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“氢”歌曼舞 各国怎样布局氢燃料动力船领域

2021-09-09 15:08:58
来源:中国船检 编辑: 国际船舶网 我有话要说

为应对严格的碳排放标准,一些国家颁布一系列规划与标准,引导并支持氢燃料动力船发展布局。如今,布局氢燃料动力船领域的行动愈演愈烈。

中国:主攻技术难点

在我国,氢能船舶(氢动力船/氢燃料电池船)发展更是获得国家层面的政策支持。2020年6月份,交通运输部发布《内河航运发展纲要》,提出鼓励探索发展燃料电池动力船舶,研究推进氢能等应用。今年“两会”上,氢能也被写入《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》的“前瞻谋划未来产业”章节中。我国海事局也制定了《氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则(征求意见稿)》,以期在借鉴国内外经验、结合实船技术方案并充分研究论证的基础上,对船舶使用氢燃料电池系统的布置、系统设计、燃料储存、加注系统等方面进行规范。

客观来讲,我国对于船舶使用氢能的探索更多地体现在氢燃料电池研发等方面。2019年底,中国船舶集团有限公司发布了全球首艘氢燃料试点船舶设计方案,这艘2000吨级定点航线内河自卸货船由七一二所自主设计研发,采用4组125kW氢燃料电池作为船舶主动力源,辅以4组250kWh锂电池组调峰补偿,同时载有35MPa高压氢气瓶组储存氢气燃料。2021年初,武汉众宇动力系统科技有限公司获得了由中国船级社(CCS)颁发的首张船用燃料电池产品型式认可证书,不仅填补了国内空白,也标志着氢燃料电池船舶商业化应用向前迈进了一步。

而对于船用氢燃料电池的规范研究工作主要集中在CCS。2017年,CCS编制了《船舶应用替代燃料指南》,其中根据氢燃料电池系统主要构成及各系统设备在船上的应用特点,提出燃料电池船舶布置、系统设计、燃料储存、加注辅助系统等方面的安全技术指标。随后,CCS又围绕氢燃料电池船舶关键技术开展了一系列应用研究和工程实践,在船舶总体安全设计、储氢、加氢和用氢等环节上取得了大量研究进展,陆续攻克了船舶应用氢燃料在总体设计、系统设计、装备制造、标准研发和风险评估等技术难题,通过获得的大量实测资料,为我国后续氢燃料电池实船建造提供了重要的理论基础和数据支撑。据介绍,氢燃料动力船舶重点风险安全区域主要包括高压氢气加注站(含充装接头、气相管路、控制阀件及附件)、氢气瓶间(氢气瓶组、氢气管路氮气系统、通风系统、相关附件)、燃料电池处所(燃料电池模块、氢气管路、处所通风系统、相关附件)、锂电池与机电设备间(锂电池组、PMS、配电系统、机电设备),其设计布置、设备故障及人为操作等因素导致的风险均需得到更多关注。中国船级社武汉规范研究所相关人士说:“CCS《船舶应用燃料电池发电装置指南》(征求意见稿)已考虑到多种危险因素对设备、系统的破坏和人员的伤害及环保要求,设置了相应的工艺控制系统、工艺关断系统、安全透气、通风系统、消防系统、防污染设施等措施,采用与IMO《使用燃料电池电源装置的船舶安全临时导则》一致的安全原则,能够为氢燃料动力船舶安全和绿色发展保驾护航。”虽然我国氢能船舶领域目前还没有成熟的商用船只,但CCS通过技术研发,正积极实现降低成本和全环节技术链条整合,以推动形成围绕氢燃料电池船舶的完整产业链。

目前,CCS已经完成了“船舶氢燃料储存及应用技术”研究工作,在已有指南基础上,对高压气瓶储氢技术的在船应用进行研究,对氢燃料加注技术、船用氢气管路连接方式、燃料电池处所安全防护技术开展了深入分析,解决了陆上技术标准与船舶环境条件差异性问题,提出了相应船用技术要求,为氢燃料的在船安全应用提供技术支撑。此外,CCS还创新性地研究了液体有机化合物储氢、金属氢化物储氢技术在船舶上的应用,针对性地提出了船舶储存、布置、脱氢、材料等方面的技术要求建议,为后续开展高密度储氢技术研究、拓展船舶氢燃料适用面奠定了坚实的基础。

欧洲:智能培育氢动力

欧盟运输研究与创新监测和信息系统(TRIMIS)统计了交通运输行业新技术研发数量和项目投资情况,从中能够明显看到欧洲航运业向清洁化、去碳化转型发展迅速。

中国船舶工业综合技术经济研究院船舶标准化研究中心工程师李睿男说,欧洲针对海运低排放替代能源进行的研究较早,从政策和研发资金上给予了绿色船舶项目极大支持,这使其创新性变得更强。在氢燃料船舶研究示范方面,欧洲处在领先位置,倡导、主推了多个主要氢燃料船项目,而挪威则是氢燃料船的发展先锋。在欧洲国家中,挪威对氢燃料在海运方面的应用探索最为丰富、系统,形成了相对完善的发展模式。具体而言,议会负责制定相关法律并敦促政府实现环保目标;政府设立国有企业、分支机构、专项产业基金,协调各方对项目进行补贴;船级社制定行业标准和船级规范,对船舶进行评估认证/咨询;企业与认证机构对项目进行设计、研发、建设。议会立法、政府资助从纵向上推动项目,而相关咨询和认证机构则为行业提供标准依据,在横向上与企业共同打造绿色船舶。挪威多个氢燃料船舶项目正是在这种纵横联合模式下发展起来的,比如知名的“HySHIP”“Hjelmland”“Europa Seaways”“Hysea III”等。

由政府和专项基金资助的“HySHIP”项目将设计和建造以绿色液态氢为燃料的示范滚装船,并建立可行的液态氢供应链和燃料供应平台,旨在降低整个欧洲更广泛地转向液态氢作为船舶推进燃料的开发和运营成本。“HySeasIII”则采用基于新能源风险的替代设计方案,其有别于其它项目的特征之一在于示范船使用过剩的可再生能源制氢,有助于制定船舶氢能规范。

挪威很早就将目光瞄向了清洁能源,并随着科技进步不断追求创新。《挪威绿色船舶行动计划》明确提出要建造更多智能船舶,以智能技术实现船舶能效提升,减少碳排放。“挪威在海事智能技术方面有着很强的技术水平,希望通过智能技术实现航运去碳,特别是在提升能效系统水平方面将智能与绿色融合,以智能手段实现‘船舶绿色’和包括氢动力船在内的零碳船舶发展。”李睿男说。

实际上,“挪威案例”并非个别。欧盟于2020年底发布的新的《可持续和智能交通战略》可验证上述观点。《可持续和智能交通战略》提出希望通过有竞争力、安全、易获得和可负担的智能交通系统实现90%的减排率,系统地为实现绿色和数字化转型奠定基础。欧盟气候政策负责人Frans Timmermans表示:“欧洲非常重视绿色船舶技术发展,为了实现我们的气候目标,温室气体排放量必须出现明显下降趋势。数字技术有可能使出行更智能、高效、环保。我们需要为企业提供稳定的绿色投资框架,而这些企业需要在未来进行绿色投资。”英国也是推行航运业温室气体减排最积极的欧洲国家之一。2019年,英国相继发布了《海事2050战略》和《清洁航运计划》,前者强调自动化和数字化技术创新,后者旨在推动英国实现2050年降低航运碳排放目标,其明确的主要路径之一即是氢路径(另外为电路径和其他路径)。这似乎给业界传达一个明确信息——新技术应用与新燃料变革同时发生,“智能+氢能”是新的视野。

氢燃料船舶价值链包括存储设备开发、船体设计建造、船舶运营管理、燃料供应等环节,不久前,由欧洲国家政府机构、造船厂、能源公司、数字智能技术企业、船用系统公司等26个合作伙伴联合推出《氢燃料船舶手册》,以解决船用氢燃料的各种难题。名为“MarHySafe”的联合开发项目分为两期,作为一期项目的《氢燃料船舶手册》详细介绍如何驾驭设计建造的复杂要求,涵盖安全和风险缓解、氢系统施工细节、海事应用实施阶段等氢操作中的最重要方面,同时为使用质子交换膜燃料电池(PEMFC)进行安全操作提供了路线图,反映了行业最新专业水平,被认为是航运氢能安全操作、共同研究氢能上船的专业知识库。显然,随着“MarHySafe”项目的推进,《氢燃料船舶手册》将为未来欧洲在国际氢能规则制订、氢加注和标准化等方便提供基础。

欧洲政府部门、研究机构更多地承担了挖掘、投资新型船舶项目的职能。在这样的背景下,欧洲以氢动力船舶为代表的新型绿色船舶与智能化提高能源使用效率融合得更紧密,这是其氢燃料船舶在开发运行方面进步的原动力之一。但需强调的是,欧洲更加侧重于近海/内河氢燃料船舶研发。客观上,氢燃料能量密度较大、使用处于初期阶段,大型船舶很难收获可衡量的收益。主观上,欧洲水路网络密集,大部分港口配备适于集卡和船舶使用的氢加注桩,较小型船舶的机动性较强,靠泊加注方便。

日韩:争抢“国际标准”

在中国船舶工业综合技术经济研究院高级工程师赵羿羽看来,与欧洲重点关注小型氢动力船舶不同,日本侧重于大型远洋氢动力船舶及发动机研发。2021年初,川崎重工宣布建造全球首艘大型液化氢运输船(计划于2026年完工),该船长约300米,型宽约50米,采用燃烧氢气产生的蒸汽带动轮机为船舶提供动力。当年4月,川崎重工又与多家日本公司合作开发用于大型船舶的船用氢燃料发动机,包括船用主机、辅机、发电机等产品。今年8月份,川崎重工、洋马动力(Yanmar)和日本发动机公司(J-Eng)共同宣布联合成立HyEng公司,以致力于开发船用氢动力发动机系统(基础技术)、为氢燃料供应系统制定国际标准和规则、集成氢燃料供应系统、维护和运营氢燃料发动机示范设施等。

日本国土交通省发布的《日本航运零排放路线图》提到“C-ZERO JAPAN”零排放概念船,其中之一即是设计液化氢燃料动力船,概念船基于80000吨级散货船和20000TEU型集装箱船设计,均由双燃料往复式发动机提供动力,技术攻关包括发动机性能、燃料供应、扩大的燃料箱、热保护系统、氢气泄漏和燃料供应等相关事项。日本经济产业省发布的《2050碳中和绿色增长战略》也提出,到2050年将现有传统燃料船舶全部转化为氢、氨、液化天然气(LNG)等零/低碳动力船,促进面向近距离、小型船舶使用的氢燃料电池系统和电推进系统的研发和普及,推进面向远距离、大型船舶使用的氢/氨燃料发动机及附带燃料罐、燃料供给系统的开发和实用化进程。

韩国在“氢能上船”方面的发展逊于日本。2012年,韩国曾推出“平昌2018号”氢燃料电池船项目,但该项目至今未有实质性进展,尚处于研究阶段。2020年底,韩国政府又公布了“2030绿色船舶K计划”,将氢能定为船舶燃料应用长期目标。2021年4月份,现代重工提出将围绕现有船舶能效指数(EEXI)和碳排放强度指数(CII)研究最佳解决方案、围绕全寿命周期研究减少船舶二氧化碳排放的方法,同时开发氢/氨动力船舶。这被视为韩国在氢动力船舶研发方面迈出的重要一步。现代重工表示,其二级控股公司韩国造船海洋(KSOE)将开发制定液氢运输船及氢动力船的韩国及国际技术标准,以提前应对氢能时代的到来。据悉,KSOE参与开发制定的全球首个氢能船舶国际标准将于2022年底前提交至国际海事组织(IMO)。

在发展氢动力船的同时,韩国也在逐步攻克氢燃料电池研发难题。2019年初,韩国正式发布了名为“激活氢经济发展路线图”的氢燃料技术开发计划,旨在推动韩国发展为氢经济/技术领先国,其第一期研发课题即为“以氢燃料电池为动力的船舶、氢(燃料)存储和运输所需舱罐等主要技术和设备研发”。今年6月份,韩国启动“氢燃料电池动力系统适用运行实证”项目,在2艘小型船舶上搭载自主开发的氢燃料动力电池组,以检验性能和安全性,并制定获得型式认可的安全标准。由于韩国此前并没有制定氢燃料电池船舶型式认可所需的安全标准,因此,此次实证将为韩国制定小型氢燃料电池船舶安全标准及船用氢气充电站的建设奠定法律依据,为氢燃料电池船舶建造和航行铺设道路。

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