详解船舶绿色智能化发展——氢能船舶

氢作为能源主要以两种形式的动力装置应用于船舶：一是应用于传统内燃机，包括纯氢内燃机或与氨/甲醇等燃料一起使用的混烧型内燃机；二是应用于新型动力装置--燃料电池。使用氢内燃机作为船舶动力，具有对船体结构改变小、耐久性高、对氢气纯度要求低、产成本低、易产业化等优点，但其受到卡诺循环的限制，热效率相对燃料电池较低，且氢内燃机会产生氮氧化物等排放。

相较之下，氢燃料电池具有能量转换效率高、振动噪音低、技术成熟度高等优势，其效率可达50%~80%，排放产物只有水，因此目前在船用领域发展较为迅速。

多年来，美国、英国、德国、韩国、日本等多个国家一直都将燃料电池作为一种船舶技术储备在不断地发展。早在二十世纪八十年代，质子交换膜燃料电池得到了一些国家海军的重视，并率先运用于潜艇和军舰。2009年，挪威海工船东Eidesvik Offshore制造的第一艘海洋工程供应船正式交付，该船以LNG为主要燃料，配备有330kW的燃料电池系统，是全球首艘安装燃料电池作为部分推进系统的商船，截止2012年，该船已连续运行26280小时，成为了世界上最环保的船舶之一。

国内氢能船舶主要应用案例是沿海和内河领域的游船，包括观光船、公务船等。从“面世”的氢能船舶来看，国内在该领域已掌握了船用燃料电池系统设计、开发等多项技术，商业化应用潜力初显。实现船舶的氢能应用并不容易，从技术层面来讲，船舶动力需要的功率约为数百至数千千瓦，而目前的氢燃料电池单堆最多只能满足一百千瓦左右的功率。由于氢燃料电池输出特性偏软，瞬态响应较慢，不适合单独作为船舶的主推进动力，因此理想的方案还是将氢与其他能源结合使用。

氢气尽管是质量能量密度最高的燃料，但是其体积能量密度非常低。柴油的质量能量密度尽管不高，但体积能量密度最高。35MPa压缩氢气的体积能量密度仅为柴油体积能量密度的10%左右。故而，当燃料电池取代柴油机供给动力时，存储氢气所需的高压气瓶的体积远高于目前存储柴油所需的燃油舱。另外，氢气密度小，易泄露，还具有易燃易爆的特性，所以当氢气作为燃料电池的燃料时对船舶燃料舱的体积和安全性提出了更高的要求。

2022年3月，中国海事局印发了《氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则(2022)》，中国船级社发布了《氢燃料电池》、《氢气瓶》、《重整装置》等3份涉及船用氢燃料电池系统的产品检验指南，2022年7月，中国船级社(CCS)《船舶应用燃料电池发电装置指南》(2022)也正式生效，这扫清了大量氢能船发展的技术标准障碍，有望大幅缩短产业化落地及氢能船舶规模化示范应用的时间。

在“双碳”背景下，2022年交通运输领域去碳化工作进一步深入，明确提出推进海运业绿色智慧转型，加强氢能等新能源在船舶动力领域的应用。国内燃料电池行业龙头企业也纷纷积极推动氢能船舶系统开发应用，引导“氢能上船”发展。氢燃料电池船舶技术经过多年示范，实验结果逐渐得到验证，进入项目商业化探索阶段；此外，全球20多个国家制定氢能产业发展战略，随着氢能汽车数量增多，政府和社会对氢能船舶的认知和接受度逐步提升。国内相继出台多项政策，从技术研发、落地推广等角度推动氢燃料电池船舶的发展。2022年，搭载中国船舶集团第七一二所氢能源动力系统的“三峡氢舟1号”正式开工，标志着我国首艘入级CCS氢燃料电池动力工作船正式转入建造阶段。该船总长49.9m，船宽10.4m，最大航速28km/h，采用500kw级氢燃料电堆，经济航速下最高续航里程可达200km。

这一示范应用的开展只是船舶领域电动化的一个缩影，近年来，无论是纯电动船舶还是氢能船舶，都开始从图纸走向码头，在实践中探讨其在技术、经济上的可行性。纯电动船仍存在充电速度、续航、寿命、成本这四大硬伤，但只要锂电池充电技术、电池容量密度两者之中只要有一个取得重大突破，就可以解决纯电动船续航焦虑和电池更换成本的问题。

燃料电池船舶从理论上没有上述问题，但需要时间、市场和模式的培育。近年来，燃料电池技术已取得显著突破，成本较5年前大幅降低。虽然锂电池和燃料电池在技术上有一定的相似性，但其适用的场景并不相同，尤其在船舶中“可锂可氢”的交叉应用领域相对较少，因此氢能船舶与纯电船舶会分别占有一席之地并长期共存。

相较锂电池而言，氢燃料电池船舶具有加注时间短、续航里程长、功率密度高等特点，因此在大功率、长航程等场景下，氢能船舶优势会更加明显。总体而言，纯电和氢电两条技术路线在船舶应用的起点差距不大，各有适用的场景，氢能产业化拐点临近，技术扩散正在加速，国际产业舆论和政策发布也有利于氢能船发展。这些因素叠加后将大概率缩短氢能船示范应用的时间表，根据交通运输部水运科学研究院的数据和专家预计，2025年氢燃料电池系统改造船数量和新建氢燃料电池船舶数量分别约400艘和200艘，氢燃料电池系统市场规模将达到200亿元。据克拉克森预测，到2050年，氢燃料船舶占替代能源船舶的比例会达到40%。

国际海事组织(IMO)公布的数据显示，船舶行业每年的碳排放量约为 10.76亿吨，占世界二氧化碳排放总量的 2.89%，并呈继续增加的趋势。

在“双碳”战略下，内河在役传统燃油动力船舶将面临节能减排改造，新造船已排除传统燃油动力，蓄电池、燃料电池等新能源动力将成为主导。

潜在发展新能源路线中，纯电船舶在2013年投入使用，较氢燃料电池船舶先行一步，但同电动汽车的发展类似，电动船舶若要正常运营还需建设完备的充电设施，现有的岸电设施设施的覆盖面和数量都有限，同时还存在 容量不足、电制不同、设备兼容性、充电速度等问题，进度较慢。

氢燃料电池船舶也是路线之一，除具备船舶电动化优势外， 其较高的能量密度和快速补给能量的特性加之船舶本身特质，决定了氢燃料电池船可以行驶得更远、行得更久，有机会被应用于更长航程的场合。

“随着高密度氢能制储运发展、成本大幅降低、燃料补给站规模化及燃料电池技术进步，氢能燃料将会成为新一代内河船舶主流能源，近海及远洋船舶的辅助能源。” 中国船舶集团首席专家，中国船舶集团第七一二所研究所研究员/博导 彭元亭在近日接受中国船检采访时表示。根据交通运输部水科院的数据和专家预计，2025年氢燃料电池系统改造船数量和新建氢燃料电池船舶数量分别约 400艘和 200艘，氢燃料电池系统市场规模将达到 200亿元。氢能船舶在我国有着巨大的发展前景。

2022年7月，全美海事公司（AAM)和船东美国斯维奇海事公司（SWITCH）正式宣布推出世界上第一艘100%由氢燃料电池驱动的商业船舶“海洋变革”号（Sea Change）。

该电动渡轮动力系统由360KW的康明斯燃料电池和246公斤氢气的Hexagon高压储氢罐组成。该系统集成了100kWhXALT的锂离子电池和 2x300kW的英国BAE Systems的电力推进系统。

“Sea Change”号船舶技术参数表

“Sea Change”号内部实景

该船由华盛顿州贝灵厄姆造船厂All American Marine, Inc. (AAM) 建造的SWITCH Maritime70英尺新建Sea Change将作为美国第一艘氢燃料电池船在加利福尼亚湾区运营，旨在展示零排放氢燃料电池船用技术商业化途径。

世界各国针对处于发展前期的氢能产业已开始布局。英国能源安全和净零排放部 (DESNZ) 称，英国在第一轮氢能生产项目中投入超过20亿英镑，其总容量为125 MW，是欧洲至今最大的商用氢能源生产项目，将于2025年开始实行。

从英格兰西南部到苏格兰高地，从英格兰西南部到苏格兰高地，世界领先的氢能产业将在英国各地创造 700 多个工作岗位，未来 15 年将获得 20 亿英镑的政府资金支持。

能源安全部长克莱尔·库蒂尼奥（Claire Coutinho）于12月14日宣布支持11个主要项目，通过一种称为电解的过程生产绿色氢气，并确认供应商将获得政府提供的清洁能源的保证价格。

这代表了欧洲任何地方同时宣布的最大数量的商业规模绿色氢生产项目，有助于使英国处于这一新兴行业的前沿。与使用化石燃料形成并捕获碳排放的蓝色氢不同，绿色氢是通过使用可再生能源分解水来制造的，这有助于为能源密集型工业和运输提供更清洁的燃料。

船舶采用绿色能源替代传统燃油作为动力的步伐不断加快，近期国内外氢能船舶项目喜讯频传，相继传来签订合约、开工建造、下水试航、正式运营等消息。代表事件有：世界首艘氢动力拖船正式运营；“三峡氢舟1”号完成首航；我国首艘20.5米氢燃料电池海上交通船开工建造等。

12月12日，世界首艘氢动力拖船“Hydrotug 1号”在比利时安特卫普港区正式投入运营正式投入运营。这艘氢动力拖船采用内燃机驱动，动力源为氢气和传统燃料的混合燃料。船上甲板安装了6个蒸馏器，可储存415斤压缩氢，每年的减排量相当于350辆汽车的碳排放量。除了节能环保外，采用氢动力还为这艘船节省了更多储存空间。

全球最大的独立油轮公司Euronav表示，计划在以11.5亿美元收购可持续海事公司CMB.Tech后，为船队增加120艘零碳船只，使CMB.Tech成为无可争议的清洁航运全球领导者。

这些订单包括60艘小型压缩氢动力船和60艘由燃烧引擎驱动的氨动力大型船只。Euronav和CMB.Tech将在未来几个月内经股东批准后合并。他们已运营了5艘氨动船和9艘氢动力船，另有12艘氢动力船和34艘氨动船只在订购中。合并后的公司计划增加20艘氨动力散装货轮、20艘集装箱船、10艘油轮和10艘化学品船。另还计划增加20艘氢动力机组转移船、20艘拖船、10艘为海上风电场提供服务的作业船，以及10艘迷你散货船。双方合并后，99艘氨动力船和83艘氢动力船将使CMB.Tech成为全球最大的零碳航运运营商，但CMB.Tech仍计划运输原油。

FRS Windcat Offshore Logistics宣布在德国部署第一艘氢动力双燃料船员转运船(CTV)，为海上风电输电系统运营商50Hertz提供服务。在2023年春季交付该船之后，这标志着德国波罗的海各风电场联合运营的开始。

这艘CTV名为Hydrocat 55，配备了CMB.TECH的双燃料氢技术。该船员转运船(CTV)长25米，可容纳24名乘客和2-3名机组人员。它的储罐容量为207公斤氢气，装在27个钢瓶中。该发动机由MAN发动机制造，用于双燃料使用，并由CMB.TECH进行改装。带有氢气喷射系统的高科技设备。

11月29日，比利时船东Compagnie Maritime Belge（CMB）旗下清洁技术公司CMB.Tech宣布与比利时海运公司Boeckmans合作向越南Dung Quat船厂订造4艘5000载重吨氢动力杂货船。新船将配备柴油-电力发动机，船尾使用氢气动力推进系统。首艘船预计将于2025年下半年开始交付，将部署在北欧、地中海、北非和西非等主要航线上。

11月，在西班牙毕尔巴鄂海岸附近的一艘船现在正在运行船上的氨裂解装置。据悉，这艘长4.4米的Bertha B供应船安装了船上的氨裂解装置，每天使用约120公斤的氨，产生的氢气用于一个30KW的质子交换膜(PEM)燃料电池，该电池能够为船舶提供电力。

11月，由荷兰达门Concordia船厂为荷兰内河航运公司Lenten Scheepvaart建造的全球首艘氢动力内河货船“Antonie”号完成技术海试，并获得了投入使用的临时证书。据了解，“Antonie”号长135米，重达3700吨，采用氢燃料电池推进系统。

10月19日，ClassNK为三井物产株式会社、商船三井干散货运输株式会社开发的氢燃料多用途船的包裹布局概念颁发了原则批准书（AiP）。这是世界上首次对配备大型低速二冲程氢燃料发动机作为主推进发动机的船舶进行AiP认证。

10月11日,我国首艘氢燃料电池动力示范船——“三峡氢舟1”号，在湖北宜昌三峡游客中心(九码头)完成首航,这标志着氢燃料电池技术在我国内河船舶应用实现零的突破。三峡氢舟1”号为钢铝复合结构，总长49.9米、型宽10.4米、型深3.2米，乘客定额80人，主要采用氢燃料电池动力系统，氢燃料电池额定输出功率500千瓦，最高航速28公里/小时，巡航航速20公里/小时，续航里程可达200公里，交付后用于三峡库区及三峡-葛洲坝两坝间交通、巡查、应急等工作。

9月，ABB与总部位于荷兰鹿特丹的全球物流公司Samskip集团达成了一份供货协议，为其两艘新造近海集装箱船提供一体化电力推进及自动化系统。这两艘长达135米的船舶，将由3.2 MW的氢燃料电池提供动力，辅以柴油发电机作为备用。每艘船能每年减少25,000吨二氧化碳排放。

9月20日，我国首艘20.5米氢燃料电池海上交通船——“蠡湖未来”号，在大连金普新区海大清能船舶（大连）有限公司成功举行建造开工仪式。该船安装了两套110kW级氢燃料电池作为主要动力源，最大续航里程可达180海里；建成交付后，“蠡湖未来”号将成为我国首艘入级 CCS 的氢动力海船和铝合金船舶。

9月，英国SEA-KIT国际公司从零排放船舶和基础设施(ZEVI)竞赛中获得资金，计划在英国设计和制造一艘氢燃料无人水面船(USV)，以推动船舶行业实现零排放目标。作为该项目的一部分，SEA-KIT与海上脱碳颠覆者marine20合作，共同建设一个能够通过可再生能源和水电解生产绿氢的陆地基础设施。利用绿色电力支持100%的绿氢生产、压缩、储存和分配。

零排放的氢燃料电池技术应用于船舶是一种有效的解决方案，国内燃料电池船舶也有一定的示范经验可依，从国内推广LNG动力船舶的经验来看，政府最关心的两个问题是技术成熟度和管理成熟度，这需要在实践中进行反复的试错和迭代。按照国内产业发展经验，遵循“项目示范-小规模示范应用-大规模示范推广-商业化推广”的产业发展规律，因此找对场景、选对技术方案、积累数据和技术迭代是首要工作。中国作为造船大国、航运大国，必须跟上国际船舶电动化发展脚步，抓住船舶电动化转型发展机会，快速形成燃料电池船舶的实践项目，制定各类标准、探索产业化技术和模式，打造零碳、绿色氢能船舶大国。