氫能應用：內河氫動力船舶迎來發展新機遇
來源：《中國工程科學》 2022-11-07
2022年是國內氫能船舶起跑之年，打破了此前僅處于喊口號的狀態，國內氫燃料電池車已經在多個省市進行了成熟的示范運營，燃料電池技術也不斷突破，且車和船舶燃料電池的同步發展，具有產業協同效應，現階段發展氫能船舶時機已經基本成熟。
政策支持推動著產業發展。今年9月28日，工業和信息化部、發展改革委、財政部、生態環境部、交通運輸部聯合發布《關于加快內河船舶綠色智能發展的實施意見》。文件制定了以2025年和2030年為節點的內河船舶發展目標，全面推動綠色燃料船舶的發展，建立初步的產業體系，而其中氫燃料憑借其清潔、易獲取等特點，在綠色船舶的推廣中獨具優勢。
從氫能船舶的標準法規發展情況來看，國內已經啟動7個氫能船舶專項驗證工作，再加上《氫燃料電池動力船舶技術與檢驗暫行規則》和《船舶應用燃料電池發電裝置指南》等文件，初步形成了體系性的標準。
當前，國內已經初步具備燃料電池船舶的概念評估、圖紙審核、產品檢驗和船舶檢驗能力，目前已經有三款船用燃料電池系統和一款船用儲氫系統取得認證，為氫能在船舶領域的應用打下了堅實的基礎。
此外，今年國內在氫能船舶的示范項目也取得了新的進展，例如今年5月份，國內首艘氫燃料電池動力工作船“三峽氫舟1號”進入建造階段，計劃2023年建造完工，2024年投入使用，主要用于三峽庫區及兩壩之間的交通、巡查等工作；8月份，國內首個內河氫燃料電池動力船舶及加氫一體站開建，計劃2024年建造完成。
不過氫能船舶發展依然存在部分問題，一是在燃料電池技術發展初期階段，氫能船舶的成本依舊過高，目前船用燃料電池系統的成本比車用燃料電池系統高一倍，不過按照目前的發展預測，2030年車用燃料電池系統成本低于500元/KW的目標下，船用燃料電池系統的成本對比傳統船用動力也能具備成本優勢。第二個難點是加氫問題，船舶加氫沒有可依的標準，并且在碼頭船舶加氫，船舶涉及到一個水位落差和傾斜搖擺的問題，簡單地用車用加氫方案是沒有辦法完成的，仍需要做一些突破和創新。
針對氫能船舶發展這個話題，近期，《中國工程院院刊》上發表的《我國氫動力船舶創新發展研究》一文對氫動力船舶發展現狀與產業布局作出研判，同時也對氫動力船舶產業技術經濟可行性作出具體分析。
一、氫動力船舶發展現狀與產業布局研判
（一）氫動力船舶發展現狀
1. 氫動力船舶
在現階段，氫燃料電池適用于多種內河船舶，可作為小型船舶的主動力，也可作為大型船舶的輔助動力；以質子交換膜燃料電池（PEMFC）類型為主，功率等級相比傳統柴油機動力有較大差距。發達國家已成功研制不同類型氫動力船舶并取得示范應用效果，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；后續將深化研究與應用，如挪威“Ulstein SX190”海上工程船、“Topeka”滾裝船，意大利“ZEUS”試驗船等（見圖1）。除燃料電池外，氫內燃機也是船舶應用氫能的重要途徑，如比利時、日本研制的氫內燃機拖船“Hydrotug”、渡船“Hydro Bingo”。日本企業（如川崎重工業株式會社、洋馬株式會社等）積極研制氫內燃機，正在開發中速四沖程發動機、中高速四沖程發動機、低速二沖程發動機。
圖1 國內外氫動力船舶的產品情況
我國前期研制了“富原一號”“天翔1號”氫動力實驗船（見圖1），但船型、功率均較小。隨著陸上新能源汽車產業的蓬勃發展，氫能和燃料電池技術快速成熟，為我國氫動力船舶提供了良好的發展機遇。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”內河貨船、“三峽氫舟1號”公務船，燃料電池功率達到500千瓦級。盡管如此，國內船型與國際先進產品相比仍存有一定差距，同時我國氫動力船舶的系統集成技術尚未完全成熟。
2. 燃料電池系統
目前，氫動力船舶用燃料電池的單組功率為百千瓦級，裝船使用時通常采用多組燃料電池級聯而成，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”內河貨船擬配備4組135 kW PEMFC。兆瓦級燃料電池系統作為未來重點發展方向，是實現燃料電池在船舶上廣泛應用的基礎；“Topeka”滾裝船、“Ulstein SX190”海上工程船采用的燃料電池系統功率分別為3 MW、2 MW；巴拉德動力系統公司研制了200 kW船用燃料電池模塊，最多可6組使用，即燃料電池系統功率可擴展至1.2 MW。國產船用燃料電池功率等級與國外產品相比仍存在一定差距。2021年，武漢眾宇動力系統科技有限公司取得船用燃料電池產品型式認可證書，相應的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。
船舶燃料電池系統通常配備一定容量的蓄電池來對燃料電池輸出功率進行“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到1.5 MW·h。可根據船舶功率需求，結合燃料電池和蓄電池供能特征，構建匹配的系統模型以優化蓄電池配置。
3. 儲氫裝置
現有的氫動力船舶較多采用高壓氣態儲氫方式，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”試驗船等。鑒于高壓氣態儲氫方式的儲氫密度較低、液氫相關技術成熟，發達國家的大型氫動力船舶設計方案多采用低溫液態儲氫方式，如“Topeka”滾裝船、“AQUA”概念游艇等。氫動力船舶的續航里程與船載儲氫量密切相關。一般認為受制于船載儲氫技術，氫動力船舶僅適用于短距離航行，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船的設計續航時間分別為3d、2d。
氫動力汽車相關的加氫技術快速成熟，為解決氫動力船舶加注問題確定了良好基礎。在“Alsterwasser”游船示范運營過程中，德國林德集團在搭建碼頭加氫站，為氫動力船舶提供持續的氫源供應；“Ulstein SX190”海上工程船配有可更換的儲氫模塊，通過“換罐”方式補充氫能，為氫動力船舶的燃料補給提供了新思路。在我國，船用儲氫技術目前以高壓儲氫為主，后續朝著能量密度更高的儲氫技術路線方向發展。
（二）氫動力船舶產業鏈發展態勢
船舶產業鏈包括上游的原材料及配套設施、中游的船舶總裝制造、下游的船舶服務等環節。
1. 上游環節
船舶上游環節涉及原材料供應、零部件配套等。國外船用燃料電池技術研發活動開展較早，巴拉德動力系統公司、豐田汽車公司等率先推出船用動力系統，在包括氫氣設備開發、船體設計與建造、運營管理、氫燃料供應在內的船舶價值鏈方面具有優勢，尤其在船舶大功率燃料電池技術方面保持領先。
我國企業生產的質子交換膜（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，推動了膜電極產品的車載批量應用。武漢眾宇動力系統科技有限公司自主研制的船用燃料電池系統、中集安瑞科控股有限公司生產的30 MPa船用儲氫瓶組已批量出口，都反映了國內氫能與燃料電池行業的良好發展勢頭。也要清醒認識到，我國船舶相關配套技術水平與世界先進水平仍有不小差距，部分核心配套設備依賴進口的局面有待打破。
2. 中游環節
美國、歐盟、日本、韓國的相關航運或燃料電池企業都在積極參與氫動力船舶研發，所開展的示范應用體現出了良好的運營效果。
從綜合指標看，我國部分船舶制造企業在規模上已進入世界大型船舶企業集團之列，但在新船型、高端船型的開發與設計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展階段，已下水的“蠡湖號”“仙湖1號”船型較小，PEMFC系統輸出功率僅為數十千瓦；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，應用示范明顯滯后。
3. 下游環節
在美國、歐盟，資源型或綜合型港口都積極參與氫能港口轉型行動，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用試驗，西班牙瓦倫西亞港通過H2Ports試點項目來示范應用氫動力正面吊。
著眼“雙碳”發展目標，我國港口正在開展氫能應用示范以推進港口綠色化建設。例如，青島港以打造“中國氫港”為目標，應用了氫動力自動化軌道吊；寧波舟山港穿山港區正在開展“風、光、儲、氫”多能源融合示范項目，以風光可再生資源發電、電解水制氫的形式為港區氫負荷（包括氫動力集卡、叉車等）提供穩定氫源，提高能源自洽率并降低碳排放水平。
二、發展氫動力船舶的技術經濟可行性
（一）氫和氨燃料
制氫技術分為化石能源制氫、工業副產制氫、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，但在一定時間內仍占重要地位。利用可再生能源實現低成本、高效率制氫是未來大規模制氫的發展方向，也是各國氫能領域支持的重點方面。現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到90%，因此控制綠氫成本關鍵在于降低可再生能源電價與電解槽成本。未來通過降低可再生能源發電成本、提升電解槽技術水平、以規模化應用促進成本下降，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模化應用逐步提供了經濟可行性。
氨燃料是另一種具有應用前景的零碳燃料，還可作為儲氫載體，其能量密度較高、生產成本低、易于儲存和運輸、產業基礎完善，在船舶應用方面具有優勢。我國合成氨技術和產業成熟，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》預測，在“雙碳”目標背景下，我國氨產量將由2020年的5.4×107 t增加至2060年的8×107 t，且2060年有2/3的氨燃料應用于航運行業，至少滿足水運行業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成本的關鍵，預計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。
（二）氫燃料電池
2010年以來，氫燃料電池成本降低了約60%。根據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書（2019版）》提出的目標，燃料電池系統的成本將從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的功率為500 kW，則2050年單船燃料電池系統成本可控制在15萬元左右。
隨著我國氫能產業的蓬勃發展，國產燃料電池的電堆功率、最低啟動溫度、壽命等指標均得以大幅改善，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成本的65%，電堆成本仍有下降空間，中長期的降幅可達85%。我國企業積極布局雙極板、膜電極、空氣壓縮機、氫氣循環泵等燃料電池關鍵零部件研制，如上海捷氫科技股份有限公司生產的燃料電池電堆，58個核心一級零部件全部實現國產化，采用新型貴金屬涂層的金屬雙極板和優化結構進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了明顯下降勢頭（3000~4000元/kW），甚至部分產品報價下降至2000元/kW。盡管如此，氫燃料電池電堆及系統的可靠性、耐久性是商業化應用的關鍵，仍待持續優化提升。
（三）氫內燃機
現有氫內燃機的有效熱效率為35%~45%，而PEMFC系統的效率為50%~60%；雖然氫內燃機的效率偏低，但功率可以達到高值（目前可達到兆瓦級），已用于拖船和渡船。在成本方面，氫內燃機明顯低于PEMFC系統，以100 kW發電裝置為例，基于當前技術的氫內燃機成本僅為PEMFC系統的50% 。可以預判，隨著船舶儲氫技術的發展、氫能基礎設施的完善，氫內燃機在船舶上可取得廣泛應用。
（四）基礎設施
在我國，現有加氫技術與基礎設施以車輛應用為主，而船舶應用基本空白；主流的加氫站規模為500 kg/d、1000 kg/d，對應的建設成本分別為1200~1500萬元、2000~2500萬元（不考慮土地成本），其中設備、土建成本占比超過70%。氫氣壓縮機、儲氫罐（分為高壓儲氫罐和液氫儲罐）、加氫機是加氫站的核心裝備。在氫氣壓縮機方面，隔膜式壓縮機、液驅式壓縮機已實現國產化，未來有望逐步占據國內市場，而離子式壓縮機需進一步研制。加氫站儲氫裝置已具備一定的自主化基礎，如中集安瑞科控股有限公司生產的45 MPa大容積無縫鋼制儲氫氣瓶已實現出口，300 m3大型液氫儲罐完成了方案設計和小批量生產。35 MPa規格的加氫機基本實現國產，但加氫槍、流量計、閥件等核心零部件依賴進口；國內企業已掌握70 MPa加氫技術，但相關應用落后于國外。
在氫動力船舶發展初期，宜借助氫動力汽車的良好發展勢頭，積累基礎設施相關技術；逐步開展船舶領域的氫能應用，以技術改進與裝備更新的方式匹配氫動力船舶的專有應用需求。
（五）船舶總擁有成本
船舶總擁有成本（TCO）包括建造成本、運營成本：前者分為主動力系統成本、輔助動力成本、燃料儲罐成本、船身及其他零部件成本等，后者涵蓋燃料成本、維修成本、箱位損失、人員工資、保修費等。由于氫動力船舶仍處于研制與小規模應用階段，相關的TCO分析依然不夠充分。針對15 000 TEU氨氫動力集裝箱船開展的TCO分析表明，假定配備1臺51 MW氨發動機作為主動力，2臺4 MW、2臺2 MW氫燃料電池系統作為輔助動力，則TCO約是同等條件下傳統燃料船舶的2倍；燃料成本是影響氨氫動力船舶經濟性能的重要參數。
總而言之，今年，內河氫船迎來新的發展機遇。此前，國際海事組織（IMO）發布過碳減排目標，到2030年，全球海運領域二氧化碳排放平均排放量與2008年相比至少降低40%，2050年降低70%，而我國船舶工業是國家支柱產業，2021年，國內船舶工業GDP超過5000億人民幣，尾氣排放量超過220萬噸，是碳排放較大領域，因此推動綠色燃料船舶的發展較為緊迫。另外，船舶動力系統的造價占船舶設備的35%，占全船總造價的25%，由此可見，與汽車領域類似，氫能在船舶領域同樣具有廣闊的發展空間。
