國(guó)際海事組織(IMO)公布的數(shù)據(jù)顯示，船舶行業(yè)每年的碳排放量約為10.76億噸，占世界二氧化碳排放總量的2.89%，并呈繼續(xù)增加的趨勢(shì)。在IMO 2020限硫令和“雙碳”目標(biāo)背景下，船舶行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型迫在眉睫。氫燃料被業(yè)界看作是“零碳排放”的高清潔能源，其在這一場(chǎng)脫碳的革命中將起到重要作用，因此氫能船舶也成為了船舶業(yè)實(shí)現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型的重要選擇。

國(guó)際國(guó)內(nèi)氫能發(fā)展前景及現(xiàn)狀

氫能作為一種綠色、高效的二次能源，具有來(lái)源廣泛、燃燒熱值高、清潔無(wú)污染、利用形式多種多樣等特點(diǎn)。面對(duì)能源安全、環(huán)境保護(hù)等壓力,氫能有望在能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中扮演重要角色。根據(jù)制氫過(guò)程中碳排放的不同，行業(yè)內(nèi)一般將氫能分為灰氫、藍(lán)氫及綠氫。其中：灰氫指使用煤、天然氣等化石燃料制取的氫氣，并對(duì)釋放的二氧化碳不做任何處理；藍(lán)氫指使用化石燃料制取氫氣，同時(shí)對(duì)釋放的二氧化碳進(jìn)行捕集和封存；綠氫指使用可再生能源發(fā)電電解或光解制取的氫氣。

目前，化石能源制氫仍是全球包括中國(guó)在內(nèi)的主流制氫方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)是世界上最大的制氫國(guó)，年制氫產(chǎn)量約3300萬(wàn)噸。由于中國(guó)豐富的煤炭資源特點(diǎn)，煤制氫是最首要的制氫來(lái)源，不同于全球范圍內(nèi)18%左右的比重，煤制氫在國(guó)內(nèi)占比可達(dá)六成以上，其次為工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣制氫、電解水制氫。

近年來(lái)，伴隨著國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)的綠色低碳轉(zhuǎn)型，以及氫能產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，電解水制氫迎來(lái)曙光，相關(guān)電解制氫項(xiàng)目數(shù)量和規(guī)模增長(zhǎng)迅速。一方面，可再生能源發(fā)電制氫可實(shí)現(xiàn)全周期內(nèi)的零碳排放，實(shí)現(xiàn)真正的綠氫生產(chǎn)；另一方面，隨著風(fēng)電、光電等成本下降以及平價(jià)上網(wǎng)，制氫成本也將持續(xù)下降。此外，我國(guó)可再生能源裝機(jī)量全球第一，在清潔低碳的氫能供給上具有巨大潛力。未來(lái)，隨著碳中和驅(qū)動(dòng)下清潔能源項(xiàng)目與技術(shù)的投入力度加大，低碳?xì)涞慕?jīng)濟(jì)性與規(guī)模性也有望取得突破性進(jìn)展，可再生能源電解制氫將逐步取代化石能源和工業(yè)副產(chǎn)制氫。

氫能船舶應(yīng)用有哪些

氫作為能源主要以兩種型式的動(dòng)力裝置應(yīng)用于船舶：一是應(yīng)用于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，包括純氫內(nèi)燃機(jī)或與氨/甲醇等燃料一起使用的混燒型內(nèi)燃機(jī)；二是應(yīng)用于新型動(dòng)力裝置--燃料電池。

使用氫內(nèi)燃機(jī)作為船舶動(dòng)力，具有對(duì)船體結(jié)構(gòu)改變小、耐久性高、對(duì)氫氣純度要求低、產(chǎn)成本低、易產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點(diǎn)，但其受到卡諾循環(huán)的限制，熱效率相對(duì)燃料電池較低，且氫內(nèi)燃機(jī)會(huì)產(chǎn)生氮氧化物等排放。相較之下，氫燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、振動(dòng)噪音低、技術(shù)成熟度高等優(yōu)勢(shì)，其效率可達(dá)50%~80%，排放產(chǎn)物只有水，因此目前在船用領(lǐng)域發(fā)展較為迅速。

多年來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、日本等多個(gè)國(guó)家一直都將燃料電池作為一種船舶技術(shù)儲(chǔ)備在不斷地發(fā)展。早在二十世紀(jì)八十年代，質(zhì)子交換膜燃料電池得到了一些國(guó)家海軍的重視，并率先運(yùn)用于潛艇和軍艦。2009年，挪威海工船東Eidesvik Offshore制造的第一艘海洋工程供應(yīng)船正式交付，該船以LNG為主要燃料，配備有330kW的燃料電池系統(tǒng)，是全球首艘安裝燃料電池作為部分推進(jìn)系統(tǒng)的商船，截止2012年，該船已連續(xù)運(yùn)行26280小時(shí)，成為了世界上最環(huán)保的船舶之一。

國(guó)內(nèi)氫能船舶主要應(yīng)用案例是沿海和內(nèi)河領(lǐng)域的游船，包括觀光船、公務(wù)船等。從“面世”的氫能船舶來(lái)看，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域已掌握了船用燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)等多項(xiàng)技術(shù)，商業(yè)化應(yīng)用潛力初顯。實(shí)現(xiàn)船舶的氫能應(yīng)用并不容易，從技術(shù)層面來(lái)講，船舶動(dòng)力需要的功率約為數(shù)百至數(shù)千千瓦，而目前的氫燃料電池單堆最多只能滿足一百千瓦左右的功率。由于氫燃料電池輸出特性偏軟，瞬態(tài)響應(yīng)較慢，不適合單獨(dú)作為船舶的主推進(jìn)動(dòng)力，因此理想的方案還是將氫與其他能源結(jié)合使用。氫氣盡管是質(zhì)量能量密度最高的燃料，但是其體積能量密度非常低。柴油的質(zhì)量能量密度盡管不高，但體積能量密度最高。35MPa壓縮氫氣的體積能量密度僅為柴油體積能量密度的10%左右。故而，當(dāng)燃料電池取代柴油機(jī)供給動(dòng)力時(shí)，存儲(chǔ)氫氣所需的高壓氣瓶的體積遠(yuǎn)高于目前存儲(chǔ)柴油所需的燃油艙。

另外，氫氣密度小，易泄露，還具有易燃易爆的特性，所以當(dāng)氫氣作為燃料電池的燃料時(shí)對(duì)船舶燃料艙的體積和安全性提出了更高的要求。2022年3月，中國(guó)海事局印發(fā)了《氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則(2022)》，中國(guó)船級(jí)社發(fā)布了《氫燃料電池》、《氫氣瓶》、《重整裝置》等3份涉及船用氫燃料電池系統(tǒng)的產(chǎn)品檢驗(yàn)指南，2022年7月，中國(guó)船級(jí)社(CCS)《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》(2022)也正式生效，這掃清了大量氫能船發(fā)展的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)障礙，有望大幅縮短產(chǎn)業(yè)化落地及氫能船舶規(guī)模化示范應(yīng)用的時(shí)間。

氫能船舶應(yīng)用前景

在“雙碳”背景下，2022年交通運(yùn)輸領(lǐng)域去碳化工作進(jìn)一步深入，明確提出推進(jìn)海運(yùn)業(yè)綠色智慧轉(zhuǎn)型，加強(qiáng)氫能等新能源在船舶動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)燃料電池行業(yè)龍頭企業(yè)也紛紛積極推動(dòng)氫能船舶系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用，引導(dǎo)“氫能上船”發(fā)展。氫燃料電池船舶技術(shù)經(jīng)過(guò)多年示范，實(shí)驗(yàn)結(jié)果逐漸得到驗(yàn)證，進(jìn)入項(xiàng)目商業(yè)化探索階段；此外，全球20多個(gè)國(guó)家制定氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，隨著氫能汽車數(shù)量增多，政府和社會(huì)對(duì)氫能船舶的認(rèn)知和接受度逐步提升。國(guó)內(nèi)相繼出臺(tái)多項(xiàng)政策，從技術(shù)研發(fā)、落地推廣等角度推動(dòng)氫燃料電池船舶的發(fā)展。

2022年，搭載中國(guó)船舶集團(tuán)第七一二所氫能源動(dòng)力系統(tǒng)的“三峽氫舟1號(hào)”正式開(kāi)工，標(biāo)志著我國(guó)首艘入級(jí)CCS氫燃料電池動(dòng)力工作船正式轉(zhuǎn)入建造階段。該船總長(zhǎng)49.9m，船寬10.4m，最大航速28km/h，采用500kw級(jí)氫燃料電堆，經(jīng)濟(jì)航速下最高續(xù)航里程可達(dá)200km。這一示范應(yīng)用的開(kāi)展只是船舶領(lǐng)域電動(dòng)化的一個(gè)縮影，近年來(lái)，無(wú)論是純電動(dòng)船舶還是氫能船舶，都開(kāi)始從圖紙走向碼頭，在實(shí)踐中探討其在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的可行性。純電動(dòng)船仍存在充電速度、續(xù)航、壽命、成本這四大硬傷，但只要鋰電池充電技術(shù)、電池容量密度兩者之中只要有一個(gè)取得重大突破，就可以解決純電動(dòng)船續(xù)航焦慮和電池更換成本的問(wèn)題。燃料電池船舶從理論上沒(méi)有上述問(wèn)題，但需要時(shí)間、市場(chǎng)和模式的培育。近年來(lái)，燃料電池技術(shù)已取得顯著突破，成本較5年前大幅降低。雖然鋰電池和燃料電池在技術(shù)上有一定的相似性，但其適用的場(chǎng)景并不相同，尤其在船舶中“可鋰可氫”的交叉應(yīng)用領(lǐng)域相對(duì)較少，因此氫能船舶與純電船舶會(huì)分別占有一席之地并長(zhǎng)期共存。相較鋰電池而言，氫燃料電池船舶具有加注時(shí)間短、續(xù)航里程長(zhǎng)、功率密度高等特點(diǎn)，因此在大功率、長(zhǎng)航程等場(chǎng)景下，氫能船舶優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。

總體而言，純電和氫電兩條技術(shù)路線在船舶應(yīng)用的起點(diǎn)差距不大，各有適用的場(chǎng)景，氫能產(chǎn)業(yè)化拐點(diǎn)臨近，技術(shù)擴(kuò)散正在加速，國(guó)際產(chǎn)業(yè)輿論和政策發(fā)布也有利于氫能船發(fā)展。這些因素疊加后將大概率縮短氫能船示范應(yīng)用的時(shí)間表，根據(jù)交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院的數(shù)據(jù)和專家預(yù)計(jì)，2025年氫燃料電池系統(tǒng)改造船數(shù)量和新建氫燃料電池船舶數(shù)量分別約400艘和200艘，氫燃料電池系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到200億元。據(jù)克拉克森預(yù)測(cè)，到2050年，氫燃料船舶占替代能源船舶的比例會(huì)達(dá)到40%。

未來(lái)展望

零排放的氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用于船舶是一種有效的解決方案，國(guó)內(nèi)燃料電池船舶也有一定的示范經(jīng)驗(yàn)可依，從國(guó)內(nèi)推廣LNG動(dòng)力船舶的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，政府最關(guān)心的兩個(gè)問(wèn)題是技術(shù)成熟度和管理成熟度，這需要在實(shí)踐中進(jìn)行反復(fù)的試錯(cuò)和迭代。按照國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，遵循“項(xiàng)目示范-小規(guī)模示范應(yīng)用-大規(guī)模示范推廣-商業(yè)化推廣”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)律，因此找對(duì)場(chǎng)景、選對(duì)技術(shù)方案、積累數(shù)據(jù)和技術(shù)迭代是首要工作。中國(guó)作為造船大國(guó)、航運(yùn)大國(guó)，必須跟上國(guó)際船舶電動(dòng)化發(fā)展腳步，抓住船舶電動(dòng)化轉(zhuǎn)型發(fā)展機(jī)會(huì)，快速形成燃料電池船舶的實(shí)踐項(xiàng)目，制定各類標(biāo)準(zhǔn)、探索產(chǎn)業(yè)化技術(shù)和模式，打造零碳、綠色氫能船舶大國(guó)。（陳立劍 秦傲寒）