隨著(zhù)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屆中國國際海事展期間舉辦的中國船級社(CCS)綠色技術(shù)論壇上，由中國船舶集團自主設計研發(fā)的我國首艘氫燃料試點(diǎn)船舶設計方案正式對外發(fā)布，并獲得中國船級社的原理認可(AiP)證書(shū)。本次我國首艘氫燃料試點(diǎn)船舶設計方案的發(fā)布，無(wú)疑將氫燃料的研究與應用向前推進(jìn)了一大步，具有里程碑意義。
氫能上船
對于新型燃料，保障其安全應用最為關(guān)鍵。氫氣具有燃點(diǎn)低、爆炸區間范圍寬和擴散系數大等特點(diǎn)，長(cháng)期以來(lái)被作為?；饭芾?。因此，明確氫的危險性，對氫安全事故后果及預防展開(kāi)基礎研究，從而為相關(guān)標準和法規的制定提供可靠依據，是氫能技術(shù)可持續發(fā)展和應用的重要保障。一直以來(lái)，氫安全備受政府重視。除標準體系技術(shù)規范的建設外，國內外氫能應用的實(shí)踐也為氫的安全保障工作積累了豐富的經(jīng)驗。
本次在第 20屆中國國際海事展期間推出的我國首艘氫燃料試點(diǎn)船舶設計方案的船型為 500kW級內河氫燃料電池動(dòng)力貨船。該船是中國船舶集團廣州船舶及海洋工程設計研究院(605院)自主設計研發(fā)的我國首艘以氫燃料電池為主動(dòng)力源的內河船舶設計方案。該船為 2100噸級定點(diǎn)航線(xiàn)內河自卸貨船，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)行調峰補償，同時(shí)船舶載有 35MPa高壓氫氣瓶組儲存氫氣燃料，續航力約為 140公里，詳見(jiàn)下圖。
中國船舶集團605院500kW級內河氫燃料電池動(dòng)力貨船
目前該船的船舶總體技術(shù)設計和氫燃料動(dòng)力系統原理設計工作已基本完成，并于 2019年 12月取得了中國船級社頒發(fā)的AIP證書(shū)。示范船的AiP認可主要參照 CCS《船舶應用替代燃料指南》第 2部分燃料電池系統，示范船的技術(shù)方案基本滿(mǎn)足指南相關(guān)技術(shù)要求，安全風(fēng)險可控。中國船舶集團 605院正聯(lián)合中船動(dòng)力院、廣船國際等單位開(kāi)展該船的研制工作，計劃于 2021年底完成示范船的建造并在珠江水域示范運營(yíng)。
隨著(zhù)氫能優(yōu)勢的逐漸凸顯，全球主要國家也紛紛開(kāi)始對氫能與燃料電池的發(fā)展投以較高關(guān)注，美國、日本、德國等發(fā)達國家已經(jīng)將氫能上升到國家能源戰略高度，不斷加大對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(zhù)成效。應用形式上，目前主要以燃料電池為主。早期，燃料電池系統在船舶上使用主要是游艇，并且許多游艇僅用于相對小的區域，如河流和湖泊，連續使用時(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，于 2013年 10月投入使用。
在一般的商業(yè)應用方面，2008年 4月 投 入 使 用 的 125噸 觀(guān) 鯨 船“SMART-H2ELDINGI”號。該船可容納 150名乘客，輔助供電系統(APU)由壓縮氫氣供氣的 10kW燃料電池系統構成，并可以在觀(guān)鯨期間切換至由內燃機供電。
全球首個(gè)在商業(yè)客輪上使用燃料電池的項目ZEMSHIP項目起始中國船舶集團605院500kW級內河氫燃料電池動(dòng)力貨船 于 2007年，由歐盟 EU-Life項目資金資助，其目的是為了在環(huán)境敏感區域使用零排放的船舶并進(jìn)行實(shí)際的測試，以推廣此技術(shù)在航運界更廣泛的應用。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(cháng)為 25.5米，船寬 5.25米，可以運送 100名乘客。該船于2008年 8月投入使用。
“FuelCellBoatAmsterdam”項目是為了實(shí)現歐洲內陸客船上燃料電池及氫能源的應用，以及相關(guān)的加注燃料設施的構建。該船長(cháng)為 22米，船寬 4.25米，配備 60 ～ 70kW燃料電池系統，乘客數量為 100名。“FuelCellBoatAmsterdam”在荷蘭Bodewes船廠(chǎng)建造，于 2009年初航行于 Amsterdam的運河上，用于運河旅游事業(yè)。
“VikingLady”項目由挪威研究理事會(huì )、挪威創(chuàng )新署和德國聯(lián)邦經(jīng)濟技術(shù)部贊助，是一艘 92.2m長(cháng)的平臺供應船，采用混合動(dòng)力推進(jìn)，配有 68x6.5kWh的燃料電池系統和電池組，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)現航運業(yè)減排目標，人們將目光對準了清潔能源，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用。在這眾多的清潔能源中，最熱的當屬連國際海事組織(IMO)都為其背書(shū)的液化天然氣(LNG)。然而，隨著(zhù)環(huán)保進(jìn)程的推進(jìn)，人們也逐漸意識到，LNG并不是真正的清潔能源。首先，LNG大部分由甲烷構成，其余部分非常復雜，無(wú)法確認其完整的清潔屬性。其次，甲烷并不屬于清潔氣體，有數據顯示，每立方米的甲烷所造成的溫室效應約為二氧化碳的 20 ～ 25倍。由此，盡管LNG相對于煤炭和石油來(lái)說(shuō)清潔許多，但其并不能滿(mǎn)足最終的零碳目標。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)，出于對安全、環(huán)保、高效、可靠、經(jīng)濟等各方面因素的考慮，同樣身處清潔能源梯隊的氫能脫穎而出，成為航運業(yè)未來(lái)應用的焦點(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(jiàn)的物質(zhì)，也是宇宙中含量最高的物質(zhì)。據《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū) 2019》介紹，氫能屬于清潔低碳能源。不論氫燃燒還是通過(guò)燃料電池的電化學(xué)反應，產(chǎn)物只有水，沒(méi)有傳統能源利用所產(chǎn)生的污染物及碳排放。此外，生成的水還可繼續制氫，反復循環(huán)使用，真正實(shí)現低碳甚至零碳排放，有效緩解溫室效應和環(huán)境污染。氫能的來(lái)源多樣，儲量豐富。作為二次能源，氫不僅可以通過(guò)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)電結合，不僅實(shí)現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(guò)燃料電池可實(shí)現綜合轉化效率90%以上。氫能可以成為連接不同能源形式 (氣、電、熱等 )的橋梁，并與電力系統互補協(xié)同，是跨能源網(wǎng)絡(luò )協(xié)同優(yōu)化的理想互聯(lián)媒介。氫能應用場(chǎng)景豐富。氫可廣泛應用于能源、交通運輸、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(guò)燃料電池技術(shù)應用于汽車(chē)、軌道交通、船舶等低長(cháng)距領(lǐng)域，降離高負荷交通對石油和天然氣的依賴(lài) ;還可應用于分布式發(fā)電，為家庭住宅、商業(yè)建筑等供電供暖。
提前布局氫路線(xiàn)
氫能，作為一種來(lái)源豐富、清潔無(wú)碳、靈活高效、應用場(chǎng)景豐富的二次能源，是推動(dòng)傳統化石能源清潔高效利用和支撐可再生能源大規模發(fā)展的理想互聯(lián)媒介，也是實(shí)現交通運輸領(lǐng)域大規模深度脫碳的理想選擇。氫能的應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為是船舶節能減排問(wèn)題的終極解決方案之一，但其研究及應用一直都是雷聲大雨點(diǎn)小，推進(jìn)緩慢。
對此，中國船級社氫燃料船舶研究項目專(zhuān)家秦傲寒對此表示 ：“綜合來(lái)看，歐洲、美國、日本、韓國等國家均在積極推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，氫燃料電池技術(shù)在汽車(chē)行業(yè)已有大量商業(yè)應用案例，相關(guān)技術(shù)標準也較為成熟。除交通運輸領(lǐng)域應用外，氫燃料電池在分布式能源、大規模儲能等領(lǐng)域也取得了成功應用，例如日本正在極力推進(jìn)‘氫能源社會(huì )’的建設，政府將大力普及家庭和工業(yè)用燃料電池。船用方面，國外燃料電池船舶應用發(fā)展仍處于研究測試階段。從 2003年以來(lái)，德國、美國、挪威、日本、韓國等國家先后開(kāi)展了部分船用燃料電池系統研究測試項目，積累了一定的船舶應用經(jīng)驗，但目前國外氫燃料電池船舶均處于研究試驗階段，氫燃料電池系統一般也僅作為船舶輔助電源而非主動(dòng)力源。另外目前的示范項目中，燃料電池功率仍比較小，一般為 80 ～ 400kW，仍然無(wú)法滿(mǎn)足船舶對于動(dòng)力系統主機功率的需求。國內方面，我國燃料電池在船舶上的應用經(jīng)驗仍是空白。目前有關(guān)單位正積極開(kāi)展研究試點(diǎn)工作，如上文所提到的中船集團正在與中國船級社合作開(kāi)展‘綠色珠江’氫燃料電池動(dòng)力系統示范船研制工作，確定‘內河 2000噸級散貨船’作為氫燃料電池動(dòng)力示范船船型。”
我國首艘氫燃料試點(diǎn)船舶設計方案
近日，國際可再生能源機構(IRENA)對外發(fā)布了《氫能 ：可再生能源的前景》報告，報告詳細分析了氫能用于能源脫碳的潛力。報告指出，通過(guò)可再生能源制取的氫氣(即“綠色氫氣”)將在全球能源轉型中發(fā)揮核心作用，預計2050年綠色氫氣將占全球能源消費的8%，尤其將在鋼鐵、化工、航運、卡車(chē)和航空業(yè)等難以脫碳的行業(yè)發(fā)揮重大潛力。報告提出，大規模發(fā)展氫能的時(shí)機已經(jīng)來(lái)臨，氫能將在能源轉型中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這意味著(zhù)，氫能應用風(fēng)口已至。對于氫能的未來(lái)研究與應用，我們應如何提前布局?對此，秦傲寒提出了他的看法 ：
一是開(kāi)展規范法規研究。配合主管機關(guān)做好氫燃料電池動(dòng)力船舶法規研究與編制工作，聯(lián)合業(yè)界將涉及船舶氫氣系統與燃料電池系統應用安全的基礎性專(zhuān)項研究驗證工作做深做實(shí)，主要包括船用燃料電池動(dòng)力系統、儲氫和加氫系統、船用氫氣管路系統、船用燃料電池及其處所安全防護、船舶氫燃料加注、設計方案風(fēng)險評估分析等方面。
二是突破工程化關(guān)鍵技術(shù)。在車(chē)用領(lǐng)域，氫燃料電池系統的開(kāi)發(fā)和應用已具備較好技術(shù)基礎與投資環(huán)境。相比而言，國內船用氫燃料電池系統研究工作剛起步。船用氫燃料電池系統功率更高、儲能更大，而且船舶環(huán)境有其特殊性，對氫源的儲氫密度、安全性、補給性有更高要求，對系統的匹配性、可靠性、安全性、環(huán)境適應性、監控與能量管理技術(shù)要求更高，相應部分工程化關(guān)鍵技術(shù)需要突破。
三是加強高密度儲氫技術(shù)和大功率燃料電池技術(shù)攻關(guān)。目前陸上車(chē)輛普遍采用高壓氣瓶?jì)浼夹g(shù)和質(zhì)子交換膜燃料電池，其儲氫密度和燃料電池功率難以滿(mǎn)足船舶需求，為此有必要開(kāi)展高能量密度儲氫技術(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。
四是加強配套基礎設施與環(huán)境建設。例如挖掘我國制氫產(chǎn)能、使氫氣價(jià)格更具競爭力 ;打通氫能物流鏈，打破氫氣運輸限制、降低氫氣運輸價(jià)格 ;加大船用加氫站建設，打造氫能加注港口 ;加強船員培訓工作、制定氫氣災害應急預案等。
