日本的深海渦輪試驗為逐步淘汰化石燃料帶來希望-彭博社
Erica Yokoyama
IHI的深海海龍號有兩個逆向旋轉的渦輪。
來源：IHI Corp./NEDO
2021年8月，希臘伊維亞島Gouves村的一場野火。
攝影師：Konstantinos Tsakalidis/Bloomberg
維也納Rail Tec Arsenal設施的氣候隧道中的太陽模擬。
攝影師：Akos Stiller/Bloomberg對能源需求旺盛、依賴化石燃料的日本成功測試了一種系統，該系統可以提供一種恆定、穩定的可再生能源，無論風和太陽如何變化。
十多年來，日本重型機械製造商IHI Corp.一直在開發一種海底渦輪，利用深海洋流中的能量，並將其轉化為穩定可靠的電力來源。這台巨大的機器類似於一架飛機，有兩個逆向旋轉的渦輪風扇代替噴氣發動機，以及一箇中央的“機身”內置浮力調節系統。這個名為海龍的330噸原型設計用於固定在海底深30-50米（100-160英尺）的位置。
在商業生產中，計劃是將渦輪機安置在黑潮洋流中，這是世界上最強的洋流之一，沿着日本東海岸流動，並通過海底電纜傳輸電力。
“在日本，海洋洋流在可及性方面具有優勢，” Ken Takagi説，他是東京大學前沿科學研究院海洋技術政策教授。 “風力發電更適合歐洲，那裏暴露在主要西風和位於較高緯度的環境中。” 日本新能源和工業技術發展機構（NEDO）估計，黑潮洋流潛在的發電能力可能高達200吉瓦特，約佔日本目前發電能力的60%。
與其他國家一樣，可再生能源的大部分投資都流向了風能和太陽能，尤其是在福島核災難之後，抑制了該國對原子能的需求。日本已經是世界第三大太陽能發電國，並且正在大力投資於海上風電，但利用海洋洋流可以提供可靠的基準功率，從而減少對能源存儲或化石燃料的需求。
海洋洋流的優勢在於它們的穩定性。它們的流速和方向變化很小，使其具有容量因子 —— 衡量系統發電頻率的指標 —— 達到50-70%，而陸上風電約為29%，太陽能約為15%。
日本的動力效率
海洋潮流渦輪機的容量因子與煤電廠相似
來源：彭博新能源（2021年下半年）
今年2月，IHI與NEDO完成了為期3年半的技術演示研究。其團隊在日本西南部的吐噶爾羣島周圍的水域測試了這項技術，通過將海龍懸掛在船舶上並將電力送回船舶來實現。首先驅動船隻人工產生水流，然後將渦輪懸掛在黑潮中。
測試證明了該原型機可以產生預期的100千瓦穩定電力，公司現在計劃升級到一個完整的2兆瓦系統，可能在2030年或之後投入商業運營。
像其他先進的海洋國家一樣，日本正在探索各種利用海洋能源的方式，包括潮汐能、波浪能和海洋熱能轉換（OTEC），後者利用海面和深海之間的温差。三井OSK Lines Ltd.已經投資英國的Bombora Wave Power，探索該技術在日本和歐洲的潛力。該公司還在推廣海洋熱能轉換，並於4月在沖繩開始運營一個100千瓦的演示設施，根據企業營銷部總經理鈴木康夫的説法。九州電力的可再生能源部門九州未來能源今年開始進行了一項6.5億日元（510萬美元）可行性測試，以在中國東海五島周圍產生1兆瓦的潮汐能。政府本月還提出了變革海上風電拍賣的提案，以加快發展。
在海洋能源技術中，最快朝着成本效益方向發展的是潮流能，前彭博新能源負責編輯兼海洋能源分析師安格斯·麥克羅恩表示：“這項技術已經取得了相當大的進展，而且確實有效。”總部位於蘇格蘭的軌道海洋動力是正在建造潮汐系統的幾家公司之一，這些公司都在奧克尼羣島周圍，那裏是歐洲海洋能源中心的所在地。其他公司包括SIMEC Atlantis Energy的MeyGen陣列和總部位於加利福尼亞的Aquantis，由美國風能先驅詹姆斯·德爾森創立，據報道計劃明年在那裏開始測試潮流系統。
儘管潮流不是全天候運行，但它們往往比深海洋流更強。黑潮流速為每秒1至1.5米，而一些潮汐系統的流速為每秒3米。“海洋洋流渦輪機面臨的最大問題是，它們能否生產出經濟上能夠從流速不是特別強的洋流中產生電力的設備，”麥克羅恩説。
國際能源署設立的政府間合作組織海洋能源系統認為到2050年全球有望部署超過300吉瓦的海洋能源。
但海洋能源的潛力取決於地理位置，考慮到洋流強度、電網或市場接入、維護成本、航運、海洋生物和其他因素。高木表示，在日本，波能在全年內是中等且不穩定的，而具有強勁潮流的地區往往有大量航運交通。而海洋温差發電則更適合温帶地區，那裏的温差更大。IHI表示，深海洋流的一個優勢是不會限制船隻的航行。
2021年在屋久島附近測試海龍。來源：IHI Corp./NEDO然而，這家日本公司還有很長的路要走。與陸上設施相比，在水下安裝系統要複雜得多。高木表示：“與歐洲長期從事北海石油勘探的歷史不同，日本在海上建設方面經驗較少。”建造足以承受深海洋流惡劣條件並降低維護成本的系統存在重大工程挑戰。
“日本並沒有很多替代能源來源，”他説。“人們可能會説這只是一個夢想，但我們需要盡一切努力實現零碳排放。”
隨着風能、太陽能和電池儲能成本的下降，IHI還需要證明海洋洋流發電的整體項目成本具有競爭力。IHI的目標是實現每千瓦時20日元的發電成本，而太陽能在該國的成本約為17日元，海上風電約為12-16日元。IHI還表示，在啓動項目之前進行了環境評估，並將利用測試結果來檢查對海洋環境和漁業的任何影響。
如果成功規模化，深海洋流可以成為全球努力淘汰化石燃料中提供綠色基線電力的重要組成部分。McCrone説，IHI的工作可以幫助日本的工程在政府支持下發揮領導作用。
他説，IHI必須提出令人信服的論點，即“日本從在這一領域成為技術領導者中受益”。
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車廂內空氣很熱。但沒有乘客。只有幾十個加熱器——站在過道和座位上——旨在模擬乘客。有一輛電車停在維也納的一個氣候隧道內，距離它將度過工作生涯的德國杜伊斯堡市約600英里。而不是在城市街道上匆匆而過，電車在這裏靜止，通過一個氣候考驗課程。
奧地利首都郊外的Rail Tec Arsenal的這個氣候隧道是世界上最大的氣候風洞。每年為世界各地的火車和電車公司以及飛機和汽車測試15輛火車。它內部塗成霓虹綠色，這與其功能無關，但這種顏色增加了空間的強烈異域風情。
Rail Tec Arsenal承諾“提供您需要的惡劣天氣”，他們是認真的：這個隧道可以降至-45攝氏度，升至60攝氏度[-49華氏度至140華氏度]。不過，今天，這個隧道被加熱至31攝氏度[87.8華氏度]，模擬風速為12公里/小時[7.5英里/小時]，以模擬在一個炎熱的夏日午後在杜伊斯堡的街道上滑行。
歐洲的鐵路，一項安全、低碳的技術，仍然帶有一絲魅力，正處於一個新時代的邊緣。政府正在禁止一些短途航班，城市正在投資大規模交通以減少駕駛。但在一個更炎熱的世界中，鐵路面臨威脅。高温使軌道彎曲，導致架空電纜下垂；雨水淹沒線路並導致路基坍塌；風暴推倒樹木，侵蝕海岸懸崖，使沿海鐵路懸掛在半空中。
在維也納的Rail Tec Arsenal設施進行太陽模擬時檢查儀器。這個隧道也曾被用作電影和音樂視頻的拍攝場地。
火車內部的加熱器。“許多國家政策以及歐洲政策都是為了推廣鐵路運輸，這促使人們更多地選擇乘坐火車。但與此同時，長期適應性卻缺乏，”位於巴黎的氣候變化研究員Tania Martha Thomas表示。“適應的速度似乎跟不上氣候變化的觀察速度。”
杜伊斯堡的舊車隊可以追溯到上世紀80年代末和90年代初，沒有空調，但新車隊有，杜伊斯堡交通運營商DVG的鐵路車輛技術主管安德烈亞斯·奧弗（Andreas Offer）説。奧弗和他的同事們正在監控Rail Tec Arsenal的空調，以確保它不會消耗過多電力，同時保持列車涼爽。更高效的系統消耗更少能源，不太可能在炎熱天氣中出現故障，使乘客暴露在不舒適甚至危險的情況下。
鐵路必須適應。英國鐵路電氣化公司Furrer + Frey的項目主管諾埃爾·多爾芬（Noel Dolphin）表示，另一種選擇是駕駛、飛行和日益極端氣候變化的死循環。 “存在一個風險，即它變成一個自我實現的預言。氣候的極端使鐵路變得不可靠，這會促使人們轉向汽車，增加碳排放，使一切變得更加不可靠，因為我們會遇到越來越多的極端天氣。”
2022年7月的一天，當歐洲的夏季熱浪打破記錄時，數百名乘客登上了法國運營商Thalys開往布魯塞爾的火車。他們的目的地只有幾英里遠。火車拋錨了，空調失靈，600多人在45攝氏度的條件下坐了四個多小時才被疏散。一些乘客暈倒；其他人強行打開門或打破窗户換氣。Thalys後來表示，故障與高温有關。
夏季的塔利斯慘敗並不是揭露鐵路脆弱性的唯一事件。當太陽照射在金屬軌道和電纜上時，温度會升高很多，Dolphin説。炎熱到可以在外面煎蛋；這是一個常見的比喻，但在這種情況下確實是真的。在40攝氏度下，太陽光照射在金屬軌道上可以將金屬温度升高到70攝氏度（蛋開始煮熟），甚至更高。鐵軌會變形，電纜下垂，影響電力流動或阻塞前方線路。火車停下來。
英國鐵路上的熱浪、洪水和地陷破壞日益嚴重
因天氣破壞給火車運營商的賠償，按原因分類
來源：Furrer + Frey
其他因素包括雪、風、閃電和寒冷
歷史上，熱浪對歐洲列車的威脅相對較小，但其重要性正在增加。在英國，如果服務因天氣原因受到干擾或取消，運營商會從基礎設施管理機構Network Rail那裏獲得賠償，以彌補他們因此而損失的收入。過去，這些賠償大部分與風和洪水有關，但在2009年至2014年間，熱浪佔賠償的比例從3%增長到2015年至2020年間的平均超過10%。
一個例子是從倫敦通往西部、布里斯托爾和南威爾士的鐵路段。英國的鐵路在50多年前從蒸汽轉為柴油，多年來，總網絡的38%再次改為電力運行。電力來自架空線或電動“第三軌”，它位於火車下方。在這條路線上，離開英國首都的前12英里在1990年代電氣化，使用了大約20年前設計的設備，根據現在已經過時的氣候假設。其餘部分在2015年左右完成，總共超過220英里。去年，Dolphin説，所有故障中約60%發生在那前12英里。 （Network Rail拒絕置評。）“它越來越頻繁地出現故障，在每次極端天氣事件中都會出現故障。”
倫敦國王十字火車站因2022年7月熱浪導致列車取消後的情況。攝影師：克里斯·拉特克利夫/彭博社
因德文郡達威利奇的風暴導致埃克塞特至普利茅斯鐵路線部分被海水沖走而進行的修復工作，時間為2014年3月。攝影師：馬特·卡迪/蓋蒂圖片歐洲海豚建議修改“設定温度”，這通常是鐵路正常運行的中間空氣温度範圍。像任何金屬一樣，鐵軌和架空電氣線在熱時會膨脹（可能導致它們變形或下垂），在冷時會收縮（可能導致它們拉伸）。工程師可以通過根據室外温度改變電線或鐵軌的位置和長度來調整設定温度，這是一個相對較小的任務，甚至可以在一些老線路上完成。移動設定温度可以更好地管理風險，有助於保持列車運行。
海岸侵蝕是另一個風險。英格蘭西南部德文郡的一項價值1.65億英鎊（2.08億美元）的項目修建了一道海堤，並用網和釘子固定了懸崖，以保護一條鐵路線，該鐵路線在2014年2月的風暴中被沖走後重建。英國網絡鐵路公司考慮將整條線路向內陸移動，但決定保留並加以保護具有更好的價值。將線路移至內陸可能仍然是巴塞羅那北部沿海的馬雷梅鐵路線的命運。這將耗資數十億歐元，乘客可以假裝自己在海上滑行的旅程的樂趣將會消失。然而，這一舉措將消除日益強大的海浪和風暴的威脅。
在歐盟經歷疫情後，越來越多的人選擇乘坐火車。2022年，乘客們的行駛里程幾乎與2019年持平，並計劃開設新的長途卧鋪線路。歐洲鐵路擁有出色的安全記錄，但每次發生事故時都會受到聲譽損害。2020年蘇格蘭發生的一起脱軌事故造成三人死亡，包括列車司機和列車售票員。後來，政府機構鐵路事故調查局的調查發現，在脱軌事故發生前，排水系統未被正確安裝。報告稱，當近一個月的降雨在三小時內傾瀉而下時，碎片被衝到了鐵軌上。報告指出，氣候變化將進一步加劇這一風險。
彈性需要花錢。全球政府間組織國際運輸論壇的分析發現，到2021年，其66個成員國中只有六個國家將超過一半的運輸基礎設施預算用於鐵路。只有六個國家將超過一半的運輸基礎設施預算用於鐵路。
主要歐洲經濟體的鐵路支出保持不變
鐵路佔內陸運輸基礎設施總投資的比例
來源：經濟合作與發展組織
包括對新基礎設施的支出和升級
多爾芬表示，蘇格蘭的脱軌事故是因為排水系統監測和維護不力。儘管觀察正在改善。他説，激光雷達和安裝在火車上的攝像頭正在用於掃描鐵路線的每一米。
維修工作通常會導致服務中斷和更高的票價。 “人們普遍認為，儘管支付更多，服務質量卻在下降。這幾乎就像是一場完美的風暴——在不幸發生更多服務中斷的時候需要進行投資，”前網絡鐵路可持續性項目經理、擅長利用植物和濕地進行排水等自然解決方案的專家Lorraine Blackwood説。
緊急服務人員在2020年8月13日蘇格蘭斯通黑文附近的蘇格蘭鐵路列車出軌事故現場進行檢查。攝影師：WPA Pool/Getty Images Europe額外成本可能導致關閉。英國的“高速二號”鐵路項目最初連接倫敦與北部城市利茲和曼徹斯特，是氣候適應性和耐久性的典範，但也是世界上最昂貴的鐵路之一，每英里耗資3.96億英鎊。去年，英國政府因成本問題取消了部分路線。
沒有人確切知道準備所有這一切會花費多少。**“**這可能是一筆很大的賬單，”國際鐵路運營商和基礎設施管理者行業組織UIC可持續發展主管Lucie Anderton説。然而，更難估計不做任何事情的代價。
“我們需要投資，只是為了保持今天的水平，而我們知道氣候將變得更糟，”Anderton説。“你需要投資更多來適應，也需要投資更多來擴張。”