我国氢动力船舶创新发展研究.docx

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1、一、前言当前，航运业迅猛发展，柴油机动力船舶伴生的能耗与环境问题日益显现,如2020年我国航运业的CO2排放量达到1.2108t,约占交通运输领域排放量的12.6%o水路交通载运工具绿色化是水运行业的技术前沿和未来趋势，也是航运业实现碳达峰、碳中和（双碳）目标的重要举措，发展绿色船舶对促进我国船舶工业转型升级、实施交通强国战略具有重要意义。在近期，天然气、甲醇等低碳燃料，蓄电池技术是降低船舶C02排放量的过渡方案；在中长期，氢、氨等零碳燃料技术将是水路交通载运工具实现零排放的重要途径。氢能作为清洁能源，通过燃料电池方式实现高效发电且不排放C02,有望在水路交通运输行业的碳减排过程中发挥积极作用

2、。根据国际能源署发布的中国能源体系碳中和路线图，航运业的碳减排主要取决于氢、氨等新型低碳技术和燃料的开发及商业化；在承诺目标情景中，2060年基于燃料电池的氢能应用模式将满足水路交通运输领域约10%的能源需求，兼顾能源高效利用、零排放、船舶舒适度提升，适应绿色船舶市场需求且应用前景广阔。发达国家积极提出氢能源战略并开展氢能相关产业布局，掌握了氢能和燃料电池相关的核心技术，开展了包括氢动力船舶在内的多项示范项目，正在研制新型氢动力船舶。在我国，应对双碳目标牵引，加速布局氢能的交通领域应用；部分企业和机构基于国产化氢能和燃料电池技术进步而相继启动了氢动力船舶研制，但整体处于前期探索阶段;后续需要细

3、化和完善我国氢能领域的顶层设计,为氢动力船舶发展提供科学指引。针对于此，本文在梳理氢动力船舶发展现状并研判相关产业布局态势的基础上，重点开展技术经济可行性与产业链关键环节分析，探讨提出领域目标任务、建设路径，以期为我国氢动力船舶快速优质发展研究提供参考。二、氢动力船舶发展现状与产业布局研判（一）氢动力船舶发展现状1 .氢动力船舶氢及氢基燃料是航运行业碳减排及脱碳的良好解决方案，其应用范围将随着燃料应用技术的成熟、配套设施的完善而逐步扩大。氢动力船舶通常用于湖泊、内河、近海等场景，以客船、渡船、内河货船、拖轮等类型为主；海上工程船、海上滚装船、超级游艇等大型氢动力船舶研制是当前的国际趋势，潜艇采

4、用氢燃料电池动力系统同样具有良好前景。在现阶段，氢燃料电池适用于多种内河船舶，可作为小型船舶的主动力，也可作为大型船舶的辅助动力；以质子交换膜燃料电池（PEMFC）类型为主，功率等级相比传统柴油机动力有较大差距。发达国家己成功研制不同类型氢动力船舶并取得示范应用效果，如德国Alsterwasser游船、日本燃料电池渔船、法国“EnergyObserverw游艇、美国Water-Go-RouncT渡船、韩国GoldGreenHygen氢动力旅游船等；后续将深化研究与应用，如挪威UlsteinSX190”海上工程船、Topeka滚装船，意大利“ZEUS试验船等（见图1）。除燃料电池外，氢内燃机也是

5、船舶应用氢能的重要途径，如比利时、日本研制的氢内燃机拖船“Hydrotug、渡船HydroBingo。日本企业（如川崎重工业株式会社、洋马株式会社等）积极研制氢内燃机，正在开发中速四冲程发动机、中高速四冲程发动机、低速二冲程发动机。IBM-AI*tCTwasicr-内河国燃科电於小电油*N214SM2-4kWPFAIK-MHlt;35MPZOkWPEMH;35MPJACm.电解*MU*t;Iuf均为IIkmh,-用、M健Ia波浪能D为船2IlOkWPENiFC,金属化物储X；以9Jkm卜以FM抵德在水卜浦仑K2Sm,2.4三45O1.MHMIUb.金。速度可建37Krn.Yi360kWPtMK

6、HOOkWhVjUIi2SMK*KaICftIUd;代客M%MhEfitt攥或公动力有hl：程般“l7bwSXlW（2022）2MWPEMFC55MW壁发电机.再抵回住不，！放松式卜背巧：领4力修-Afc41g1.o国外的70MPa高压储氢技术基本成熟并实现商业化，如丰田Mirai氢燃料电池汽车即采用70MPa储氢瓶。我国的35MPa高压储氢瓶技术标准成熟，国产氢燃料电池汽车较多采用；正在研发70MPa高压气瓶，己接近商业应用阶段。因此，我国氢动力船舶，如绿色珠江号内河货船先期采用了35MPa高压气瓶储氢方式,待技术条件成熟后再转向更高规格。液氢的密度为70.8g1.,在储存密度上较高压储氢有

7、明显优势；随着氢能产业的快速发展，低温液态储氢将逐步扩大民用范围，有望成为未来的主流储氢方式。考虑到现有高压储氢技术的储存密度较低,无法满足未来船舶续航力的要求,船舶储氢将朝着能量密度更高的方向发展，如T。Peka滚装船、AQUA概念游艇计划采用低温液态储氢方式。金属氢化物储氢方式具有储氢体积密度大、压力低、安全性高等优点，在潜艇上具有良好应用前景，推广应用过程需着力解决成本、吸脱氢温度、反应速率等问题。理论上氨的储氢密度约为17.6%,液氨的体积储氢密度是液氢的1.5倍，加之氨的液化、储存、运输技术成熟，使得以氨为载体的储氢方式成为极具潜力的大容量储氢解决方案。氨的裂化分解是以氨为载体的储氢

8、系统需要解决的关键技术问题，开发低压、低温、高活性、低成本的催化剂是后续研究重点。甲醇具有较高的储氢密度且自身含氢量达12.5%,可作为绿氢的载体来实现高效储存和运输,当距离大于200km时较直接运氢具有经济优势。考虑到甲醇制氢会产生CO,需配备氢气纯化装置以避免PEMFC催化剂中毒。（四）快速安全加氢技术现有的氢动力船舶储氢方式多样，相应的加氢方式和耗时不尽相同。在“Alsterwasser游船示范项目中，林德集团在码头建立加氢站为该船提供稳定氢源,船上最多可存储50kg氢气，单次加氢过程耗时约为12min；德国212A型潜艇采用基于金属氢化物储氢方式，完成80%、IO0%加氢量分别耗时IO

9、h、25ho鉴于陆上车用高压气态储氢及加氢技术相对成熟，在氢动力船舶发展初期采用车用方案是可行的发展模式。与车用加氢相比，船舶加氢具有加注量大，持续时间长的特点，加注设备应采用更加可靠的加注连接方式，同时应具有船岸之间紧急切断的联动功能以满足紧急脱开需要。船舶在码头进行燃料加注时一般不允许船舶断电，因而既保证加氢时燃料电池系统正常工作（供电）以及装卸货等同步操作（SIMOPs）的需要，又保障氢燃料加注操作的安全性，是亟需解决的问题。（五）船舶大功率燃料电池技术船用燃料电池技术表现为“小功率一大功率的发展趋势。燃料电池主要分为以PEMFC为代表的低温燃料电池，以熔融碳酸盐（MCFC）和固体氧化物

10、（SOFC）为代表的高温燃料电池：前者技术成熟，正在进行产业化、规模化发展，力求实现价格更低、寿命更长、功率更高；后者因其功率高、效率高、氢气纯度要求低等技术优势，更适合船舶应用，也是未来大型船舶的发展方向。船舶功率需求与船型、操作工况相关，不同船型的需求功率如表1所示。PEMFC系统可作为小型船舶的主动力或大型船舶的辅助动力。在现有的氢动力船舶示范项目中，PEMFC系统输出功率基本为百千瓦级。为了拓宽氢动力船舶的适用场景，未来PEMFC系统的输出功率应提高至兆瓦级，这是船舶燃料电池亟需攻克的关键技术。表1船舶需求功率情况（单位:kW）类型电力推进器慢快小型游艇和船舶1-100民用船舶1002

11、000500-100050000潜艇和海军舰艇5002000ooo-2oo(三gr（六）船舶氢内燃机技术氢气燃烧火焰传播速度快、放热集中，因而氢内燃机相对传统内燃机具有更高的热效率。普通内燃机热效率约为30%40%,而德国企业研制的氢内燃机验证机热效率最高达到42%,我国正在研发的氢内燃机热效率有望达到44%。也要注意到，氢内燃机虽然具有输出功率高、热效率高、节能环保的优点，但存在爆燃、早燃、回火等技术难题，也会产生NO,因而提升动力系统性能、降低No排放是后续氢内燃机研究亟待攻关的方面。氢内燃机相比PEMFC系统具有输出功率优势，待攻克相关技术难题后，将在船舶领域获得广阔应用。2017年，比

12、利时海事集团推出了世界首制柴氢双燃料客船，搭载的BehydrO发动机输出功率为100O2670kW0目前我国的氢内燃机技术集中在汽车领域而尚未开展船舶应用研究，相较国际先进水平还存在较大差距。（七）船舶多能源协同控制技术常规船舶采用船舶柴油机并以燃用轻/重柴油为主，部分采用柴油发电机的电力推进系统用能形式，能源结构相对单一。船舶供能形式的多样化是未来发展趋势，如EnergyObserverw游艇搭载了太阳能光伏发电系统、风力发电系统、锂电池系统、海水淡化系统、PEM电解水制氢系统、PEMFC系统等；在日本邮轮超级环保船（NYKSUPerECO-ShiP）设计方案中，动力系统将采用1.NG燃料电

13、池、太阳能电池、风力助推等。在船舶能源供给趋于多样化的形势下，多种供能系统之间的协同控制技术日益显现出重要性。未来氢动力船舶的动力系统涉及燃料电池、蓄电池（或超级电容）、变流装置、推进电机等设备，这就需要利用多能源协同控制技术来进行各类设备之间的优化匹配与协同控制，保障动力系统的安全性、可靠性、经济性。（八）船舶氢应用安全技术船舶航行环境复杂，易受气象、水文、航道等因素的影响；船舶系统相对孤立，若发生安全事故，人员不易迅速逃离而需等待救援。因此，船舶需要有较高的安全性。在氢能源及燃料电池的推广应用过程中，需将与燃料相关的火灾、爆炸等风险发生概率及后果限制在极低水平，确保相关装置拥有与基于化石燃

14、料的常规主机/辅机具有同等安全水平。现有氢动力船舶相关的安全规范及应急措施有待进一步完善。氢应用安全技术是氢动力船舶安全运行的基础，采用数值模拟方法预测船舶氢气泄漏扩散及其风险演变规律，是制定相关风险应对措施的有效途径。（九）氢动力船舶标准及规范在陆上领域，氢能及燃料电池技术标准基本成熟，我国发布的相关技术标准多达91项。然而氢动力船舶标准及规范尚不成熟,相关燃料电池系统以及储氢、加氢系统主要沿用陆上标准。国际海事组织正在开展使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则关于纳入船舶应用燃料电池系统的技术要求编制工作，但并不包含燃料存储、供应系统。氢动力船舶技术标准环节存在的问题在于：规范法规缺项、

15、操作规范缺项、安全研究不足。例如，船用氢气加注标准（包括液氢加注和金属氢化物的船舶加氢技术）、70MPa储氢瓶上船标准、船舶重整制氢标准等均处于缺失状态。面向氢动力船舶快速发展需求，相关船舶标准及规范需要尽快进行补充完善：船用燃料电池动力系统专项研究验证，船舶功率需求较大，对燃料电池单体的一致性、电池管理系统、散热等要求高于车用系统；（2）氢燃料电池动力船舶设计方案风险评估分析与船用燃料电池及其处所安全防护专项研究验证，高盐雾腐蚀和潮湿的海上环境、船舶振动等因素可能降低系统的可靠性和耐久性；船舶氢燃料加注方式、安全操作规程及监管方式研究，我国港口或锚地尚无船用氢燃料加注设施，相关技术与规范需深

16、入研究；船用储氢系统、氢气供给系统专项研究验证，及时制定并持续完善氢燃料电池动力船舶的技术标准体系。五、我国氢动力船舶的发展目标与建设路径（一）我国氢动力船舶的发展目标应对“双碳发展目标，我国乃至全世界在航运业碳减排问题上都面临着巨大压力。发展氢动力船舶，全面牵引水路交通领域从氢能基础设施到终端应用的建设，革新水路交通运输装备的用能构成，支持实现清洁能源转型。围绕交通强国等行动纲领，推动传统船舶制造行业的转型与升级，催生新型船舶设计与研窕单位及产业链配套企业，引领船舶制造业高质量发展。实施大功率燃料电池、大容量储氢、快速加氢、多能源协同控制、氢利用安全等核心关键技术攻关，制定氢动力船舶标准及规

17、范，完善氢能配套设施，推动多类型氢动力船舶的示范应用。至2025年为技术积累阶段。借助燃料电池汽车技术进展，重点突破船用氢燃料电池等关键技术，制定氢动力船舶标准及规范；完成氢动力船舶装备研发，在内河/湖泊等场景实现氢动力船舶示范应用。20252030年为完善产业阶段。构建氢动力船舶设计、制造、调试、测试、功能验证、性能评估体系，建立配套的氢气“制储运基础设施；扩大内河/湖泊等场景的氢动力船舶示范应用规模，完善水路交通相关基础设施。20302035年为提升质量阶段。降低燃料电池和氢气成本，提高船用氢燃料电池系统寿命、转化效率和船上储氢量，研发高温燃料电池和余热利用技术;构建完备的水路交通载运装备

18、技术和产业体系，在近海场景实现氢动力船舶应用示范。20352060年为推广应用阶段。优化氢动力船舶的综合性能，推广本土商业化应用；与绿氨、碳中和1.NG/甲醇等动力形式船舶协同，完成我国水路交通运输装备领域碳中和目标；在国际航线上开展氢动力船舶应用示范，提升我国氢动力船舶产业的国际竞争力。（二）我国氢动力船舶的建设路径1 .面向碳中和的氢动力船舶总体路线图1.NG船舶应用前景良好，将是近期船舶清洁用能的主要形式。蓄电池技术是现阶段尽快实现内河及近海船舶零排放的解决方案，但能量密度有限，主要在短程、小型船舶上有应用空间，而在中短途运输领域未有广泛应用。氢燃料是实现船舶零排放的重点发展方向，近期将

19、在内河及近海船上开展应用研究。在制氢方面，目前化石能源制氢是主要方式，未来占比将逐步下降，可在CeUS技术成熟后引入以进一步降低碳排放；可再生能源制氢是未来主要的制氢途径。在储氢方面，为满足国际远洋航行船舶的续航要求，需进一步发展包括液氢储氢在内的高效储氢技术，甲醇重整制氢、氨分解制氢等现场制氢技术。氢的最佳应用载体是燃料电池,PEMFC受限于功率等级较低以及氢气纯度要求高，将主要应用于内河及近海船舶，未来继续发展高温PEMFC。高温燃料电池（如SoFC）可使用富氢液体燃料而不再依赖纯氢，采用余热利用技术可进一步提升系统效率，功率等级有望达到兆瓦级，在远期是适用于远洋船舶的技术路线。氢内燃机是

20、另一种氢能动力系统，随着船载储氢技术发展表现出良好的应用前景，将在水路交通“双碳目标实现过程中发挥重要作用。氢动力船舶发展路径与氢燃料电池、氢内燃机、储氢等技术以及氢能基础设施紧密相关，按照先内河/内湖、再近海、最后远洋的路线分步实施（见表2）:湖泊区域的游船/渡船等，可采用氢燃料电池动力系统；内河干线小型船舶（8000t以下）可采用氢燃料电池动力系统，内河干线大型船舶（80OOt以上）可采用基于氢、氨、甲醇等燃料的内燃机系统；近海、远洋船舶可采用混合动力系统。表2氢动力船舶发展进度类别时间近期中期未来燃料氢灰氢蓝氢、绿氢绿氢氨灰宏蓝氨、绿班绿氨甲醉甲醉甲一甲耨（碳中和）动力装置燃料电池PEM

21、FC高温型PEMFoSoFC高温型PEMFC7SOFC内燃机高热效率、低NO、排放高热效率、低NO,排放.W执物经J4f彻疆动力船舶航线演变内河/内湖近海远洋2 .氢燃料供应体系建设路径在近期，化石能源制氢仍占据主导地位，主要分为煤制氢、天然气制氢、化工副产品制氢。煤制氢具有成熟可靠、生产成本低的优势，就生产潜力而言完全可以满足氢能发展需要；在更强调清洁低碳的背景下，CCUS技术应用会对煤制氢路线产生重要影响。在中期，可再生能源制氢比重将逐步提高，与碳捕获技术结合生产蓝氢也将形成一定的规模。在远期，利用可再生能源发电，再通过水电解制氢将是重要的制氢方式（见图3）。高质气辄给僧fc;低总液依推广

22、舞吃雕技术试点运行雅躁感靠、高JK气气和V/技未*点运行/内河、近海和同洋加制站网点布口让弊完&/图3我国氢动力船舶的氢燃料供应体系建设路径适合大规模工程化应用的氢气运输方式主要有高压气氢长管拖车运输、低温液氢槽车运输。目前以高压气氢储运为主，后续将逐步过渡到低温液氢储运为主、以高压气氢储运为辅。未来随着氢气的广泛应用及规模化生产，涉及纯氢的管道运输、天然气掺氢的管道运输的输氢管网建设（或改造）将是能源基础设施的建设重点。在内河航运领域加大氢能利用范围与规模，形成以船舶为重点、以港口为中心的航运氢能产业生态,将支撑水路交通绿色化发展。积极拓展氢能的港口应用，探索在途氢燃料补给模式，既是制氢产业

23、绿色化发展的需要，也可支持氢动力船舶应用并完善水路交通氢能生态链。我国沿江经济发达、化工园区集中，工业副产氢产能多临近港口，氢能来源较丰富；氢源附近的港口可就地集中消纳氢能，同时利用航运在供需港口间进行远距离的氢能运输，以氢气规模化运输来降低运氢成本。加氢站布局可考虑与现有油气加注站合建，充裕的工业用地和远离城镇的区位也为加氢站建设审批提供便利条件，还可考虑更加灵活的移动式加氢站。海上风电制氢指直接通过水电解制氢设备将海上风力发电转化为氢气，再以氢为能源载体实现清洁能源的长期存储，这就为氢动力船舶的海上补充氢燃料提供了可能性。发达国家积极布局海上风电制氢项目，认为未来的枢纽设施可由设置在海上风

24、电场周边的氢燃料中心组成；我国能源体系规划鼓励建设海上风电基地，推动海上风电场向深水远岸区域布局。开展海上风电制氢项目具有一定的趋势性，海上绿氢生产基地有望成为氢燃料供应体系的重要组成部分。六、推动我国氢动力船舶发展的建议（一）明晰应用场景针对氢燃料电池动力系统的发展现状及未来演变趋势，借鉴先发国家的氢动力船舶运营经验，结合我国氢能战略规划与产业布局，明晰适应国情的氢动力船舶应用场景。可按照先内河/湖泊、再近海、最后远洋的发展次序，制定产业规划，梯次推进技术攻关、装备研制、应用示范、基础设施建设。（二）突破关键技术发挥宏观战略的引导作用，兼顾自主创新与对外合作，系统发挥企业、科研院所、高校的差

25、异化优势，以企业为主体实施氢动力船舶装备创新。着力突破氢动力船舶研发、示范、推广面临的关键核心技术，如高效低碳的氢气制取技术、船舶大容量储氢技术、大功率燃料电池技术等；促进水路交通载运工具氢能应用水平尽快达到国际先进，为更大规模的氢动力船舶应用示范筑牢基础。（三）完善配套设施建议在国家层面开展交通领域能源需求演变态势论证，统筹水陆空交通的氢能综合应用格局，研究提出燃料供应体系、基础设施建设等专项规划。鼓励各地区结合自有能源与技术优势，发展低成本、少污染、高可靠的制氢项目并开展应用示范，以试验试用积累工程化经验，为后续的大规模氢能基础设施建设提供依托。（四）创新运营体系针对氢动力船舶产业化应用存在的前期投资大、回报周期长的客观实际，积极配套政策、资金等资源支持，鼓励各类企业依托自身优势提前布局氢动力船舶市场，以示范运营支持新型运营模式探索；同步支持传统船舶下游环节积极开拓针对氢动力载运装备的检测、维修、培训等业务。以产业链协同模式探索建立我国氢动力船舶创新运营体系。