日本的深海涡轮试验为逐步淘汰化石燃料带来希望-彭博社
Erica Yokoyama
IHI的深海海龙号有两个逆向旋转的涡轮。
来源：IHI Corp./NEDO
2021年8月，希腊伊维亚岛Gouves村的一场野火。
摄影师：Konstantinos Tsakalidis/Bloomberg
维也纳Rail Tec Arsenal设施的气候隧道中的太阳模拟。
摄影师：Akos Stiller/Bloomberg对能源需求旺盛、依赖化石燃料的日本成功测试了一种系统，该系统可以提供一种恒定、稳定的可再生能源，无论风和太阳如何变化。
十多年来，日本重型机械制造商IHI Corp.一直在开发一种海底涡轮，利用深海洋流中的能量，并将其转化为稳定可靠的电力来源。这台巨大的机器类似于一架飞机，有两个逆向旋转的涡轮风扇代替喷气发动机，以及一个中央的“机身”内置浮力调节系统。这个名为海龙的330吨原型设计用于固定在海底深30-50米（100-160英尺）的位置。
在商业生产中，计划是将涡轮机安置在黑潮洋流中，这是世界上最强的洋流之一，沿着日本东海岸流动，并通过海底电缆传输电力。
“在日本，海洋洋流在可及性方面具有优势，” Ken Takagi说，他是东京大学前沿科学研究院海洋技术政策教授。 “风力发电更适合欧洲，那里暴露在主要西风和位于较高纬度的环境中。” 日本新能源和工业技术发展机构（NEDO）估计，黑潮洋流潜在的发电能力可能高达200吉瓦特，约占日本目前发电能力的60%。
与其他国家一样，可再生能源的大部分投资都流向了风能和太阳能，尤其是在福岛核灾难之后，抑制了该国对原子能的需求。日本已经是世界第三大太阳能发电国，并且正在大力投资于海上风电，但利用海洋洋流可以提供可靠的基准功率，从而减少对能源存储或化石燃料的需求。
海洋洋流的优势在于它们的稳定性。它们的流速和方向变化很小，使其具有容量因子 —— 衡量系统发电频率的指标 —— 达到50-70%，而陆上风电约为29%，太阳能约为15%。
日本的动力效率
海洋潮流涡轮机的容量因子与煤电厂相似
来源：彭博新能源（2021年下半年）
今年2月，IHI与NEDO完成了为期3年半的技术演示研究。其团队在日本西南部的吐噶尔群岛周围的水域测试了这项技术，通过将海龙悬挂在船舶上并将电力送回船舶来实现。首先驱动船只人工产生水流，然后将涡轮悬挂在黑潮中。
测试证明了该原型机可以产生预期的100千瓦稳定电力，公司现在计划升级到一个完整的2兆瓦系统，可能在2030年或之后投入商业运营。
像其他先进的海洋国家一样，日本正在探索各种利用海洋能源的方式，包括潮汐能、波浪能和海洋热能转换（OTEC），后者利用海面和深海之间的温差。三井OSK Lines Ltd.已经投资英国的Bombora Wave Power，探索该技术在日本和欧洲的潜力。该公司还在推广海洋热能转换，并于4月在冲绳开始运营一个100千瓦的演示设施，根据企业营销部总经理铃木康夫的说法。九州电力的可再生能源部门九州未来能源今年开始进行了一项6.5亿日元（510万美元）可行性测试，以在中国东海五島周围产生1兆瓦的潮汐能。政府本月还提出了变革海上风电拍卖的提案，以加快发展。
在海洋能源技术中，最快朝着成本效益方向发展的是潮流能，前彭博新能源负责编辑兼海洋能源分析师安格斯·麦克罗恩表示：“这项技术已经取得了相当大的进展，而且确实有效。”总部位于苏格兰的轨道海洋动力是正在建造潮汐系统的几家公司之一，这些公司都在奥克尼群岛周围，那里是欧洲海洋能源中心的所在地。其他公司包括SIMEC Atlantis Energy的MeyGen阵列和总部位于加利福尼亚的Aquantis，由美国风能先驱詹姆斯·德尔森创立，据报道计划明年在那里开始测试潮流系统。
尽管潮流不是全天候运行，但它们往往比深海洋流更强。黑潮流速为每秒1至1.5米，而一些潮汐系统的流速为每秒3米。“海洋洋流涡轮机面临的最大问题是，它们能否生产出经济上能够从流速不是特别强的洋流中产生电力的设备，”麦克罗恩说。
国际能源署设立的政府间合作组织海洋能源系统认为到2050年全球有望部署超过300吉瓦的海洋能源。
但海洋能源的潜力取决于地理位置，考虑到洋流强度、电网或市场接入、维护成本、航运、海洋生物和其他因素。高木表示，在日本，波能在全年内是中等且不稳定的，而具有强劲潮流的地区往往有大量航运交通。而海洋温差发电则更适合温带地区，那里的温差更大。IHI表示，深海洋流的一个优势是不会限制船只的航行。
2021年在屋久岛附近测试海龙。来源：IHI Corp./NEDO然而，这家日本公司还有很长的路要走。与陆上设施相比，在水下安装系统要复杂得多。高木表示：“与欧洲长期从事北海石油勘探的历史不同，日本在海上建设方面经验较少。”建造足以承受深海洋流恶劣条件并降低维护成本的系统存在重大工程挑战。
“日本并没有很多替代能源来源，”他说。“人们可能会说这只是一个梦想，但我们需要尽一切努力实现零碳排放。”
随着风能、太阳能和电池储能成本的下降，IHI还需要证明海洋洋流发电的整体项目成本具有竞争力。IHI的目标是实现每千瓦时20日元的发电成本，而太阳能在该国的成本约为17日元，海上风电约为12-16日元。IHI还表示，在启动项目之前进行了环境评估，并将利用测试结果来检查对海洋环境和渔业的任何影响。
如果成功规模化，深海洋流可以成为全球努力淘汰化石燃料中提供绿色基线电力的重要组成部分。McCrone说，IHI的工作可以帮助日本的工程在政府支持下发挥领导作用。
他说，IHI必须提出令人信服的论点，即“日本从在这一领域成为技术领导者中受益”。
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车厢内空气很热。但没有乘客。只有几十个加热器——站在过道和座位上——旨在模拟乘客。有一辆电车停在维也纳的一个气候隧道内，距离它将度过工作生涯的德国杜伊斯堡市约600英里。而不是在城市街道上匆匆而过，电车在这里静止，通过一个气候考验课程。
奥地利首都郊外的Rail Tec Arsenal的这个气候隧道是世界上最大的气候风洞。每年为世界各地的火车和电车公司以及飞机和汽车测试15辆火车。它内部涂成霓虹绿色，这与其功能无关，但这种颜色增加了空间的强烈异域风情。
Rail Tec Arsenal承诺“提供您需要的恶劣天气”，他们是认真的：这个隧道可以降至-45摄氏度，升至60摄氏度[-49华氏度至140华氏度]。不过，今天，这个隧道被加热至31摄氏度[87.8华氏度]，模拟风速为12公里/小时[7.5英里/小时]，以模拟在一个炎热的夏日午后在杜伊斯堡的街道上滑行。
欧洲的铁路，一项安全、低碳的技术，仍然带有一丝魅力，正处于一个新时代的边缘。政府正在禁止一些短途航班，城市正在投资大规模交通以减少驾驶。但在一个更炎热的世界中，铁路面临威胁。高温使轨道弯曲，导致架空电缆下垂；雨水淹没线路并导致路基坍塌；风暴推倒树木，侵蚀海岸悬崖，使沿海铁路悬挂在半空中。
在维也纳的Rail Tec Arsenal设施进行太阳模拟时检查仪器。这个隧道也曾被用作电影和音乐视频的拍摄场地。
火车内部的加热器。“许多国家政策以及欧洲政策都是为了推广铁路运输，这促使人们更多地选择乘坐火车。但与此同时，长期适应性却缺乏，”位于巴黎的气候变化研究员Tania Martha Thomas表示。“适应的速度似乎跟不上气候变化的观察速度。”
杜伊斯堡的旧车队可以追溯到上世纪80年代末和90年代初，没有空调，但新车队有，杜伊斯堡交通运营商DVG的铁路车辆技术主管安德烈亚斯·奥弗（Andreas Offer）说。奥弗和他的同事们正在监控Rail Tec Arsenal的空调，以确保它不会消耗过多电力，同时保持列车凉爽。更高效的系统消耗更少能源，不太可能在炎热天气中出现故障，使乘客暴露在不舒适甚至危险的情况下。
铁路必须适应。英国铁路电气化公司Furrer + Frey的项目主管诺埃尔·多尔芬（Noel Dolphin）表示，另一种选择是驾驶、飞行和日益极端气候变化的死循环。 “存在一个风险，即它变成一个自我实现的预言。气候的极端使铁路变得不可靠，这会促使人们转向汽车，增加碳排放，使一切变得更加不可靠，因为我们会遇到越来越多的极端天气。”
2022年7月的一天，当欧洲的夏季热浪打破记录时，数百名乘客登上了法国运营商Thalys开往布鲁塞尔的火车。他们的目的地只有几英里远。火车抛锚了，空调失灵，600多人在45摄氏度的条件下坐了四个多小时才被疏散。一些乘客晕倒；其他人强行打开门或打破窗户换气。Thalys后来表示，故障与高温有关。
夏季的塔利斯惨败并不是揭露铁路脆弱性的唯一事件。当太阳照射在金属轨道和电缆上时，温度会升高很多，Dolphin说。炎热到可以在外面煎蛋；这是一个常见的比喻，但在这种情况下确实是真的。在40摄氏度下，太阳光照射在金属轨道上可以将金属温度升高到70摄氏度（蛋开始煮熟），甚至更高。铁轨会变形，电缆下垂，影响电力流动或阻塞前方线路。火车停下来。
英国铁路上的热浪、洪水和地陷破坏日益严重
因天气破坏给火车运营商的赔偿，按原因分类
来源：Furrer + Frey
其他因素包括雪、风、闪电和寒冷
历史上，热浪对欧洲列车的威胁相对较小，但其重要性正在增加。在英国，如果服务因天气原因受到干扰或取消，运营商会从基础设施管理机构Network Rail那里获得赔偿，以弥补他们因此而损失的收入。过去，这些赔偿大部分与风和洪水有关，但在2009年至2014年间，热浪占赔偿的比例从3%增长到2015年至2020年间的平均超过10%。
一个例子是从伦敦通往西部、布里斯托尔和南威尔士的铁路段。英国的铁路在50多年前从蒸汽转为柴油，多年来，总网络的38%再次改为电力运行。电力来自架空线或电动“第三轨”，它位于火车下方。在这条路线上，离开英国首都的前12英里在1990年代电气化，使用了大约20年前设计的设备，根据现在已经过时的气候假设。其余部分在2015年左右完成，总共超过220英里。去年，Dolphin说，所有故障中约60%发生在那前12英里。 （Network Rail拒绝置评。）“它越来越频繁地出现故障，在每次极端天气事件中都会出现故障。”
伦敦国王十字火车站因2022年7月热浪导致列车取消后的情况。摄影师：克里斯·拉特克利夫/彭博社
因德文郡达威利奇的风暴导致埃克塞特至普利茅斯铁路线部分被海水冲走而进行的修复工作，时间为2014年3月。摄影师：马特·卡迪/盖蒂图片欧洲海豚建议修改“设定温度”，这通常是铁路正常运行的中间空气温度范围。像任何金属一样，铁轨和架空电气线在热时会膨胀（可能导致它们变形或下垂），在冷时会收缩（可能导致它们拉伸）。工程师可以通过根据室外温度改变电线或铁轨的位置和长度来调整设定温度，这是一个相对较小的任务，甚至可以在一些老线路上完成。移动设定温度可以更好地管理风险，有助于保持列车运行。
海岸侵蚀是另一个风险。英格兰西南部德文郡的一项价值1.65亿英镑（2.08亿美元）的项目修建了一道海堤，并用网和钉子固定了悬崖，以保护一条铁路线，该铁路线在2014年2月的风暴中被冲走后重建。英国网络铁路公司考虑将整条线路向内陆移动，但决定保留并加以保护具有更好的价值。将线路移至内陆可能仍然是巴塞罗那北部沿海的马雷梅铁路线的命运。这将耗资数十亿欧元，乘客可以假装自己在海上滑行的旅程的乐趣将会消失。然而，这一举措将消除日益强大的海浪和风暴的威胁。
在欧盟经历疫情后，越来越多的人选择乘坐火车。2022年，乘客们的行驶里程几乎与2019年持平，并计划开设新的长途卧铺线路。欧洲铁路拥有出色的安全记录，但每次发生事故时都会受到声誉损害。2020年苏格兰发生的一起脱轨事故造成三人死亡，包括列车司机和列车售票员。后来，政府机构铁路事故调查局的调查发现，在脱轨事故发生前，排水系统未被正确安装。报告称，当近一个月的降雨在三小时内倾泻而下时，碎片被冲到了铁轨上。报告指出，气候变化将进一步加剧这一风险。
弹性需要花钱。全球政府间组织国际运输论坛的分析发现，到2021年，其66个成员国中只有六个国家将超过一半的运输基础设施预算用于铁路。只有六个国家将超过一半的运输基础设施预算用于铁路。
主要欧洲经济体的铁路支出保持不变
铁路占内陆运输基础设施总投资的比例
来源：经济合作与发展组织
包括对新基础设施的支出和升级
多尔芬表示，苏格兰的脱轨事故是因为排水系统监测和维护不力。尽管观察正在改善。他说，激光雷达和安装在火车上的摄像头正在用于扫描铁路线的每一米。
维修工作通常会导致服务中断和更高的票价。 “人们普遍认为，尽管支付更多，服务质量却在下降。这几乎就像是一场完美的风暴——在不幸发生更多服务中断的时候需要进行投资，”前网络铁路可持续性项目经理、擅长利用植物和湿地进行排水等自然解决方案的专家Lorraine Blackwood说。
紧急服务人员在2020年8月13日苏格兰斯通黑文附近的苏格兰铁路列车出轨事故现场进行检查。摄影师：WPA Pool/Getty Images Europe额外成本可能导致关闭。英国的“高速二号”铁路项目最初连接伦敦与北部城市利兹和曼彻斯特，是气候适应性和耐久性的典范，但也是世界上最昂贵的铁路之一，每英里耗资3.96亿英镑。去年，英国政府因成本问题取消了部分路线。
没有人确切知道准备所有这一切会花费多少。**“**这可能是一笔很大的账单，”国际铁路运营商和基础设施管理者行业组织UIC可持续发展主管Lucie Anderton说。然而，更难估计不做任何事情的代价。
“我们需要投资，只是为了保持今天的水平，而我们知道气候将变得更糟，”Anderton说。“你需要投资更多来适应，也需要投资更多来扩张。”