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氢能有望成为航运业低碳转型重要突破口

发布日期:2020/2/27




     随着减排措施逐步加码,绿色能源动力已成为未来的主要发展方向。这时,具备独特优异特性的氢能被推到聚光灯下。2019年12月,在第 20届中国国际海事展期间举办的中国船级社(CCS)绿色技术论坛上,由中国船舶集团自主设计研发的我国首艘氢燃料试点船舶设计方案正式对外发布,并获得中国船级社的原理认可(AiP)证书。本次我国首艘氢燃料试点船舶设计方案的发布,无疑将氢燃料的研究与应用向前推进了一大步,具有里程碑意义。

   
     氢能上船


     对于新型燃料,保障其安全应用最为关键。氢气具有燃点低、爆炸区间范围宽和扩散系数大等特点,长期以来被作为危化品管理。因此,明确氢的危险性,对氢安全事故后果及预防展开基础研究,从而为相关标准和法规的制定提供可靠依据,是氢能技术可持续发展和应用的重要保障。一直以来,氢安全备受政府重视。除标准体系技术规范的建设外,国内外氢能应用的实践也为氢的安全保障工作积累了丰富的经验。


    本次在第 20届中国国际海事展期间推出的我国首艘氢燃料试点船舶设计方案的船型为 500kW级内河氢燃料电池动力货船。该船是中国船舶集团广州船舶及海洋工程设计研究院(605院)自主设计研发的我国首艘以氢燃料电池为主动力源的内河船舶设计方案。该船为 2100吨级定点航线内河自卸货船,采用4x135kW质子交换膜氢燃料电池作为船舶主动力源,辅以 4x250kWh锂电池组进行调峰补偿,同时船舶载有 35MPa高压氢气瓶组储存氢气燃料,续航力约为 140公里,详见下图。




中国船舶集团605院500kW级内河氢燃料电池动力货船


     目前该船的船舶总体技术设计和氢燃料动力系统原理设计工作已基本完成,并于 2019年 12月取得了中国船级社颁发的AIP证书。示范船的AiP认可主要参照 CCS《船舶应用替代燃料指南》第 2部分燃料电池系统,示范船的技术方案基本满足指南相关技术要求,安全风险可控。中国船舶集团 605院正联合中船动力院、广船国际等单位开展该船的研制工作,计划于 2021年底完成示范船的建造并在珠江水域示范运营。


     随着氢能优势的逐渐凸显,全球主要国家也纷纷开始对氢能与燃料电池的发展投以较高关注,美国、日本、德国等发达国家已经将氢能上升到国家能源战略高度,不断加大对氢能及燃料电池的研发和产业化扶持力度。


     近年来,为了使氢能上船,业界做了大量研究,且已获得显著成效。应用形式上,目前主要以燃料电池为主。早期,燃料电池系统在船舶上使用主要是游艇,并且许多游艇仅用于相对小的区域,如河流和湖泊,连续使用时间和功率的要求都不大。2003年以来,燃料电池在游船上主要作为辅助电源和主推进使用,功率范围在2 ~ 24kW,最早的燃料电池游轮是“SailingYachtNo1”号,于 2013年 10月投入使用。


     在一般的商业应用方面,2008年 4月 投 入 使 用 的 125吨 观 鲸 船“SMART-H2ELDINGI”号。该船可容纳 150名乘客,辅助供电系统(APU)由压缩氢气供气的 10kW燃料电池系统构成,并可以在观鲸期间切换至由内燃机供电。


    全球首个在商业客轮上使用燃料电池的项目ZEMSHIP项目起始中国船舶集团605院500kW级内河氢燃料电池动力货船 于 2007年,由欧盟 EU-Life项目资金资助,其目的是为了在环境敏感区域使用零排放的船舶并进行实际的测试,以推广此技术在航运界更广泛的应用。该船整合了两个峰值功率 48kW的燃料电池和 560V的铅蓄电池,船长为 25.5米,船宽 5.25米,可以运送 100名乘客。该船于2008年 8月投入使用。


   “FuelCellBoatAmsterdam”项目是为了实现欧洲内陆客船上燃料电池及氢能源的应用,以及相关的加注燃料设施的构建。该船长为 22米,船宽 4.25米,配备 60 ~ 70kW燃料电池系统,乘客数量为 100名。“FuelCellBoatAmsterdam”在荷兰Bodewes船厂建造,于 2009年初航行于 Amsterdam的运河上,用于运河旅游事业。


   “ZEMSHIPSProject-FCSALSTERWASSER”号


   “VikingLady”项目由挪威研究理事会、挪威创新署和德国联邦经济技术部赞助,是一艘 92.2m长的平台供应船,采用混合动力推进,配有 68x6.5kWh的燃料电池系统和电池组,该船在动力定位工况以及在港口时采用燃料电池及电池组供电,以降低排放和能耗,根据相关资料该船降低了 15%左右的能耗。





“VikingLady”号,MTU公司燃料电池组和电气单线图


     氢能到底有多能?


     为了实现航运业减排目标,人们将目光对准了清洁能源,逐步加大了包括天然气、锂电池、燃料电池、太阳能、风能以及核能等新能源的研究和应用。在这众多的清洁能源中,最热的当属连国际海事组织(IMO)都为其背书的液化天然气(LNG)。然而,随着环保进程的推进,人们也逐渐意识到,LNG并不是真正的清洁能源。首先,LNG大部分由甲烷构成,其余部分非常复杂,无法确认其完整的清洁属性。其次,甲烷并不属于清洁气体,有数据显示,每立方米的甲烷所造成的温室效应约为二氧化碳的 20 ~ 25倍。由此,尽管LNG相对于煤炭和石油来说清洁许多,但其并不能满足最终的零碳目标。同时,上述能源均属于不可再生能源,存量有限,终有用完之日。因此,寻找新的、可再生的替代能源迫在眉睫。这时,出于对安全、环保、高效、可靠、经济等各方面因素的考虑,同样身处清洁能源梯队的氢能脱颖而出,成为航运业未来应用的焦点。


     

    氢 (H),在元素周期表中排名第一位,是地球的重要组成元素,是大自然中最常见的物质,也是宇宙中含量最高的物质。据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书 2019》介绍,氢能属于清洁低碳能源。不论氢燃烧还是通过燃料电池的电化学反应,产物只有水,没有传统能源利用所产生的污染物及碳排放。此外,生成的水还可继续制氢,反复循环使用,真正实现低碳甚至零碳排放,有效缓解温室效应和环境污染。氢能的来源多样,储量丰富。作为二次能源,氢不仅可以通过煤炭、石油、天然气等化石能源重整、生物质热裂解或微生物发酵等途径制取,还可以来自焦化、氯碱、钢铁、冶金等工业副产气,也可以利用电解水制取,特别是与可再生能源发电结合,不仅实现全生命周期绿色清洁,更拓展了可再生能源的利用方式。氢能灵活高效。氢热值高 (140.4MJ/kg),是同质量焦炭、汽油等化石燃料热值的 3 ~ 4倍,通过燃料电池可实现综合转化效率90%以上。氢能可以成为连接不同能源形式 (气、电、热等 )的桥梁,并与电力系统互补协同,是跨能源网络协同优化的理想互联媒介。氢能应用场景丰富。氢可广泛应用于能源、交通运输、工业、建筑等领域。既可以直接为炼化、钢铁、冶金等行业提供高效原料、还原剂和高品质的热源,有效减少碳排放 ;也可以通过燃料电池技术应用于汽车、轨道交通、船舶等低长距领域,降离高负荷交通对石油和天然气的依赖 ;还可应用于分布式发电,为家庭住宅、商业建筑等供电供暖。


    提前布局氢路线


    氢能,作为一种来源丰富、清洁无碳、灵活高效、应用场景丰富的二次能源,是推动传统化石能源清洁高效利用和支撑可再生能源大规模发展的理想互联媒介,也是实现交通运输领域大规模深度脱碳的理想选择。氢能的应用将逐步成为全球能源技术革命的重要方向。然而,尽管氢能源已被公认为是船舶节能减排问题的终极解决方案之一,但其研究及应用一直都是雷声大雨点小,推进缓慢。


     对此,中国船级社氢燃料船舶研究项目专家秦傲寒对此表示 :“综合来看,欧洲、美国、日本、韩国等国家均在积极推动氢能产业发展,氢燃料电池技术在汽车行业已有大量商业应用案例,相关技术标准也较为成熟。除交通运输领域应用外,氢燃料电池在分布式能源、大规模储能等领域也取得了成功应用,例如日本正在极力推进‘氢能源社会’的建设,政府将大力普及家庭和工业用燃料电池。船用方面,国外燃料电池船舶应用发展仍处于研究测试阶段。从 2003年以来,德国、美国、挪威、日本、韩国等国家先后开展了部分船用燃料电池系统研究测试项目,积累了一定的船舶应用经验,但目前国外氢燃料电池船舶均处于研究试验阶段,氢燃料电池系统一般也仅作为船舶辅助电源而非主动力源。另外目前的示范项目中,燃料电池功率仍比较小,一般为 80 ~ 400kW,仍然无法满足船舶对于动力系统主机功率的需求。国内方面,我国燃料电池在船舶上的应用经验仍是空白。目前有关单位正积极开展研究试点工作,如上文所提到的中船集团正在与中国船级社合作开展‘绿色珠江’氢燃料电池动力系统示范船研制工作,确定‘内河 2000吨级散货船’作为氢燃料电池动力示范船船型。”




     我国首艘氢燃料试点船舶设计方案


     近日,国际可再生能源机构(IRENA)对外发布了《氢能 :可再生能源的前景》报告,报告详细分析了氢能用于能源脱碳的潜力。报告指出,通过可再生能源制取的氢气(即“绿色氢气”)将在全球能源转型中发挥核心作用,预计2050年绿色氢气将占全球能源消费的8%,尤其将在钢铁、化工、航运、卡车和航空业等难以脱碳的行业发挥重大潜力。报告提出,大规模发展氢能的时机已经来临,氢能将在能源转型中发挥关键作用。这意味着,氢能应用风口已至。对于氢能的未来研究与应用,我们应如何提前布局?对此,秦傲寒提出了他的看法 :
一是开展规范法规研究。配合主管机关做好氢燃料电池动力船舶法规研究与编制工作,联合业界将涉及船舶氢气系统与燃料电池系统应用安全的基础性专项研究验证工作做深做实,主要包括船用燃料电池动力系统、储氢和加氢系统、船用氢气管路系统、船用燃料电池及其处所安全防护、船舶氢燃料加注、设计方案风险评估分析等方面。


     二是突破工程化关键技术。在车用领域,氢燃料电池系统的开发和应用已具备较好技术基础与投资环境。相比而言,国内船用氢燃料电池系统研究工作刚起步。船用氢燃料电池系统功率更高、储能更大,而且船舶环境有其特殊性,对氢源的储氢密度、安全性、补给性有更高要求,对系统的匹配性、可靠性、安全性、环境适应性、监控与能量管理技术要求更高,相应部分工程化关键技术需要突破。


     三是加强高密度储氢技术和大功率燃料电池技术攻关。目前陆上车辆普遍采用高压气瓶储氢技术和质子交换膜燃料电池,其储氢密度和燃料电池功率难以满足船舶需求,为此有必要开展高能量密度储氢技术(如液氢)和大功率燃料电池技术(如高温燃料电池)船用化技术研发工作。


    四是加强配套基础设施与环境建设。例如挖掘我国制氢产能、使氢气价格更具竞争力 ;打通氢能物流链,打破氢气运输限制、降低氢气运输价格 ;加大船用加氢站建设,打造氢能加注港口 ;加强船员培训工作、制定氢气灾害应急预案等。



来源:氢云链

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