航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放量約占全球總量的 2.5%，每年排放近10億噸二氧化碳。聯(lián)合國(guó)航運(yùn)管理機(jī)構(gòu)國(guó)際海事組織（IMO）呼吁到2050年將溫室氣體排放量在2008年的水平上減少50%，以便使該行業(yè)與排放目標(biāo)相協(xié)調(diào)。

然而，由于低碳燃料在要求的規(guī)模上沒有得到廣泛使用，在未來幾十年內(nèi)整個(gè)航運(yùn)業(yè)將面臨巨大的脫碳?jí)毫?。為了?shí)現(xiàn)國(guó)際海事組織的目標(biāo)，行業(yè)領(lǐng)袖們表示，到2030年，第一批凈零排放的船舶必須進(jìn)入全球艦隊(duì)。因此，探索低碳燃料的替代品，為未來幾十年即將到來的能源轉(zhuǎn)型做準(zhǔn)備，勢(shì)在必行。

01 

氫是目前清潔燃料替代品的領(lǐng)導(dǎo)者

在目前正在試用的幾種清潔燃料替代品中，氫顯然是最受關(guān)注的。全球海事論壇從2021年3月開始的一項(xiàng)研究調(diào)查了106個(gè)著眼于全球海運(yùn)零排放的項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)近一半的項(xiàng)目集中于氫作為低碳燃料來源。與其他燃料替代品相比，氫燃料的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是使用氫燃料電池改裝現(xiàn)有船舶相對(duì)容易。

雖然還沒有大型運(yùn)輸船使用氫進(jìn)行測(cè)試，但美國(guó)、比利時(shí)、法國(guó)和挪威已經(jīng)對(duì)氫動(dòng)力渡輪和小型運(yùn)輸船進(jìn)行了試航。

02

氫作為運(yùn)輸燃料的好處是什么？

現(xiàn)有的全球氫市場(chǎng)。全世界每年生產(chǎn)7000萬噸的氫氣用于工業(yè)用途。此外，由于預(yù)計(jì)清潔能源需求將不斷增加，公司和國(guó)家將尋求擴(kuò)大生產(chǎn)能力的項(xiàng)目，因此氫市場(chǎng)在未來將不斷增大。例如，德國(guó)的目標(biāo)是到2040年為綠色氫創(chuàng)造1000萬千瓦的國(guó)內(nèi)電解能力。

氫可以大量?jī)?chǔ)存很長(zhǎng)一段時(shí)間。這對(duì)航運(yùn)業(yè)、一般交通運(yùn)輸、工業(yè)和能源部門都是有利的。

燃料電池技術(shù)不斷發(fā)展，并且可以在大多數(shù)船舶上進(jìn)行改造。對(duì)于較大型船舶，燃料電池通常用于與柴油發(fā)電機(jī)組成混合動(dòng)力系統(tǒng)或是直接用于輔助動(dòng)力系統(tǒng)來進(jìn)行工作。對(duì)于小型船舶，燃料電池系統(tǒng)已可以作為主推進(jìn)系統(tǒng)工作。

藍(lán)氫和綠氫為航運(yùn)業(yè)提供了一條顯著減少溫室氣體排放的途徑。此外，氫燃料電池相對(duì)安靜，限制了噪音污染，只釋放水作為副產(chǎn)品，符合國(guó)際上各公約對(duì)船舶排放的限制要求。

03

氫作為運(yùn)輸燃料面臨哪些挑戰(zhàn)？

氫氣安全性需要考慮。由于船舶的發(fā)動(dòng)機(jī)室空間有限，如果處理不當(dāng)，任何輕微的泄漏都很容易導(dǎo)致氫氣積聚和爆炸。因此，儲(chǔ)氫場(chǎng)所和燃料電池艙應(yīng)有適當(dāng)?shù)陌踩胧?，以確保安全完整性水平。

燃料電池穩(wěn)定性有待提高。氫燃料電池對(duì)工作溫度的兼容性、對(duì)環(huán)境毒性的敏感性及啟停循環(huán)中的耐久性等問題仍待解決。此外，船舶行駛的特殊工作環(huán)境如腐蝕、震動(dòng)撞擊、搖晃程度等環(huán)境因素都會(huì)造成電池堆內(nèi)部的不平衡性，需要特別注意。

氫氣價(jià)格昂貴。雖然灰氫目前價(jià)格與傳統(tǒng)燃料來源相當(dāng)具有競(jìng)爭(zhēng)力，價(jià)格約為1~2美元/kg。但灰氫無法提供可持續(xù)的解決方案，以減少溫室氣體排放的規(guī)模。藍(lán)氫比灰氫貴30-80%，綠氫比灰氫貴4倍。雖然隨著可再生電力和電解成本的下降，藍(lán)氫和綠氫的零售價(jià)格預(yù)計(jì)將下降，但短期來看價(jià)格依舊過高。

缺少基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。因此通過政府干預(yù)對(duì)于促進(jìn)綠氫技術(shù)的投資以及發(fā)展綠氫與灰氫價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)所需的加氫和氫氣運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施是必要的。

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氫燃料電池船舶應(yīng)用案例

由于氫燃料電池在各方面的局限性，其開發(fā)和應(yīng)用對(duì)于民用船舶來說仍處于起步階段，目前氫燃料電池系統(tǒng)只在潛艇的AIP系統(tǒng)中有成熟的實(shí)際應(yīng)用，例如德國(guó)的212A型潛艇，日本的“浦島”小型深海AUV調(diào)查艇。

Hydroville作為世界上第一艘氫動(dòng)力客輪運(yùn)營(yíng)。它的混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)允許它同時(shí)使用氫氣和柴油。此外，CMB已經(jīng)建造了另外幾艘氫動(dòng)力船，包括一艘規(guī)模更大的80人渡輪，計(jì)劃于2021年初在日本試航。

歐洲創(chuàng)新項(xiàng)目FLAGSHIPS正準(zhǔn)備部署世界上第一艘使用氫氣的商業(yè)貨運(yùn)船。該項(xiàng)目最初的計(jì)劃是在里昂地區(qū)部署一艘小型氫動(dòng)力船只，但隨著氫氣在貨物運(yùn)輸中更大的潛力出現(xiàn)被改為了內(nèi)陸貨船。新船將負(fù)責(zé)在塞納河沿岸的托盤和集裝箱中運(yùn)送貨物。

海上專用燃料電池系統(tǒng)由豐田歐洲技術(shù)中心在7個(gè)月內(nèi)開發(fā)完。它需要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并使用在豐田MIRAI上應(yīng)用的燃料電池零部件，這些部件被安裝到一個(gè)更緊湊的模塊中，以適應(yīng)海洋應(yīng)用。該項(xiàng)目成功地證明了豐田燃料電池技術(shù)對(duì)各種應(yīng)用的適應(yīng)性，包括車用以外的應(yīng)用場(chǎng)景。

YANMER開發(fā)了一種海上燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了豐田MIRAI的氫燃料電池模塊。該系統(tǒng)被安裝到Y(jié)ANMER的EX38A FC快艇進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。該船是第一艘正式遵守日本陸上、基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)輸和旅游部制定的氫燃料電池船安全準(zhǔn)則船只。

中國(guó)船級(jí)社CCS和協(xié)作團(tuán)隊(duì)計(jì)劃建造中國(guó)首艘燃料電池動(dòng)力公共服務(wù)船，該船由CCS分類，預(yù)計(jì)將在長(zhǎng)江流域航行。該船燃料電池的額定功率達(dá)到500kW，總儲(chǔ)氫量達(dá)60kg，總能量?jī)?chǔ)存量超過1MWh，將完全實(shí)現(xiàn)氧化硫、氮氧化物和溫室氣體的"零排放"。