隨著減排措施逐步加碼，綠色能源動(dòng)力已成為未來(lái)的主要發(fā)展方向。這時(shí)，具備獨(dú)特優(yōu)異特性的氫能被推到聚光燈下。2019年12月，在第 20屆中國(guó)國(guó)際海事展期間舉辦的中國(guó)船級(jí)社(CCS)綠色技術(shù)論壇上，由中國(guó)船舶集團(tuán)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的我國(guó)首艘氫燃料試點(diǎn)船舶設(shè)計(jì)方案正式對(duì)外發(fā)布，并獲得中國(guó)船級(jí)社的原理認(rèn)可(AiP)證書。本次我國(guó)首艘氫燃料試點(diǎn)船舶設(shè)計(jì)方案的發(fā)布，無(wú)疑將氫燃料的研究與應(yīng)用向前推進(jìn)了一大步，具有里程碑意義。
氫能上船
對(duì)于新型燃料，保障其安全應(yīng)用最為關(guān)鍵。氫氣具有燃點(diǎn)低、爆炸區(qū)間范圍寬和擴(kuò)散系數(shù)大等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)被作為?；饭芾?。因此，明確氫的危險(xiǎn)性，對(duì)氫安全事故后果及預(yù)防展開基礎(chǔ)研究，從而為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的制定提供可靠依據(jù)，是氫能技術(shù)可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用的重要保障。一直以來(lái)，氫安全備受政府重視。除標(biāo)準(zhǔn)體系技術(shù)規(guī)范的建設(shè)外，國(guó)內(nèi)外氫能應(yīng)用的實(shí)踐也為氫的安全保障工作積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
本次在第 20屆中國(guó)國(guó)際海事展期間推出的我國(guó)首艘氫燃料試點(diǎn)船舶設(shè)計(jì)方案的船型為 500kW級(jí)內(nèi)河氫燃料電池動(dòng)力貨船。該船是中國(guó)船舶集團(tuán)廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院(605院)自主設(shè)計(jì)研發(fā)的我國(guó)首艘以氫燃料電池為主動(dòng)力源的內(nèi)河船舶設(shè)計(jì)方案。該船為 2100噸級(jí)定點(diǎn)航線內(nèi)河自卸貨船，采用4x135kW質(zhì)子交換膜氫燃料電池作為船舶主動(dòng)力源，輔以 4x250kWh鋰電池組進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)償，同時(shí)船舶載有 35MPa高壓氫氣瓶組儲(chǔ)存氫氣燃料，續(xù)航力約為 140公里，詳見下圖。
中國(guó)船舶集團(tuán)605院500kW級(jí)內(nèi)河氫燃料電池動(dòng)力貨船
目前該船的船舶總體技術(shù)設(shè)計(jì)和氫燃料動(dòng)力系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)工作已基本完成，并于 2019年 12月取得了中國(guó)船級(jí)社頒發(fā)的AIP證書。示范船的AiP認(rèn)可主要參照 CCS《船舶應(yīng)用替代燃料指南》第 2部分燃料電池系統(tǒng)，示范船的技術(shù)方案基本滿足指南相關(guān)技術(shù)要求，安全風(fēng)險(xiǎn)可控。中國(guó)船舶集團(tuán) 605院正聯(lián)合中船動(dòng)力院、廣船國(guó)際等單位開展該船的研制工作，計(jì)劃于 2021年底完成示范船的建造并在珠江水域示范運(yùn)營(yíng)。
隨著氫能優(yōu)勢(shì)的逐漸凸顯，全球主要國(guó)家也紛紛開始對(duì)氫能與燃料電池的發(fā)展投以較高關(guān)注，美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將氫能上升到國(guó)家能源戰(zhàn)略高度，不斷加大對(duì)氫能及燃料電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化扶持力度。
近年來(lái)，為了使氫能上船，業(yè)界做了大量研究，且已獲得顯著成效。應(yīng)用形式上，目前主要以燃料電池為主。早期，燃料電池系統(tǒng)在船舶上使用主要是游艇，并且許多游艇僅用于相對(duì)小的區(qū)域，如河流和湖泊，連續(xù)使用時(shí)間和功率的要求都不大。2003年以來(lái)，燃料電池在游船上主要作為輔助電源和主推進(jìn)使用，功率范圍在2 ～ 24kW，最早的燃料電池游船是“SailingYachtNo1”號(hào)，于 2013年 10月投入使用。
在一般的商業(yè)應(yīng)用方面，2008年 4月 投 入 使 用 的 125噸 觀 鯨 船“SMART-H2ELDINGI”號(hào)。該船可容納 150名乘客，輔助供電系統(tǒng)(APU)由壓縮氫氣供氣的 10kW燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成，并可以在觀鯨期間切換至由內(nèi)燃機(jī)供電。
全球首個(gè)在商業(yè)客輪上使用燃料電池的項(xiàng)目ZEMSHIP項(xiàng)目起始中國(guó)船舶集團(tuán)605院500kW級(jí)內(nèi)河氫燃料電池動(dòng)力貨船 于 2007年，由歐盟 EU-Life項(xiàng)目資金資助，其目的是為了在環(huán)境敏感區(qū)域使用零排放的船舶并進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試，以推廣此技術(shù)在航運(yùn)界更廣泛的應(yīng)用。該船整合了兩個(gè)峰值功率 48kW的燃料電池和 560V的鉛蓄電池，船長(zhǎng)為 25.5米，船寬 5.25米，可以運(yùn)送 100名乘客。該船于2008年 8月投入使用。
“FuelCellBoatAmsterdam”項(xiàng)目是為了實(shí)現(xiàn)歐洲內(nèi)陸客船上燃料電池及氫能源的應(yīng)用，以及相關(guān)的加注燃料設(shè)施的構(gòu)建。該船長(zhǎng)為 22米，船寬 4.25米，配備 60 ～ 70kW燃料電池系統(tǒng)，乘客數(shù)量為 100名。“FuelCellBoatAmsterdam”在荷蘭Bodewes船廠建造，于 2009年初航行于 Amsterdam的運(yùn)河上，用于運(yùn)河旅游事業(yè)。
“VikingLady”項(xiàng)目由挪威研究理事會(huì)、挪威創(chuàng)新署和德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部贊助，是一艘 92.2m長(zhǎng)的平臺(tái)供應(yīng)船，采用混合動(dòng)力推進(jìn)，配有 68x6.5kWh的燃料電池系統(tǒng)和電池組，該船在動(dòng)力定位工況以及在港口時(shí)采用燃料電池及電池組供電，以降低排放和能耗，根據(jù)相關(guān)資料該船降低了 15%左右的能耗。
氫能到底有多能？
為了實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)減排目標(biāo)，人們將目光對(duì)準(zhǔn)了清潔能源，逐步加大了包括天然氣、鋰電池、燃料電池、太陽(yáng)能、風(fēng)能以及核能等新能源的研究和應(yīng)用。在這眾多的清潔能源中，最熱的當(dāng)屬連國(guó)際海事組織(IMO)都為其背書的液化天然氣(LNG)。然而，隨著環(huán)保進(jìn)程的推進(jìn)，人們也逐漸意識(shí)到，LNG并不是真正的清潔能源。首先，LNG大部分由甲烷構(gòu)成，其余部分非常復(fù)雜，無(wú)法確認(rèn)其完整的清潔屬性。其次，甲烷并不屬于清潔氣體，有數(shù)據(jù)顯示，每立方米的甲烷所造成的溫室效應(yīng)約為二氧化碳的 20 ～ 25倍。由此，盡管LNG相對(duì)于煤炭和石油來(lái)說(shuō)清潔許多，但其并不能滿足最終的零碳目標(biāo)。同時(shí)，上述能源均屬于不可再生能源，存量有限，終有用完之日。因此，尋找新的、可再生的替代能源迫在眉睫。這時(shí)，出于對(duì)安全、環(huán)保、高效、可靠、經(jīng)濟(jì)等各方面因素的考慮，同樣身處清潔能源梯隊(duì)的氫能脫穎而出，成為航運(yùn)業(yè)未來(lái)應(yīng)用的焦點(diǎn)。
氫 (H)，在元素周期表中排名第一位，是地球的重要組成元素，是大自然中最常見的物質(zhì)，也是宇宙中含量最高的物質(zhì)。據(jù)《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書 2019》介紹，氫能屬于清潔低碳能源。不論氫燃燒還是通過燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物只有水，沒有傳統(tǒng)能源利用所產(chǎn)生的污染物及碳排放。此外，生成的水還可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)使用，真正實(shí)現(xiàn)低碳甚至零碳排放，有效緩解溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。氫能的來(lái)源多樣，儲(chǔ)量豐富。作為二次能源，氫不僅可以通過煤炭、石油、天然氣等化石能源重整、生物質(zhì)熱裂解或微生物發(fā)酵等途徑制取，還可以來(lái)自焦化、氯堿、鋼鐵、冶金等工業(yè)副產(chǎn)氣，也可以利用電解水制取，特別是與可再生能源發(fā)電結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)全生命周期綠色清潔，更拓展了可再生能源的利用方式。氫能靈活高效。氫熱值高 (140.4MJ/kg)，是同質(zhì)量焦炭、汽油等化石燃料熱值的 3 ～ 4倍，通過燃料電池可實(shí)現(xiàn)綜合轉(zhuǎn)化效率90%以上。氫能可以成為連接不同能源形式 (氣、電、熱等 )的橋梁，并與電力系統(tǒng)互補(bǔ)協(xié)同，是跨能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)同優(yōu)化的理想互聯(lián)媒介。氫能應(yīng)用場(chǎng)景豐富。氫可廣泛應(yīng)用于能源、交通運(yùn)輸、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域。既可以直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質(zhì)的熱源，有效減少碳排放 ;也可以通過燃料電池技術(shù)應(yīng)用于汽車、軌道交通、船舶等低長(zhǎng)距領(lǐng)域，降離高負(fù)荷交通對(duì)石油和天然氣的依賴 ;還可應(yīng)用于分布式發(fā)電，為家庭住宅、商業(yè)建筑等供電供暖。
提前布局氫路線
氫能，作為一種來(lái)源豐富、清潔無(wú)碳、靈活高效、應(yīng)用場(chǎng)景豐富的二次能源，是推動(dòng)傳統(tǒng)化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規(guī)模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，也是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸領(lǐng)域大規(guī)模深度脫碳的理想選擇。氫能的應(yīng)用將逐步成為全球能源技術(shù)革命的重要方向。然而，盡管氫能源已被公認(rèn)為是船舶節(jié)能減排問題的終極解決方案之一，但其研究及應(yīng)用一直都是雷聲大雨點(diǎn)小，推進(jìn)緩慢。
對(duì)此，中國(guó)船級(jí)社氫燃料船舶研究項(xiàng)目專家秦傲寒對(duì)此表示 ：“綜合來(lái)看，歐洲、美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家均在積極推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，氫燃料電池技術(shù)在汽車行業(yè)已有大量商業(yè)應(yīng)用案例，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也較為成熟。除交通運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用外，氫燃料電池在分布式能源、大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域也取得了成功應(yīng)用，例如日本正在極力推進(jìn)‘氫能源社會(huì)’的建設(shè)，政府將大力普及家庭和工業(yè)用燃料電池。船用方面，國(guó)外燃料電池船舶應(yīng)用發(fā)展仍處于研究測(cè)試階段。從 2003年以來(lái)，德國(guó)、美國(guó)、挪威、日本、韓國(guó)等國(guó)家先后開展了部分船用燃料電池系統(tǒng)研究測(cè)試項(xiàng)目，積累了一定的船舶應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但目前國(guó)外氫燃料電池船舶均處于研究試驗(yàn)階段，氫燃料電池系統(tǒng)一般也僅作為船舶輔助電源而非主動(dòng)力源。另外目前的示范項(xiàng)目中，燃料電池功率仍比較小，一般為 80 ～ 400kW，仍然無(wú)法滿足船舶對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)主機(jī)功率的需求。國(guó)內(nèi)方面，我國(guó)燃料電池在船舶上的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)仍是空白。目前有關(guān)單位正積極開展研究試點(diǎn)工作，如上文所提到的中船集團(tuán)正在與中國(guó)船級(jí)社合作開展‘綠色珠江’氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)示范船研制工作，確定‘內(nèi)河 2000噸級(jí)散貨船’作為氫燃料電池動(dòng)力示范船船型。”
我國(guó)首艘氫燃料試點(diǎn)船舶設(shè)計(jì)方案
近日，國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)(IRENA)對(duì)外發(fā)布了《氫能 ：可再生能源的前景》報(bào)告，報(bào)告詳細(xì)分析了氫能用于能源脫碳的潛力。報(bào)告指出，通過可再生能源制取的氫氣(即“綠色氫氣”)將在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮核心作用，預(yù)計(jì)2050年綠色氫氣將占全球能源消費(fèi)的8%，尤其將在鋼鐵、化工、航運(yùn)、卡車和航空業(yè)等難以脫碳的行業(yè)發(fā)揮重大潛力。報(bào)告提出，大規(guī)模發(fā)展氫能的時(shí)機(jī)已經(jīng)來(lái)臨，氫能將在能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這意味著，氫能應(yīng)用風(fēng)口已至。對(duì)于氫能的未來(lái)研究與應(yīng)用，我們應(yīng)如何提前布局?對(duì)此，秦傲寒提出了他的看法 ：
一是開展規(guī)范法規(guī)研究。配合主管機(jī)關(guān)做好氫燃料電池動(dòng)力船舶法規(guī)研究與編制工作，聯(lián)合業(yè)界將涉及船舶氫氣系統(tǒng)與燃料電池系統(tǒng)應(yīng)用安全的基礎(chǔ)性專項(xiàng)研究驗(yàn)證工作做深做實(shí)，主要包括船用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、儲(chǔ)氫和加氫系統(tǒng)、船用氫氣管路系統(tǒng)、船用燃料電池及其處所安全防護(hù)、船舶氫燃料加注、設(shè)計(jì)方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析等方面。
二是突破工程化關(guān)鍵技術(shù)。在車用領(lǐng)域，氫燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用已具備較好技術(shù)基礎(chǔ)與投資環(huán)境。相比而言，國(guó)內(nèi)船用氫燃料電池系統(tǒng)研究工作剛起步。船用氫燃料電池系統(tǒng)功率更高、儲(chǔ)能更大，而且船舶環(huán)境有其特殊性，對(duì)氫源的儲(chǔ)氫密度、安全性、補(bǔ)給性有更高要求，對(duì)系統(tǒng)的匹配性、可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性、監(jiān)控與能量管理技術(shù)要求更高，相應(yīng)部分工程化關(guān)鍵技術(shù)需要突破。
三是加強(qiáng)高密度儲(chǔ)氫技術(shù)和大功率燃料電池技術(shù)攻關(guān)。目前陸上車輛普遍采用高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫技術(shù)和質(zhì)子交換膜燃料電池，其儲(chǔ)氫密度和燃料電池功率難以滿足船舶需求，為此有必要開展高能量密度儲(chǔ)氫技術(shù)(如液氫)和大功率燃料電池技術(shù)(如高溫燃料電池)船用化技術(shù)研發(fā)工作。
四是加強(qiáng)配套基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境建設(shè)。例如挖掘我國(guó)制氫產(chǎn)能、使氫氣價(jià)格更具競(jìng)爭(zhēng)力 ;打通氫能物流鏈，打破氫氣運(yùn)輸限制、降低氫氣運(yùn)輸價(jià)格 ;加大船用加氫站建設(shè)，打造氫能加注港口 ;加強(qiáng)船員培訓(xùn)工作、制定氫氣災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案等。
