氫能源在船舶領域的應用現狀與前景分析

國際海事組織(IMO)公布的數據顯示，船舶行業每年的碳排放量約為10.76億噸，占世界二氧化碳排放總量的2.89%，并呈繼續增加的趨勢。在IMO 2020限硫令和“雙碳”目標背景下，船舶行業綠色轉型迫在眉睫。氫燃料被業界看作是“零碳排放”的高清潔能源，其在這一場脫碳的革命中將起到重要作用，因此氫能船舶也成為了船舶業實現綠色轉型的重要選擇。

國際國內氫能發展前景及現狀

氫能作為一種綠色、高效的二次能源，具有來源廣泛、燃燒熱值高、清潔無污染、利用形式多種多樣等特點。面對能源安全、環境保護等壓力,氫能有望在能源轉型過程中扮演重要角色。根據制氫過程中碳排放的不同，行業內一般將氫能分為灰氫、藍氫及綠氫。其中：灰氫指使用煤、天然氣等化石燃料制取的氫氣，并對釋放的二氧化碳不做任何處理；藍氫指使用化石燃料制取氫氣，同時對釋放的二氧化碳進行捕集和封存；綠氫指使用可再生能源發電電解或光解制取的氫氣。

目前，化石能源制氫仍是全球包括中國在內的主流制氫方式。據統計，我國是世界上最大的制氫國，年制氫產量約3300萬噸。由于中國豐富的煤炭資源特點，煤制氫是最首要的制氫來源，不同于全球范圍內18%左右的比重，煤制氫在國內占比可達六成以上，其次為工業副產氫、天然氣制氫、電解水制氫。

近年來，伴隨著國內能源結構的綠色低碳轉型，以及氫能產業的持續發展，電解水制氫迎來曙光，相關電解制氫項目數量和規模增長迅速。一方面，可再生能源發電制氫可實現全周期內的零碳排放，實現真正的綠氫生產；另一方面，隨著風電、光電等成本下降以及平價上網，制氫成本也將持續下降。此外，我國可再生能源裝機量全球第一，在清潔低碳的氫能供給上具有巨大潛力。未來，隨著碳中和驅動下清潔能源項目與技術的投入力度加大，低碳氫的經濟性與規模性也有望取得突破性進展，可再生能源電解制氫將逐步取代化石能源和工業副產制氫。

氫能船舶應用有哪些

氫作為能源主要以兩種型式的動力裝置應用于船舶：一是應用于傳統內燃機，包括純氫內燃機或與氨/甲醇等燃料一起使用的混燒型內燃機；二是應用于新型動力裝置--燃料電池。

使用氫內燃機作為船舶動力，具有對船體結構改變小、耐久性高、對氫氣純度要求低、產成本低、易產業化等優點，但其受到卡諾循環的限制，熱效率相對燃料電池較低，且氫內燃機會產生氮氧化物等排放。相較之下，氫燃料電池具有能量轉換效率高、振動噪音低、技術成熟度高等優勢，其效率可達50%~80%，排放產物只有水，因此目前在船用領域發展較為迅速。

多年來，美國、英國、德國、韓國、日本等多個國家一直都將燃料電池作為一種船舶技術儲備在不斷地發展。早在二十世紀八十年代，質子交換膜燃料電池得到了一些國家海軍的重視，并率先運用于潛艇和軍艦。2009年，挪威海工船東Eidesvik Offshore制造的第一艘海洋工程供應船正式交付，該船以LNG為主要燃料，配備有330kW的燃料電池系統，是全球首艘安裝燃料電池作為部分推進系統的商船，截止2012年，該船已連續運行26280小時，成為了世界上最環保的船舶之一。

國內氫能船舶主要應用案例是沿海和內河領域的游船，包括觀光船、公務船等。從“面世”的氫能船舶來看，國內在該領域已掌握了船用燃料電池系統設計、開發等多項技術，商業化應用潛力初顯。實現船舶的氫能應用并不容易，從技術層面來講，船舶動力需要的功率約為數百至數千千瓦，而目前的氫燃料電池單堆最多只能滿足一百千瓦左右的功率。由于氫燃料電池輸出特性偏軟，瞬態響應較慢，不適合單獨作為船舶的主推進動力，因此理想的方案還是將氫與其他能源結合使用。氫氣盡管是質量能量密度最高的燃料，但是其體積能量密度非常低。柴油的質量能量密度盡管不高，但體積能量密度最高。35MPa壓縮氫氣的體積能量密度僅為柴油體積能量密度的10%左右。故而，當燃料電池取代柴油機供給動力時，存儲氫氣所需的高壓氣瓶的體積遠高于目前存儲柴油所需的燃油艙。

另外，氫氣密度小，易泄露，還具有易燃易爆的特性，所以當氫氣作為燃料電池的燃料時對船舶燃料艙的體積和安全性提出了更高的要求。2022年3月，中國海事局印發了《氫燃料電池動力船舶技術與檢驗暫行規則(2022)》，中國船級社發布了《氫燃料電池》、《氫氣瓶》、《重整裝置》等3份涉及船用氫燃料電池系統的產品檢驗指南，2022年7月，中國船級社(CCS)《船舶應用燃料電池發電裝置指南》(2022)也正式生效，這掃清了大量氫能船發展的技術標準障礙，有望大幅縮短產業化落地及氫能船舶規�；�示范應用的時間。

氫能船舶應用前景

在“雙碳”背景下，2022年交通運輸領域去碳化工作進一步深入，明確提出推進海運業綠色智慧轉型，加強氫能等新能源在船舶動力領域的應用。國內燃料電池行業龍頭企業也紛紛積極推動氫能船舶系統開發應用，引導“氫能上船”發展。氫燃料電池船舶技術經過多年示范，實驗結果逐漸得到驗證，進入項目商業化探索階段；此外，全球20多個國家制定氫能產業發展戰略，隨著氫能汽車數量增多，政府和社會對氫能船舶的認知和接受度逐步提升。國內相繼出臺多項政策，從技術研發、落地推廣等角度推動氫燃料電池船舶的發展。

2022年，搭載中國船舶集團第七一二所氫能源動力系統的“三峽氫舟1號”正式開工，標志著我國首艘入級CCS氫燃料電池動力工作船正式轉入建造階段。該船總長49.9m，船寬10.4m，最大航速28km/h，采用500kw級氫燃料電堆，經濟航速下最高續航里程可達200km。這一示范應用的開展只是船舶領域電動化的一個縮影，近年來，無論是純電動船舶還是氫能船舶，都開始從圖紙走向碼頭，在實踐中探討其在技術、經濟上的可行性。純電動船仍存在充電速度、續航、壽命、成本這四大硬傷，但只要鋰電池充電技術、電池容量密度兩者之中只要有一個取得重大突破，就可以解決純電動船續航焦慮和電池更換成本的問題。燃料電池船舶從理論上沒有上述問題，但需要時間、市場和模式的培育。近年來，燃料電池技術已取得顯著突破，成本較5年前大幅降低。雖然鋰電池和燃料電池在技術上有一定的相似性，但其適用的場景并不相同，尤其在船舶中“可鋰可氫”的交叉應用領域相對較少，因此氫能船舶與純電船舶會分別占有一席之地并長期共存。相較鋰電池而言，氫燃料電池船舶具有加注時間短、續航里程長、功率密度高等特點，因此在大功率、長航程等場景下，氫能船舶優勢會更加明顯。

總體而言，純電和氫電兩條技術路線在船舶應用的起點差距不大，各有適用的場景，氫能產業化拐點臨近，技術擴散正在加速，國際產業輿論和政策發布也有利于氫能船發展。這些因素疊加后將大概率縮短氫能船示范應用的時間表，根據交通運輸部水運科學研究院的數據和專家預計，2025年氫燃料電池系統改造船數量和新建氫燃料電池船舶數量分別約400艘和200艘，氫燃料電池系統市場規模將達到200億元。據克拉克森預測，到2050年，氫燃料船舶占替代能源船舶的比例會達到40%。

未來展望

零排放的氫燃料電池技術應用于船舶是一種有效的解決方案，國內燃料電池船舶也有一定的示范經驗可依，從國內推廣LNG動力船舶的經驗來看，政府最關心的兩個問題是技術成熟度和管理成熟度，這需要在實踐中進行反復的試錯和迭代。按照國內產業發展經驗，遵循“項目示范-小規模示范應用-大規模示范推廣-商業化推廣”的產業發展規律，因此找對場景、選對技術方案、積累數據和技術迭代是首要工作。中國作為造船大國、航運大國，必須跟上國際船舶電動化發展腳步，抓住船舶電動化轉型發展機會，快速形成燃料電池船舶的實踐項目，制定各類標準、探索產業化技術和模式，打造零碳、綠色氫能船舶大國。（陳立劍 秦傲寒）