當(dāng)前，航運(yùn)業(yè)應(yīng)對溫室氣體減排的壓力越來越大，需要尋找替代能源以減少二氧化碳等廢氣污染物排放。氫能是具有廣闊前景的綠色船舶能源，對我國航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)具有重要意義。
“脫碳”減排
2018年11月，交通運(yùn)輸部出臺《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》，劃定了排放控制區(qū)域，明確規(guī)定自2019年1月1日起，海船進(jìn)入排放控制區(qū)，應(yīng)使用硫含量不大于0.5%m/m的船用燃油。2020年1月1日起，海船進(jìn)入內(nèi)河控制區(qū)，應(yīng)使用硫含量不大于0.1%m/m的船用燃油。基于氫燃料電池在船舶領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)勢明顯，且不產(chǎn)生溫室氣體，因此氫燃料電池船舶成為船舶業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的重要選擇。
2022年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》，明確了氫能在未來國家能源體系的重要戰(zhàn)略地位，氫能產(chǎn)業(yè)將是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向。
相較鋰電池而言，氫燃料電池船舶具有加注時(shí)間短、續(xù)航里程長、功率密度高等特點(diǎn)，因此在大功率、長航程等場景下，氫能船舶優(yōu)勢會更加明顯。
“隨著高密度氫能制儲運(yùn)發(fā)展、成本大幅降低、燃料補(bǔ)給站規(guī)模化及燃料電池技術(shù)進(jìn)步，氫能燃料將會成為新一代內(nèi)河船舶主流能源，近海及遠(yuǎn)洋船舶的輔助能源。”中國船舶集團(tuán)首席專家，中國船舶集團(tuán)第七一二研究所(簡稱“七一二所”)研究員/博導(dǎo)彭元亭表示。
據(jù)權(quán)威研究機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2050年，全球用于能源目的的氫氣生產(chǎn)支出將達(dá)到6.8萬億美元，氫能在中國能源體系中的占比約為10%，氫氣需求量接近6000萬噸，年經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值超過10萬億元。目前國內(nèi)各地均出臺了不同的氫能產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼政策，有力支持氫燃料產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展。
應(yīng)用提速
氫作為能源主要以兩種形式的動力裝置應(yīng)用于船舶：一是應(yīng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，包括純氫內(nèi)燃機(jī)或與氨/甲醇等燃料一起使用的混燒型內(nèi)燃機(jī);二是應(yīng)用于新型動力裝置——燃料電池。
使用氫內(nèi)燃機(jī)作為船舶動力，具有對船體結(jié)構(gòu)改變小、耐久性高、對氫氣純度要求低、生產(chǎn)成本低、易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，但其熱效率相對燃料電池較低，且氫內(nèi)燃機(jī)會產(chǎn)生氮氧化物等排放。相較之下，氫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、振動噪音低、技術(shù)成熟度高等優(yōu)勢，其效率可達(dá)50%—80%，排放產(chǎn)物只有水，因此目前在船用領(lǐng)域發(fā)展較為迅速。
2019年12月，在第20屆上海國際海事會展上，七一二所發(fā)布了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的全國首臺500kW級船用燃料電池系統(tǒng)解決方案，為助推我國綠色船舶發(fā)展提供了新的動力。
2021年1月，大連海事大學(xué)牽頭制造的中國第一艘燃料電池游艇“蠡湖”號通過試航，該船采用燃料電池和鋰電池組成混合動力系統(tǒng)，船型及動力等接近于國外的對標(biāo)船型，而對于電動船最為關(guān)鍵的續(xù)航指標(biāo)已略有優(yōu)勢。
2021年5月，在丹灶仙湖畔，廣東省內(nèi)首艘氫能源船舶——由廣東中氫博創(chuàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司研發(fā)的“仙湖1號”氫能游船在丹灶仙湖下水。該船采用了佛山市攀業(yè)氫能源科技有限公司生產(chǎn)的30kW氫燃料電堆。
2022年5月，由三峽集團(tuán)長江電力與七一二所合作研發(fā)建造的國內(nèi)首艘內(nèi)河氫燃料電池動力工作船——“三峽氫舟1號”，在廣東省中山市正式開工建造。這是國內(nèi)首艘入級中國船級社(CCS)的氫燃料電池動力工作船。
2023年3月，國內(nèi)首艘氫電混合新能源高端旅游觀光船，在江西省九江市九江湖心新能源船艇科技園內(nèi)正式開始建造，這標(biāo)志著國內(nèi)氫能船舶自此進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。
由此可見，目前國內(nèi)氫能船舶主要應(yīng)用案例是內(nèi)河領(lǐng)域的游船，包括觀光船、公務(wù)船等。從“面世”的氫能船舶來看，國內(nèi)在該領(lǐng)域已掌握了船用燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)，商業(yè)化應(yīng)用潛力初顯。
難題突破
近年來，全球都在競相研發(fā)氫動力船，以加快推進(jìn)脫碳船舶的進(jìn)程。然而，技術(shù)瓶頸仍是當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)面臨的共性問題，對于氫能船舶來說，可主要分為船用燃料電池系統(tǒng)、供氫技術(shù)兩方面。
“對于船用燃料電池系統(tǒng)，其壽命瓶頸在燃料電池電堆、氫氣循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件，要求5萬小時(shí)以上;而國內(nèi)氫燃料電池電堆的壽命約1萬小時(shí)，在關(guān)鍵材料穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及操作策略等方面仍需加強(qiáng)研究開發(fā)。”彭元亭表示。
在供氫技術(shù)方面，目前的儲氫方式很多，包括高壓氣態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫、液氫、液氨、有機(jī)液體儲氫、甲醇等，在儲氫密度、排放、安全性、補(bǔ)給保障性等方面各有特色，需要針對不同的船型、排放要求、水域和應(yīng)用周邊的燃料補(bǔ)給保障條件決定選用特定氫源，需要進(jìn)一步開發(fā)新型高效高安全性船用儲供氫技術(shù)(美國能源部雙7%指標(biāo))，以及快速補(bǔ)給技術(shù)，以滿足船舶應(yīng)用各個(gè)方面的要求。
截至目前，中國海事局法規(guī)《氫燃料動力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則(2022)》、中國船級社(CCS)規(guī)范《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》，以及CCS產(chǎn)品檢驗(yàn)指南《氫燃料電池》《氫氣瓶》和《重整裝置》的編制和頒布工作相繼完成，這些法規(guī)、規(guī)范和產(chǎn)品檢驗(yàn)指南的頒布標(biāo)志著國內(nèi)氫燃料動力船舶將正式進(jìn)入工程化應(yīng)用階段，初步形成了體系性的標(biāo)準(zhǔn)。
但與法規(guī)和規(guī)范配套的船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及營運(yùn)安全監(jiān)管等標(biāo)準(zhǔn)體系仍然需要進(jìn)一步完善，標(biāo)準(zhǔn)仍然空缺。需要配合CCS開展如氫燃料補(bǔ)給、不同燃料電池種類在船舶上應(yīng)用、燃料電池在不同尺寸和船型上應(yīng)用等方面的規(guī)范研究。
千里之行，始于足下。按照國內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，遵循“項(xiàng)目示范—小規(guī)模示范應(yīng)用—大規(guī)模示范推廣—商業(yè)化推廣”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律，因此找對場景、選對技術(shù)方案、積累數(shù)據(jù)和技術(shù)迭代是首要工作。
中國作為造船大國、航運(yùn)大國，必須跟上國際船舶電動化發(fā)展的腳步，抓住船舶電動化轉(zhuǎn)型發(fā)展的機(jī)會，快速形成燃料電池船舶的實(shí)踐項(xiàng)目，制定各類標(biāo)準(zhǔn)、探索產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和模式，打造綠色氫能船舶大國。(來源：中國水運(yùn)報(bào))
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