隨著減排措施逐步加碼，綠色能源動力已成為未來的主要發(fā)展方向。這時，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。本次我國首艘氫燃料試點船舶設計方案的發(fā)布，無疑將氫燃料的研究與應用向前推進了一大步，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鍵。氫氣具有燃點低、爆炸區(qū)間范圍寬和擴散系數(shù)大等特點，長期以來被作為?；饭芾怼Ｒ虼?，明確氫的危險性，對氫安全事故后果及預防展開基礎研究，從而為相關標準和法規(guī)的制定提供可靠依據(jù)，是氫能技術可持續(xù)發(fā)展和應用的重要保障。一直以來，氫安全備受政府重視。除標準體系技術規(guī)范的建設外，國內外氫能應用的實踐也為氫的安全保障工作積累了豐富的經驗。
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船舶設計方案的船型為 500kW級內河氫燃料電池動力貨船。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力源的內河船舶設計方案。該船為 2100噸級定點航線內河自卸貨船，采用4x135kW質子交換膜氫燃料電池作為船舶主動力源，輔以 4x250kWh鋰電池組進行調峰補償，同時船舶載有 35MPa高壓氫氣瓶組儲存氫氣燃料，續(xù)航力約為 140公里，詳見下圖。
中國船舶集團605院500kW級內河氫燃料電池動力貨船
目前該船的船舶總體技術設計和氫燃料動力系統(tǒng)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。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(tǒng)，示范船的技術方案基本滿足指南相關技術要求，安全風險可控。中國船舶集團 605院正聯(lián)合中船動力院、廣船國際等單位開展該船的研制工作，計劃于 2021年底完成示范船的建造并在珠江水域示范運營。
隨著氫能優(yōu)勢的逐漸凸顯，全球主要國家也紛紛開始對氫能與燃料電池的發(fā)展投以較高關注，美國、日本、德國等發(fā)達國家已經將氫能上升到國家能源戰(zhàn)略高度，不斷加大對氫能及燃料電池的研發(fā)和產業(yè)化扶持力度。
近年來，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小的區(qū)域，如河流和湖泊，連續(xù)使用時間和功率的要求都不大。2003年以來，燃料電池在游船上主要作為輔助電源和主推進使用，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 鯨 船“SMART-H2ELDINGI”號。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)構成，并可以在觀鯨期間切換至由內燃機供電。
全球首個在商業(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(qū)域使用零排放的船舶并進行實際的測試，以推廣此技術在航運界更廣泛的應用。該船整合了兩個峰值功率 48kW的燃料電池和 560V的鉛蓄電池，船長為 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”項目是為了實現(xiàn)歐洲內陸客船上燃料電池及氫能源的應用，以及相關的加注燃料設施的構建。該船長為 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的運河上，用于運河旅游事業(yè)。
“VikingLady”項目由挪威研究理事會、挪威創(chuàng)新署和德國聯(lián)邦經濟技術部贊助，是一艘 92.2m長的平臺供應船，采用混合動力推進，配有 68x6.5kWh的燃料電池系統(tǒng)和電池組，該船在動力定位工況以及在港口時采用燃料電池及電池組供電，以降低排放和能耗，根據(jù)相關資料該船降低了 15%左右的能耗。
氫能到底有多能？
為了實現(xiàn)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、太陽能、風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)都為其背書的液化天然氣(LNG)。然而，隨著環(huán)保進程的推進，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(shù)據(jù)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說清潔許多，但其并不能滿足最終的零碳目標。同時，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，出于對安全、環(huán)保、高效、可靠、經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)未來應用的焦點。
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，也是宇宙中含量最高的物質。據(jù)《中國氫能源及燃料電池產業(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反應，產物只有水，沒有傳統(tǒng)能源利用所產生的污染物及碳排放。此外，生成的水還可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用，真正實現(xiàn)低碳甚至零碳排放，有效緩解溫室效應和環(huán)境污染。氫能的來源多樣，儲量豐富。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、生物質熱裂解或微生物發(fā)酵等途徑制取，還可以來自焦化、氯堿、鋼鐵、冶金等工業(yè)副產氣，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)，是同質量焦炭、汽油等化石燃料熱值的 3 ～ 4倍，通過燃料電池可實現(xiàn)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(tǒng)互補協(xié)同，是跨能源網絡協(xié)同優(yōu)化的理想互聯(lián)媒介。氫能應用場景豐富。氫可廣泛應用于能源、交通運輸、工業(yè)、建筑等領域。既可以直接為煉化、鋼鐵、冶金等行業(yè)提供高效原料、還原劑和高品質的熱源，有效減少碳排放 ;也可以通過燃料電池技術應用于汽車、軌道交通、船舶等低長距領域，降離高負荷交通對石油和天然氣的依賴 ;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
氫能，作為一種來源豐富、清潔無碳、靈活高效、應用場景豐富的二次能源，是推動傳統(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，也是實現(xiàn)交通運輸領域大規(guī)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革命的重要方向。然而，盡管氫能源已被公認為是船舶節(jié)能減排問題的終極解決方案之一，但其研究及應用一直都是雷聲大雨點小，推進緩慢。
對此，中國船級社氫燃料船舶研究項目專家秦傲寒對此表示 ：“綜合來看，歐洲、美國、日本、韓國等國家均在積極推動氫能產業(yè)發(fā)展，氫燃料電池技術在汽車行業(yè)已有大量商業(yè)應用案例，相關技術標準也較為成熟。除交通運輸領域應用外，氫燃料電池在分布式能源、大規(guī)模儲能等領域也取得了成功應用，例如日本正在極力推進‘氫能源社會’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，德國、美國、挪威、日本、韓國等國家先后開展了部分船用燃料電池系統(tǒng)研究測試項目，積累了一定的船舶應用經驗，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(tǒng)一般也僅作為船舶輔助電源而非主動力源。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，仍然無法滿足船舶對于動力系統(tǒng)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驗仍是空白。目前有關單位正積極開展研究試點工作，如上文所提到的中船集團正在與中國船級社合作開展‘綠色珠江’氫燃料電池動力系統(tǒng)示范船研制工作，確定‘內河 2000噸級散貨船’作為氫燃料電池動力示范船船型。”
我國首艘氫燃料試點船舶設計方案
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(guī)模發(fā)展氫能的時機已經來臨，氫能將在能源轉型中發(fā)揮關鍵作用。這意味著，氫能應用風口已至。對于氫能的未來研究與應用，我們應如何提前布局?對此，秦傲寒提出了他的看法 ：
一是開展規(guī)范法規(guī)研究。配合主管機關做好氫燃料電池動力船舶法規(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)應用安全的基礎性專項研究驗證工作做深做實，主要包括船用燃料電池動力系統(tǒng)、儲氫和加氫系統(tǒng)、船用氫氣管路系統(tǒng)、船用燃料電池及其處所安全防護、船舶氫燃料加注、設計方案風險評估分析等方面。
二是突破工程化關鍵技術。在車用領域，氫燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)和應用已具備較好技術基礎與投資環(huán)境。相比而言，國內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(tǒng)的匹配性、可靠性、安全性、環(huán)境適應性、監(jiān)控與能量管理技術要求更高，相應部分工程化關鍵技術需要突破。
三是加強高密度儲氫技術和大功率燃料電池技術攻關。目前陸上車輛普遍采用高壓氣瓶儲氫技術和質子交換膜燃料電池，其儲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氫技術(如液氫)和大功率燃料電池技術(如高溫燃料電池)船用化技術研發(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能、使氫氣價格更具競爭力 ;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。
