我國氫動力船舶發(fā)展最新情況

 

 

當(dāng)前，航運(yùn)業(yè)迅猛發(fā)展，柴油機(jī)動力船舶伴生的能耗與環(huán)境問題日益顯現(xiàn)，如2020年我國航運(yùn)業(yè)的CO2排放量達(dá)到1.2×108t，約占交通運(yùn)輸領(lǐng)域排放量的12.6%。水路交通載運(yùn)工具綠色化是水運(yùn)行業(yè)的技術(shù)前沿和未來趨勢，也是航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）目標(biāo)的重要舉措，發(fā)展綠色船舶對促進(jìn)我國船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實(shí)施交通強(qiáng)國戰(zhàn)略具有重要意義。

 

發(fā)達(dá)國家積極提出氫能源戰(zhàn)略并開展氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局，掌握了氫能和燃料電池相關(guān)的核心技術(shù)，開展了包括氫動力船舶在內(nèi)的多項(xiàng)示范項(xiàng)目，正在研制新型氫動力船舶。在我國，應(yīng)對“雙碳”目標(biāo)牽引，加速布局氫能的交通領(lǐng)域應(yīng)用；部分企業(yè)和機(jī)構(gòu)基于國產(chǎn)化氫能和燃料電池技術(shù)進(jìn)步而相繼啟動了氫動力船舶研制，但整體處于前期探索階段；后續(xù)需要細(xì)化和完善我國氫能領(lǐng)域的頂層設(shè)計(jì)，為氫動力船舶發(fā)展提供科學(xué)指引。針對于此，本文在梳理氫動力船舶發(fā)展現(xiàn)狀并研判相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局態(tài)勢的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性與產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析，探討提出領(lǐng)域目標(biāo)任務(wù)、建設(shè)路徑，以期為我國氫動力船舶快速優(yōu)質(zhì)發(fā)展研究提供參考。

 

 

 

氫及氫基燃料是航運(yùn)行業(yè)碳減排及脫碳的良好解決方案，其應(yīng)用范圍將隨著燃料應(yīng)用技術(shù)的成熟、配套設(shè)施的完善而逐步擴(kuò)大。氫動力船舶通常用于湖泊、內(nèi)河、近海等場景，以客船、渡船、內(nèi)河貨船、拖輪等類型為主；海上工程船、海上滾裝船、超級游艇等大型氫動力船舶研制是當(dāng)前的國際趨勢，潛艇采用氫燃料電池動力系統(tǒng)同樣具有良好前景。

 

在現(xiàn)階段，氫燃料電池適用于多種內(nèi)河船舶，可作為小型船舶的主動力，也可作為大型船舶的輔助動力；以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）類型為主，功率等級相比傳統(tǒng)柴油機(jī)動力有較大差距。發(fā)達(dá)國家已成功研制不同類型氫動力船舶并取得示范應(yīng)用效果，如德國“Alsterwasser”游船、日本燃料電池漁船、法國“Energy Observer”游艇、美國“Water-Go-Round”渡船、韓國“Gold Green Hygen”氫動力旅游船等；后續(xù)將深化研究與應(yīng)用，如挪威“Ulstein SX190”海上工程船、“Topeka”滾裝船，意大利“ZEUS”試驗(yàn)船等（見圖1）。除燃料電池外，氫內(nèi)燃機(jī)也是船舶應(yīng)用氫能的重要途徑，如比利時(shí)、日本研制的氫內(nèi)燃機(jī)拖船“Hydrotug”、渡船“Hydro Bingo”。日本企業(yè)（如川崎重工業(yè)株式會社、洋馬株式會社等）積極研制氫內(nèi)燃機(jī)，正在開發(fā)中速四沖程發(fā)動機(jī)、中高速四沖程發(fā)動機(jī)、低速二沖程發(fā)動機(jī)。

 

圖片

 

圖1 國內(nèi)外氫動力船舶的產(chǎn)品情況

 

我國前期研制了“富原一號”“天翔1號”氫動力實(shí)驗(yàn)船（見圖1），但船型、功率均較小。隨著陸上新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，氫能和燃料電池技術(shù)快速成熟，為我國氫動力船舶提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。2021年下水的“蠡湖號”游艇、“仙湖1號”游船，燃料電池功率分別為70 kW、30 kW；正在研制中的“綠色珠江號”內(nèi)河貨船、“三峽氫舟1號”公務(wù)船，燃料電池功率達(dá)到500千瓦級。盡管如此，國內(nèi)船型與國際先進(jìn)產(chǎn)品相比仍存有一定差距，同時(shí)我國氫動力船舶的系統(tǒng)集成技術(shù)尚未完全成熟。

 

 

目前，氫動力船舶用燃料電池的單組功率為百千瓦級，裝船使用時(shí)通常采用多組燃料電池級聯(lián)而成，如“Alsterwasser”游船配備了2組48 kW PEMFC、214型潛艇配備了2組120 kW PEMFC，“綠色珠江號”內(nèi)河貨船擬配備4組135 kW PEMFC。兆瓦級燃料電池系統(tǒng)作為未來重點(diǎn)發(fā)展方向，是實(shí)現(xiàn)燃料電池在船舶上廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)；“Topeka”滾裝船、“Ulstein SX190”海上工程船采用的燃料電池系統(tǒng)功率分別為3 MW、2 MW；巴拉德動力系統(tǒng)公司研制了200 kW船用燃料電池模塊，最多可6組使用，即燃料電池系統(tǒng)功率可擴(kuò)展至1.2 MW。國產(chǎn)船用燃料電池功率等級與國外產(chǎn)品相比仍存在一定差距。2021年，武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司取得船用燃料電池產(chǎn)品型式認(rèn)可證書，相應(yīng)的TWZFCSZ-80燃料電池裝置額定功率為80 kW，正在研制200 kW船用燃料電池系統(tǒng)。

 

船舶燃料電池系統(tǒng)通常配備一定容量的蓄電池來對燃料電池輸出功率進(jìn)行“削峰填谷”，如“Alsterwasser”游船配置了201.6 kW·h蓄電池，“Water-Go-Round”渡船搭載了100 kW·h蓄電池，荷蘭“AQUA”概念游艇的蓄電池容量達(dá)到1.5 MW·h。可根據(jù)船舶功率需求，結(jié)合燃料電池和蓄電池供能特征，構(gòu)建匹配的系統(tǒng)模型以優(yōu)化蓄電池配置。

 

 

現(xiàn)有的氫動力船舶較多采用高壓氣態(tài)儲氫方式，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船、“蠡湖號”游艇等；也有少量船舶采用金屬氫化物儲氫方式，如214型潛艇、“ZEUS”試驗(yàn)船等。鑒于高壓氣態(tài)儲氫方式的儲氫密度較低、液氫相關(guān)技術(shù)成熟，發(fā)達(dá)國家的大型氫動力船舶設(shè)計(jì)方案多采用低溫液態(tài)儲氫方式，如“Topeka”滾裝船、“AQUA”概念游艇等。氫動力船舶的續(xù)航里程與船載儲氫量密切相關(guān)。一般認(rèn)為受制于船載儲氫技術(shù)，氫動力船舶僅適用于短距離航行，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船的設(shè)計(jì)續(xù)航時(shí)間分別為3d、2d。

 

氫動力汽車相關(guān)的加氫技術(shù)快速成熟，為解決氫動力船舶加注問題確定了良好基礎(chǔ)。在“Alsterwasser”游船示范運(yùn)營過程中，德國林德集團(tuán)在搭建碼頭加氫站，為氫動力船舶提供持續(xù)的氫源供應(yīng)；“Ulstein SX190”海上工程船配有可更換的儲氫模塊，通過“換罐”方式補(bǔ)充氫能，為氫動力船舶的燃料補(bǔ)給提供了新思路。在我國，船用儲氫技術(shù)目前以高壓儲氫為主，后續(xù)朝著能量密度更高的儲氫技術(shù)路線方向發(fā)展。

 

船舶產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的原材料及配套設(shè)施、中游的船舶總裝制造、下游的船舶服務(wù)等環(huán)節(jié)。

 

 

船舶上游環(huán)節(jié)涉及原材料供應(yīng)、零部件配套等。國外船用燃料電池技術(shù)研發(fā)活動開展較早，巴拉德動力系統(tǒng)公司、豐田汽車公司等率先推出船用動力系統(tǒng)，在包括氫氣設(shè)備開發(fā)、船體設(shè)計(jì)與建造、運(yùn)營管理、氫燃料供應(yīng)在內(nèi)的船舶價(jià)值鏈方面具有優(yōu)勢，尤其在船舶大功率燃料電池技術(shù)方面保持領(lǐng)先。

 

我國企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜（PEM）性能滿足商用需求且具備批量供貨能力，形成了自研和批量制備催化劑的能力，推動了膜電極產(chǎn)品的車載批量應(yīng)用。武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司自主研制的船用燃料電池系統(tǒng)、中集安瑞科控股有限公司生產(chǎn)的30 MPa船用儲氫瓶組已批量出口，都反映了國內(nèi)氫能與燃料電池行業(yè)的良好發(fā)展勢頭。也要清醒認(rèn)識到，我國船舶相關(guān)配套技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平仍有不小差距，部分核心配套設(shè)備依賴進(jìn)口的局面有待打破。

 

 

美國、歐盟、日本、韓國的相關(guān)航運(yùn)或燃料電池企業(yè)都在積極參與氫動力船舶研發(fā)，所開展的示范應(yīng)用體現(xiàn)出了良好的運(yùn)營效果。

 

從綜合指標(biāo)看，我國部分船舶制造企業(yè)在規(guī)模上已進(jìn)入世界大型船舶企業(yè)集團(tuán)之列，但在新船型、高端船型的開發(fā)與設(shè)計(jì)方面相比世界一流水平還存在差距。我國氫動力船舶仍處于探索發(fā)展階段，已下水的“蠡湖號”“仙湖1號”船型較小，PEMFC系統(tǒng)輸出功率僅為數(shù)十千瓦；500千瓦級“綠色珠江號”“三峽氫舟1號”氫動力船舶處于研制階段，應(yīng)用示范明顯滯后。

 

 

在美國、歐盟，資源型或綜合型港口都積極參與氫能港口轉(zhuǎn)型行動，如美國長灘港、洛杉磯港開展了氫燃料電池拖車與物流車的應(yīng)用試驗(yàn)，西班牙瓦倫西亞港通過H2Ports試點(diǎn)項(xiàng)目來示范應(yīng)用氫動力正面吊。

 

著眼“雙碳”發(fā)展目標(biāo)，我國港口正在開展氫能應(yīng)用示范以推進(jìn)港口綠色化建設(shè)。例如，青島港以打造“中國氫港”為目標(biāo)，應(yīng)用了氫動力自動化軌道吊；寧波舟山港穿山港區(qū)正在開展“風(fēng)、光、儲、氫”多能源融合示范項(xiàng)目，以風(fēng)光可再生資源發(fā)電、電解水制氫的形式為港區(qū)氫負(fù)荷（包括氫動力集卡、叉車等）提供穩(wěn)定氫源，提高能源自洽率并降低碳排放水平。

 

 

近年來，歐盟、日本、美國、加拿大等相繼發(fā)布了氫能發(fā)展戰(zhàn)略或路線圖。我國《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》明確了氫能發(fā)展的戰(zhàn)略定位。可以看出，發(fā)展氫能成為世界各國共識，而交通領(lǐng)域?qū)⒙氏乳_展氫能普及應(yīng)用。

 

在政策引導(dǎo)和支持下，我國氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，截至2021年年底氫燃料電池汽車保有量約為8938輛，后續(xù)有望保持快速增長勢頭。因與氫動力汽車在上游環(huán)節(jié)未有明顯分化，氫動力船舶在發(fā)展初期，可采取氫燃料電池相關(guān)的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵零部件研制仍以車用燃料電池為源頭的發(fā)展模式，而在應(yīng)用過程中需及時(shí)評估兩類產(chǎn)品的差異性。同時(shí)，針對船舶功率需求，著重研制大功率燃料電池系統(tǒng)；針對船舶續(xù)航里程需求，著重研制大容量儲氫裝置。

 

 

目前，我國多地相繼布局新能源船舶發(fā)展，包括純電池船舶、液化天然氣（LNG）船舶、氫動力船舶等類型。為了加快氫動力船舶的示范和推廣，氫動力船舶的綜合定位及其領(lǐng)域發(fā)展頂層設(shè)計(jì)有待明確和細(xì)化。

 

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造相關(guān)企業(yè)，均可與氫能企業(yè)積極開展合作，結(jié)合自身優(yōu)勢以拓展氫動力船舶業(yè)務(wù)。例如，廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院與中船動力研究院有限公司、廣船國際有限公司等聯(lián)合開展了500千瓦級內(nèi)河氫燃料電池動力貨船的研制工作，已獲得中國船級社的原理認(rèn)可證書。與此同時(shí)，船級社也需新增并完善氫動力船舶相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和指南，為氫動力船舶優(yōu)質(zhì)發(fā)展提供關(guān)鍵支撐。

 

 

氫動力船舶應(yīng)用必然要經(jīng)歷從示范應(yīng)用到擴(kuò)大部署再到商業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展過程，預(yù)計(jì)2030年前的氫動力船舶應(yīng)用率仍較低。目前我國水路交通相關(guān)的氫能基礎(chǔ)設(shè)施基本空白，從發(fā)展效率的角度考慮，可借助陸上氫燃料電池汽車快速發(fā)展的勢頭，統(tǒng)籌考慮陸路交通、水路交通的氫能基礎(chǔ)設(shè)施布局與規(guī)劃，適度超前開展港口、碼頭的加氫站建設(shè)布局，由此促進(jìn)氫動力船舶的高效率發(fā)展。

 

利用陸海綜合制氫加氫站平臺，結(jié)合純氫管網(wǎng)，力爭同步解決港口氫動力船舶涉及的加氫站加氫量大、占用港口土地面積、影響港口正常作業(yè)三大應(yīng)用難題。基于氫能的物流與工業(yè)能源解決方案，在解決港口物流、裝卸設(shè)備、航運(yùn)應(yīng)用等問題之外，宜進(jìn)一步發(fā)揮潛在優(yōu)勢，提前籌劃與內(nèi)部港口岸電、近海風(fēng)力發(fā)電、內(nèi)陸陸上交通體系的協(xié)同發(fā)展。

 

 

制氫技術(shù)分為化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫、電解水制氫等。化石能源制氫盡管將過渡到可再生能源電解水制氫，但在一定時(shí)間內(nèi)仍占重要地位。利用可再生能源實(shí)現(xiàn)低成本、高效率制氫是未來大規(guī)模制氫的發(fā)展方向，也是各國氫能領(lǐng)域支持的重點(diǎn)方面。現(xiàn)階段綠氫成本依然偏高（約為32.2元/kg），其中可再生能源電力、電解槽的成本占比達(dá)到90%，因此控制綠氫成本關(guān)鍵在于降低可再生能源電價(jià)與電解槽成本。未來通過降低可再生能源發(fā)電成本、提升電解槽技術(shù)水平、以規(guī)模化應(yīng)用促進(jìn)成本下降，我國綠氫成本有望在2030年、2040年、2050年分別降至14.7元/kg、10元/kg、8元/kg，這就為氫動力船舶的規(guī)模化應(yīng)用逐步提供了經(jīng)濟(jì)可行性。

 

氨燃料是另一種具有應(yīng)用前景的零碳燃料，還可作為儲氫載體，其能量密度較高、生產(chǎn)成本低、易于儲存和運(yùn)輸、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)完善，在船舶應(yīng)用方面具有優(yōu)勢。我國合成氨技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟，目前主要利用化石能源制氨，制造成本較低（約4000元/t）。《中國能源體系碳中和路線圖》預(yù)測，在“雙碳”目標(biāo)背景下，我國氨產(chǎn)量將由2020年的5.4×107t增加至2060年的8×107t，且2060年有2/3的氨燃料應(yīng)用于航運(yùn)行業(yè)，至少滿足水運(yùn)行業(yè)40%的能源需求。可再生能源電解水制氫再合成氨的成本較高，因而降低可再生能源制氫的成本是控制綠氨生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，預(yù)計(jì)2020—2060年我國可再生能源電解水制氫再合成氨的成本將下降70%以上。

 

 

2010年以來，氫燃料電池成本降低了約60%。根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019版）》提出的目標(biāo)，燃料電池系統(tǒng)的成本將從2019年的8000元/kW下降到2025年的4000元/kW、2035年的800元/kW、2050年的300元/kW；假定船舶燃料電池系統(tǒng)的功率為500 kW，則2050年單船燃料電池系統(tǒng)成本可控制在15萬元左右。

 

隨著我國氫能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國產(chǎn)燃料電池的電堆功率、最低啟動溫度、壽命等指標(biāo)均得以大幅改善，自主化程度也在不斷提升。燃料電池電堆成本約占燃料電池系統(tǒng)成本的65%，電堆成本仍有下降空間，中長期的降幅可達(dá)85%。我國企業(yè)積極布局雙極板、膜電極、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵等燃料電池關(guān)鍵零部件研制，如上海捷氫科技股份有限公司生產(chǎn)的燃料電池電堆，58個(gè)核心一級零部件全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，采用新型貴金屬涂層的金屬雙極板和優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升了燃料電池效率并降低了制造成本。2020年，燃料電池電堆的成本出現(xiàn)了明顯下降勢頭（3000元——4000元/kW），甚至部分產(chǎn)品報(bào)價(jià)下降至2000元/kW。盡管如此，氫燃料電池電堆及系統(tǒng)的可靠性、耐久性是商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，仍待持續(xù)優(yōu)化提升。

 

 

現(xiàn)有氫內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率為35%——45%，而PEMFC系統(tǒng)的效率為50%——60%；雖然氫內(nèi)燃機(jī)的效率偏低，但功率可以達(dá)到高值（目前可達(dá)到兆瓦級），已用于拖船和渡船。在成本方面，氫內(nèi)燃機(jī)明顯低于PEMFC系統(tǒng)，以100kW發(fā)電裝置為例，基于當(dāng)前技術(shù)的氫內(nèi)燃機(jī)成本僅為PEMFC系統(tǒng)的50%。可以預(yù)判，隨著船舶儲氫技術(shù)的發(fā)展、氫能基礎(chǔ)設(shè)施的完善，氫內(nèi)燃機(jī)在船舶上可取得廣泛應(yīng)用。