 各区段功率与能量需求
注：数据为估算范围，受机车模型差异影响；精确计算需补充线路坡度细节、轨道曲率、机车尺寸及各车型效率等数据，但空气阻力与滚动阻力对总需求影响较小，优化相关参数不会显著改变结果。
4. 轨道附着性验证
轨道与车轮的摩擦系数最高可达 0.7，但轨道表面污染可能降至 0.05（易导致车轮打滑）。通过撒沙可将摩擦系数提升至 0.4，按此系数评估，最陡区段（第 3 区段）的机车牵引力可满足需求，无车轮打滑风险。
三、分析结果：所需机车数量
1. 不同车型核心参数与需求数量
注：电池电力机车效率按 90% 计算，氢燃料电池机车效率按 60% 计算，传统柴油机车效率按 35%（油箱到车轮）计算；
安全系数（FOS）考虑功率与能量计算中最高 20% 的误差； CPKC 氢燃料电池机车需电池辅助：燃料电池堆持续输出功率为 1.2 兆瓦，需配置 6.9 兆瓦时电池以维持 3.3 兆瓦牵引功率。
2. 关键结论
牵引功率是影响机车数量的核心限制因素，卡洪山口的陡坡路段对机车功率要求最高； 零排放机车所需数量不超过传统柴油机车，证明其在该线路的适用性； Progress Rail 公司 SD70J-BB 电池电力机车因牵引功率最高，所需数量最少（安全系数 = 1 时仅需 4 台）； CPKC 氢燃料电池机车与 Wabtec FLXdrive 重载机车功率输出相近，所需数量一致； 结果具有可扩展性：双层轨道车辆数量增加 50% 时，三种零排放机型所需数量约增加 50%（安全系数 = 1，不混合机型），列车质量与机车数量呈近似线性关系。
四、延伸方案分析
1. 氢燃料电池机车的续航优势
氢燃料能量密度高于现有电池，带拖车的 CPKC 氢燃料电池机车可携带更多氢燃料，续航里程显著优于电池电力机车 —— 其能量携带量是 Progress Rail SD70J-BB 的 4 倍以上，适合超过巴斯托段的长距离运输，且无需中途充电 / 补能。
2. 柴油机车 + 电池拖车改造方案
现有柴油机车可搭配电池拖车使用，通过电池供能减少柴油消耗与排放。新型磷酸铁锂电池技术可在单节棚车中集成 14 兆瓦时电池，安全系数 = 1 时需 7 台柴油机车 + 4 台电池拖车，安全系数 = 1.2 时需 9 台柴油机车 + 5 台电池拖车。
3. 接触网系统（OCS）应用方案
若在第 2-3 区段（阿纳海姆至卡洪山口顶峰）部署接触网系统，使用兼容接触网的机车（如西门子 Vectron 欧洲货运机车，牵引功率≥6.4 兆瓦），仅需 2 台接触网兼容机车 + 2 台电池电力机车即可完成运输，可减少低能量容量机车的使用数量。
五、最终结论
基于当前零排放铁路技术，在洛杉矶港至巴斯托段线路使用零排放机车（电池电力或氢燃料电池类型）具备可行性。其中，Progress Rail 公司 SD70J-BB 电池电力机车在该线路的使用效率最优（所需数量最少），CPKC 氢燃料电池机车更适合长距离延伸运输，而柴油机车+ 电池拖车改造、接触网系统搭配等方案可作为灵活补充选择。
