【分享】全球氫能船舶的發(fā)展形勢(shì)
導(dǎo)言
船舶行業(yè)每年的碳排放量為11.2億噸以上,約占世界二氧化碳排放總量的4.5%,并仍處于繼續(xù)增加的趨勢(shì)。而減少碳排放是社會(huì)發(fā)展的基本要求。近幾年國(guó)家和行業(yè)機(jī)構(gòu)出臺(tái)多個(gè)政策以減少船舶行業(yè)的碳排放,因此綠色船舶是未來(lái)船舶發(fā)展的主要方向。
燃料電池作為一種清潔、高效、無(wú)排放的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備在綠色船舶的發(fā)展中備受重視。三峽決定引入一艘以500kW額定輸出功率氫燃料電池為主并輔以磷酸鐵鋰電池動(dòng)力的雙體交通船,主要用于三峽庫(kù)區(qū)及兩壩間交通、庫(kù)區(qū)巡查、應(yīng)急等工作。未勢(shì)能源與大連海事大學(xué)新能源船舶動(dòng)力技術(shù)研究院簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議,共同開展氫燃料電池動(dòng)力船舶的技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定、檢驗(yàn)檢測(cè)、產(chǎn)品定型、市場(chǎng)推廣等方面的合作。
國(guó)內(nèi)首家專注氫能船艇動(dòng)力系統(tǒng)公司—ExploMar也在10月份宣布獲得了由險(xiǎn)峰長(zhǎng)青領(lǐng)投的美元基金種子輪融資,并率先啟動(dòng)國(guó)內(nèi)商業(yè)化游艇項(xiàng)目,首艘搭載自主研發(fā)氫能動(dòng)力系統(tǒng)的60尺游艇將于明年初投放市場(chǎng)。
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。如表1所示,早在二十世紀(jì)八十年代,質(zhì)子交換膜燃料電池因?yàn)榈图t外、運(yùn)行噪音低、無(wú)需空氣供給(AIP)、運(yùn)行里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)得到了德國(guó)海軍的重視,并率先運(yùn)用于212潛艇,該燃料電池系統(tǒng)由西門子提供,配備由2組120kW的燃料電池模塊。美國(guó)也在SSFC項(xiàng)目中構(gòu)造了一個(gè)MCFC(熔融碳酸鹽燃料電池)和PEMFC(質(zhì)子交換膜燃料電池)相結(jié)合的燃料重整系統(tǒng),該系統(tǒng)額定功率有625kW,運(yùn)用于軍艦。
美國(guó)推出了世界上第一條燃料電池船用渡輪,系統(tǒng)功率100kW,能夠搭乘84名乘客,裝載有242kg氫氣,能夠連續(xù)運(yùn)行兩天。歐盟在FELICITAS投資了約800萬(wàn)歐元打造能量利用效率超過(guò)60%的高效SOFC系統(tǒng)(綜合熱效率超過(guò)60%),并運(yùn)用于大型郵輪的輔助動(dòng)力。近年,日本郵船、川崎重工、日本船級(jí)社等5家日本企業(yè)將合作進(jìn)行了日本首個(gè)燃料電池商業(yè)化船舶項(xiàng)目開發(fā)。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)打造一艘150噸級(jí)大功率燃料電池船舶,可容納約1000名乘客,并計(jì)劃于2024年開始示范運(yùn)行。
甲醇燃料電池因?yàn)楣β拭芏忍停巳毡具\(yùn)用過(guò)一次之后,便沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其余的項(xiàng)目示范。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是在固體電解質(zhì)膜研發(fā)成功后發(fā)展迅速的燃料電池技術(shù),由于其具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力、低溫運(yùn)行特性和高功率密度等顯著優(yōu)點(diǎn),不僅在車用燃料電池領(lǐng)域受到了高度的重視,而且在船用燃料電池領(lǐng)域也得到了廣泛的運(yùn)用。但質(zhì)子交換膜燃料電池的最佳輸出功率范圍一般在300kW以下,當(dāng)輸出功率進(jìn)一步增大時(shí),如運(yùn)用于遠(yuǎn)洋航輪,固體氧化物燃料電池和熔融碳酸鹽燃料電池便是更好的選擇,它們具有更高的運(yùn)行溫度,一般在600-700℃,故而可以提供高品質(zhì)熱量,不僅可以滿足遠(yuǎn)距離航海時(shí)乘員的熱水需求,還可以結(jié)合燃?xì)廨啓C(jī)等做功設(shè)備進(jìn)一步提升燃料的綜合利用效率。
目前,氫能主要以兩種動(dòng)力裝置應(yīng)用于船舶:一是應(yīng)用于傳統(tǒng)熱機(jī),包括直接應(yīng)用的純氫內(nèi)燃機(jī)和間接應(yīng)用的以氨/甲醇形式儲(chǔ)存的內(nèi)燃機(jī);二是應(yīng)用于新型動(dòng)力裝置——燃料電池。
氫內(nèi)燃機(jī)
使用氫內(nèi)燃機(jī)作為船舶動(dòng)力,可大幅減少船用發(fā)動(dòng)機(jī)的碳排放。由于對(duì)船體結(jié)構(gòu)的改變很小,耐久性高,對(duì)氫氣純度要求低,且制造產(chǎn)業(yè)鏈成熟,生產(chǎn)成本低,因此更易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
然而由于氫內(nèi)燃機(jī)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,更適合作為船舶電站的發(fā)電機(jī)組或用于與儲(chǔ)能電池匹配的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。
氫燃料電池
氫燃料電池是一種將燃料化學(xué)能經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置,不受卡諾循環(huán)限制,效率可達(dá)50%~80%(船用內(nèi)燃機(jī)的熱效率僅為40%左右),振動(dòng)噪聲低,生成物只有水,可真正實(shí)現(xiàn)零碳排放。燃料電池按電解質(zhì)種類可分為五類,其中固體氧化物燃料電池(SOFC)和質(zhì)子膜燃料電池(PEMFC)較適合作為船舶動(dòng)力使用。
由表可知,雖然氫燃料電池動(dòng)力船舶的初始成本、運(yùn)營(yíng)成本、配套設(shè)施建設(shè)投資均較高,但隨著原材料及關(guān)鍵零部件、系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化及規(guī)模化效應(yīng),其成本會(huì)大幅降低。氫燃料電池具有零碳排放、安全性能好和能源利用效率高等特點(diǎn),從可持續(xù)發(fā)展的角度來(lái)看,無(wú)疑是船舶減排的終極方案。
在國(guó)內(nèi),將氫能燃料電池系統(tǒng)作為船舶動(dòng)力仍處于探索階段。目前,我國(guó)已有多家燃料電池頭部企業(yè)、船舶制造企業(yè)、院校和科研機(jī)構(gòu)投入到氫燃料電池船舶的研發(fā)和制造中,氫燃料電池游艇“蠡湖”號(hào)、游船“仙湖1號(hào)”(聯(lián)悅為其提供氫氣),高溫甲醇燃料電池“嘉鴻01”等紛紛下水航行。
對(duì)比國(guó)內(nèi),歐盟、德國(guó)、美國(guó)、挪威、日本等國(guó)際組織和國(guó)家在船用氫燃料電池推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,已實(shí)現(xiàn)船用氫燃料電池動(dòng)力推進(jìn)裝置的示范及應(yīng)用,并已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。
氫能在船舶動(dòng)力上的應(yīng)用趨勢(shì)要從制氫、儲(chǔ)氫和終端應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)分析。如圖所示,無(wú)論是哪種氫燃料動(dòng)力船舶,都需要面對(duì)氫氣的制儲(chǔ)運(yùn)問(wèn)題。
目前,高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟,但由于儲(chǔ)氫密度較低,只適合功率小、航程短的游覽船和擺渡船,故使用場(chǎng)景有限。大部分船舶功率需求大、航程遠(yuǎn),需要采用高密度儲(chǔ)氫方式,如以生物質(zhì)富氫燃料儲(chǔ)存重整制氫和液態(tài)儲(chǔ)氫,尤其是液態(tài)儲(chǔ)氫更容易做到標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化管理,是未來(lái)船用氫能儲(chǔ)存的必然趨勢(shì)。對(duì)此,聯(lián)悅未來(lái)也將在沿海城市布局液氫工廠,積極推進(jìn)氫能在船舶方面的應(yīng)用。
在終端應(yīng)用方面,質(zhì)子膜燃料電池(PEMFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和氫/氨內(nèi)燃機(jī)各有優(yōu)劣勢(shì),需要針對(duì)不同船型和應(yīng)用場(chǎng)景配置不同的儲(chǔ)氫方式和動(dòng)力形式。
氫燃料電池既可作為船舶的推進(jìn)動(dòng)力,又可用于船舶電源,適用于渡船、供給船、巡邏船、貨運(yùn)船和觀光船等船舶。相比于其它能源方案,氫燃料電池具有高效、無(wú)污染、噪音低等特點(diǎn),其優(yōu)勢(shì)吸引著世界各國(guó)和各大船舶企業(yè)的關(guān)注。
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%。由此可見(jiàn),未來(lái)氫燃料船舶應(yīng)用前景廣闊。隨著世界石油價(jià)格的不斷上漲和環(huán)保要求的提高,以及氫燃料的成本降低,氫燃料電池廣泛應(yīng)用于船舶產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域指日可待,將引領(lǐng)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的換代革命。
來(lái)源:燃料電池與混合動(dòng)力船舶