近年來，隨著質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC) 在運(yùn)輸應(yīng)用中脫穎而出，有多個(gè)船舶項(xiàng)目正在開發(fā)PEMFC解決方案。從小規(guī)模安裝中獲得的經(jīng)驗(yàn)可以逐步推廣到大型船只上，為兆瓦級(jí)燃料電池解決方案的開發(fā)和論證奠定基礎(chǔ)。

為響應(yīng)削減海上交通排放的迫切需求，廣大船東正在積極引進(jìn)替代燃料和燃料電池系統(tǒng)。生物基燃料和合成燃料可直接地或在改性后用于內(nèi)燃機(jī)，可以用來部分代替化石燃料。引入合成燃料還需要提高氫產(chǎn)量，這反過來又推動(dòng)燃料電池系統(tǒng)的高效實(shí)施來為船載電力系統(tǒng)提供電力。

2018年，國際海事組織 (IMO) 出臺(tái)了減少船舶溫室氣體 (GHG) 排放的初步戰(zhàn)略。在第一階段中，所定目標(biāo)是到2030年將每個(gè)運(yùn)輸作業(yè)的二氧化碳排放量減少40%，到2050年將航運(yùn)業(yè)的總體GHG排放量減少50%。IMO將在2023年修改戰(zhàn)略，對(duì)中期措施和中長期措施進(jìn)行規(guī)定，以在2030和2050年前實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

根據(jù)上述GHG減排目標(biāo)，DNV提出從現(xiàn)在到2050年的船舶運(yùn)輸預(yù)測(cè)，作為其《2019年能源轉(zhuǎn)型展望》報(bào)告的一部分。在2035之前，海上貿(mào)易有望繼續(xù)增長，但是預(yù)計(jì)在2025年左右多項(xiàng)措施將會(huì)出臺(tái)以削減排放，如圖1所示。物流、能源效率和速度減少會(huì)帶來影響，但是如果IMO設(shè)定的目標(biāo)得到實(shí)現(xiàn)，由化石燃料向可再生燃料的轉(zhuǎn)型將不可避免。燃料轉(zhuǎn)型將使差距在2030年和2050年分別縮小約5%和50%。

由于船舶的公認(rèn)生命周期為20-30年，因此如果這些目標(biāo)都要得到實(shí)現(xiàn)，必須加快向可再生燃料的轉(zhuǎn)型。二氧化碳減少量的反向計(jì)算表明2030年前每年需要約200,000 GWh的無碳能源。為了利用這種能源，需要安裝約40-50 GW的新設(shè)備。這會(huì)對(duì)新造船項(xiàng)目帶來巨大的壓力，并催生舊設(shè)備改造或翻新的需求，以及時(shí)滿足GHG目標(biāo)。

盡管LNG在開始時(shí)促進(jìn)轉(zhuǎn)型，但并不能提供最終的解決方案。氫電池和燃料電池均提出一種有吸引力的排放控制解決方案，因?yàn)槿剂媳旧聿缓?，并且燃料電池不燃燒，因而排放出來的氣體中無氮氧化物。

根據(jù)燃料電池行業(yè)的年度報(bào)告，2015-2019年期間，質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC) 產(chǎn)量激增。這很大程度上是由于汽車行業(yè)需求的緣故，但盡管如此，船舶應(yīng)用對(duì)燃料電池的熱度也在增長。

船用燃料電池項(xiàng)目的增長始于示范項(xiàng)目。這些項(xiàng)目應(yīng)用原本為客車和卡車開發(fā)的燃料電池模塊，通常將其安裝在小型船舶上，規(guī)格在100 kW和600 kW之間。有幾艘氫概念船舶已經(jīng)獲得融資。項(xiàng)目表明容量呈增長趨勢(shì)。在背后，有許多項(xiàng)目處于計(jì)劃階段，印證了這一趨勢(shì)。

將燃料電池應(yīng)用于大型船舶解決方案時(shí)，還必須解決數(shù)個(gè)挑戰(zhàn)。首先，必須構(gòu)建有關(guān)新燃料和系統(tǒng)的安全概念。此外，還需要對(duì)船上的總體布置進(jìn)行重大更改，甚至需要對(duì)船舶設(shè)計(jì)的基本原理提出質(zhì)疑。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，在使用燃料電池的情況下，燃料儲(chǔ)備系統(tǒng)和設(shè)備會(huì)提出不同的空間需求。由于低溫系統(tǒng)和低溫排放的因素，還需要重新考慮熱回收的概念。

由于管理法規(guī)和入級(jí)規(guī)范尚在制定中，氫的監(jiān)管環(huán)境還不太成熟。IMO頒布的有關(guān)使用氣體或其他低閃電燃料的船舶的國際安全規(guī)則（IGF規(guī)則）是主要的適用指南，但其現(xiàn)時(shí)提供的詳細(xì)規(guī)則只適用于LNG。有關(guān)其他氣體燃料的修訂正在審核中，但完善規(guī)則，將與氫相關(guān)的條例納入將需要數(shù)年的時(shí)間。然而，船級(jí)社正在與船旗國當(dāng)局合作制定指南，以便創(chuàng)建可預(yù)測(cè)的路線圖，支持船東修改設(shè)計(jì)流程，以獲得船旗國的認(rèn)可。


圖1：航運(yùn)業(yè)預(yù)期減排量(2018年-2050年)


可再生能源場景

盡管減排目標(biāo)被廣泛采納，但是在全球范圍內(nèi)還有其他實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的行動(dòng)路線。University Maritime Advisory Services (UMAS) 的一項(xiàng)研究提出與監(jiān)管、燃料可用性和成增長有關(guān)的各種減碳場景。該報(bào)告的結(jié)論認(rèn)為除了能源效率干預(yù)外，減少航運(yùn)業(yè)的碳強(qiáng)度還將需要向生物基燃料或合成燃料的轉(zhuǎn)型。氫燃料和氫基燃料在航運(yùn)業(yè)中的作用因路徑的不同而有很大的不同，在最可能的情況下，氫燃料和氫基燃料的占比在30%和60%之間。在大多數(shù)情況下，生物燃料的占比介乎于10%和20%之間。

能源觀察集團(tuán) (EWG) 和拉彭蘭塔理工大學(xué) (LUT) 更加雄心勃勃，他們提出所有行業(yè)100%可再生能源的全球轉(zhuǎn)型路徑。在航運(yùn)占很大比例的運(yùn)輸行業(yè)中，氫應(yīng)用將在2025年和2025年期間實(shí)現(xiàn)增長。如圖2所示，液態(tài)可再生燃料和氫一起將逐步占運(yùn)輸行業(yè)總能源需求量的半數(shù)以上。


圖2：運(yùn)輸業(yè)100%可再生能源行動(dòng)計(jì)劃的能源需求


替代燃料

國際能源署 (IEA) 從研究角度對(duì)生物燃料在船舶行業(yè)中的可用性和潛在市場進(jìn)行了審查。當(dāng)前的生物燃料產(chǎn)能遠(yuǎn)低于船舶行業(yè)的潛在需求，而且就算產(chǎn)量大幅上升，生物燃料也只能部分地支持脫碳目標(biāo)。以工廠殘?jiān)突驖{渣為原料的生物柴油可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)高的產(chǎn)能，并且在與船用柴油混合后，可用作即用燃料。生物乙醇的生產(chǎn)可帶來巨大的供應(yīng)潛力，但這需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造，以便與內(nèi)燃機(jī)一起使用。

除了生物燃料外，還可以氫和二氧化碳為原料生產(chǎn)合成烴或用氮?dú)馍a(chǎn)氨氣。這些合成燃料也被稱為電子燃料，其碳足跡與生產(chǎn)過程中使用的原料和能源相關(guān)。生產(chǎn)碳中和電子燃料需要由水電解等方式得到的氫。二氧化碳可從工業(yè)煙氣或直接從空氣捕獲，而用于生產(chǎn)過程中的能源由可再生能源提供。

潛在的碳基電子燃料包括甲烷、甲醇、柴油和航空煤油。所有這些燃料均可與常規(guī)設(shè)備一起使用或與現(xiàn)有的燃料混合。然而，電子燃料生產(chǎn)的發(fā)展計(jì)劃仍處于示范層面，并且即使擴(kuò)大到商業(yè)數(shù)量后，它們的生產(chǎn)成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前的化石燃料。因此，人們普遍認(rèn)為，從中長期來看，最主要的電子燃料是無碳替代燃料，即氨和氫燃料。

由于氫是所有合成燃料的主要原料，因此，若想大規(guī)模生產(chǎn)合成燃料，必然需要大幅擴(kuò)大氫的生產(chǎn)。而且，氫也可用作主要燃料，所以預(yù)計(jì)更簡單的生產(chǎn)鏈和物流將有利于氫而不是其他電子燃料。從長遠(yuǎn)來看，由于其生產(chǎn)過程簡單，氫的成本還會(huì)大大低于其他電子燃料。


燃料電池技術(shù)

與內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)鉁u輪機(jī)相比，燃料電池的效率更高，并且無氮氧化物排放。系統(tǒng)只有極少的活動(dòng)部件，所以運(yùn)行安靜可靠。因此，在配備電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶中使用氫燃料電池將帶來非常大的競爭力。

歐洲海事安全局 (EMSA) 和DNA的一項(xiàng)研究對(duì)面向航運(yùn)業(yè)的燃料電池技術(shù)進(jìn)行了評(píng)估。堿性燃料電池技術(shù)(AFC) 具有悠久的歷史，最初用于航天飛機(jī)上，成本相對(duì)較低。質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC) 技術(shù)被廣泛使用于運(yùn)輸應(yīng)用中，其主要優(yōu)勢(shì)是高功率重量比。這兩種技術(shù)只使用純氫作為燃料，且工作溫度相對(duì)較低。


      圖3：2015-2019年期間不同燃料電池技術(shù)的年產(chǎn)量

磷酸燃料電池 (PAFC) 可以在高達(dá)200°C的溫度下工作，而且支持熱回收系統(tǒng)。固態(tài)熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC) 和氧化物燃料電池 (SOFC) 均可在500°C以上的溫度下工作。直接甲醇燃料電池允許使用甲醇作為燃料，無需單獨(dú)的重整器。得益于集成的重整工藝，MCFC和SOFC在燃料使用上比較靈活，而PAFC還可以在LNG或甲醇上運(yùn)行，無需外部重整器。

2015-2019年期間燃料電池市場的發(fā)展情況如圖3所示。過去五年來，PEMFC持續(xù)快速增長。而其他技術(shù)的年度市場發(fā)展?fàn)顩r保持不變。增長主要源于汽車行業(yè)的需求。該行業(yè)青睞PEMFC的緊湊尺寸、可靠性和預(yù)期壽命。除了汽車應(yīng)用外，相同的優(yōu)勢(shì)適用于重型運(yùn)輸和船舶應(yīng)用。因此，PEMFC的產(chǎn)能不斷增長預(yù)示著在不久的將來，所有行業(yè)的生產(chǎn)成本都會(huì)下降，包括船舶行業(yè)。


表1：船用PEMFC項(xiàng)目示例


選擇的使用燃料電池的船舶項(xiàng)目

2013年，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，旨在設(shè)計(jì)和建造船用集裝箱式氫燃料電池發(fā)電機(jī)。該船用燃料電池發(fā)電機(jī)由Hydrogenics提供的100 kW燃料電池系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，包含壓縮氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)。2017年，集裝箱采用ABB提供的功率調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)。同年，皇家加勒比郵輪 (RCCL) 在RCCL技術(shù)展示日中推出了100 kW的示范機(jī)。這次活動(dòng)由ABB和巴拉德動(dòng)力(Ballard Power Systems) 設(shè)計(jì)和開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)提供動(dòng)力。

另一個(gè)例子是，2018年，歐盟資助的項(xiàng)目“ 旗艦”(FLAGSHIPS) 獲得燃料電池和氫能聯(lián)合組織 (FCH JU)下的歐盟研究和創(chuàng)新項(xiàng)目“地平線2020”(Horizon 2020)的500萬歐元的資金，旨在法國和挪威部署兩艘氫能船舶。

在其他的長期項(xiàng)目中，HySeas III項(xiàng)目旨在推出混合電力客渡輪，用于蘇格蘭的奧克尼群島航線運(yùn)營。2016年，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布了一項(xiàng)有關(guān)SFBREEZE概念的可行性研究。這個(gè)項(xiàng)目一直持續(xù)到了2020年，但是Water-Go-Round渡輪項(xiàng)目按計(jì)劃推出。此外，還有其他項(xiàng)目在挪威、法國和荷蘭展開，旨在推進(jìn)功率最高達(dá)1MW或略微超過1 MW的氫動(dòng)力船舶。


面向大型船舶的解決方案

現(xiàn)有燃料電池的參考目前適用于小型船舶，但大部分原理同樣適用于配有大型燃料電池發(fā)電裝置的大型船舶。數(shù)個(gè)船舶利益相關(guān)者正開展大規(guī)模的燃料電解決方案研究，但這些研究尚未發(fā)布。對(duì)大小型船舶而言，氫的安全概念相似，并且許多規(guī)則或設(shè)計(jì)指南源自從LNG中獲得的經(jīng)驗(yàn)。LNG系統(tǒng)的雙屏障原理適用于氫供應(yīng)管線。氫的可燃范圍和爆炸范圍比LNG廣，因而應(yīng)將更多注意力放在泄漏檢測(cè)場景上。由于監(jiān)管環(huán)境對(duì)氫而言并不完備，因此，船舶總體上必須遵循替代設(shè)計(jì)的審批路徑。

對(duì)于大小型船舶來說，將燃料電池集成到配電網(wǎng)絡(luò)所遵循的原理是相同的。為了組成尺寸和電壓適當(dāng)?shù)陌l(fā)電單元，燃料電池堆可以采用并聯(lián)和串聯(lián)的電氣連接。將燃料電池的、依賴于負(fù)荷的輸出電壓調(diào)節(jié)到恒定值通常需要直流/直流 (DC/DC) 轉(zhuǎn)換器。使用直流/交流轉(zhuǎn)換器和變壓器連接交流 (AC) 網(wǎng)絡(luò)，以確保電氣隔離和正確的電壓水平。與直流 (DC) 網(wǎng)絡(luò)集成可減少設(shè)備需求，從而節(jié)省成本和空間，但是直流網(wǎng)絡(luò)在大型船舶上的實(shí)現(xiàn)仍需要對(duì)中壓直流配電技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。

在商業(yè)船舶建造市場上，人們明確表示有興趣設(shè)計(jì)和建造燃料電池船舶，而且是兆瓦級(jí)船舶。對(duì)于這樣的級(jí)別，使用數(shù)百千瓦的模塊來構(gòu)建大型燃料電池系統(tǒng)的做法不再可行。因此，2018年，ABB和巴拉德動(dòng)力宣布合作開發(fā)面向船舶的MW級(jí)燃料電池單元。繼他們宣布之后，其他聯(lián)合體也紛紛成立，旨在開發(fā)大型船用燃料電池系統(tǒng)。預(yù)計(jì)此類系統(tǒng)的首個(gè)示范產(chǎn)品將于2023-2025年在運(yùn)營中的船舶上運(yùn)行。


船舶設(shè)計(jì)的考慮因素

氫燃料電池的主要挑戰(zhàn)之一是氫儲(chǔ)存所需的空間。從大范圍來看，最可行的解決方案是使用液化氫 (LH2)，當(dāng)中采用的是從已知LNG解決方案改進(jìn)而來的低溫儲(chǔ)存技術(shù)。對(duì)于可用燃料儲(chǔ)存空間有限的情況，可以另一種燃料的形式保存原料，然后通過特定的重整器或利用自動(dòng)重整燃料電池技術(shù)將原料重整為氫。

應(yīng)在船舶設(shè)計(jì)過程的早期階段選擇主要的燃料和燃料電池技術(shù)，因?yàn)檫@會(huì)對(duì)功率平衡和總布置產(chǎn)生顯著的影響。例如，燃料電池中的低排氣溫度可限制熱回收的利用，而且還釋放隔熱所需的空間。另一方面，由于用于蒸發(fā)器的熱量可以從空調(diào)系統(tǒng)中提取，因此可利用低溫系統(tǒng)高效地進(jìn)行冷卻。

氫能船舶的總布置可能會(huì)與常規(guī)船舶的總布置有很大區(qū)別。由于PEMFC等的低溫排氣，排氣通道的隔熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)燃機(jī)。因此，可將更多的有效載荷添加到上甲板區(qū)，而且燃料電池單元在形狀上很靈活，可圍繞船體分布，因而在機(jī)艙總布置上獲得額外的自由度。這也使將發(fā)電裝置分配到獨(dú)立部位的操作變得簡單。


混合電力解決方案

持續(xù)的燃料電池項(xiàng)目有助于解決數(shù)個(gè)與氫和燃料電池安裝有關(guān)的挑戰(zhàn)。面向大型燃料電池船舶的很自然的一步是將燃料電池應(yīng)用于混合動(dòng)力系統(tǒng)中，使燃料電池與電池系統(tǒng)或傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組并行安裝。當(dāng)?shù)∷倩蝰偨劭跁r(shí)，混合動(dòng)力船舶可以在零排放模式下運(yùn)行。混合燃料電池發(fā)電裝置的一個(gè)額外功能是使用燃料電池和電池（需要時(shí)）進(jìn)行安靜運(yùn)行。當(dāng)需要高速或其他高功率應(yīng)用時(shí)，仍可以利用內(nèi)燃機(jī)或燃?xì)鉁u輪機(jī)來產(chǎn)生高功率。


結(jié)論

對(duì)脫碳的新興需求已在船舶領(lǐng)域得到了廣泛的確認(rèn)，而IMO采納了到2030年和2050年大幅減少排放的宏偉目標(biāo)。因此，面向無碳電力推進(jìn)的替代燃料和燃料電池越來越受船東和船廠的歡迎。

從中短期來看，采用氫的PEMFC技術(shù)有可能成為船用燃料電池系統(tǒng)的首選。盡管如此，能夠使用SOFC和DMFC等其他燃料的高溫技術(shù)還是逐漸地取得了突破。船用燃料電池應(yīng)用市場已經(jīng)從技術(shù)示范發(fā)展到面向氫動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的小型船舶細(xì)分市場。在下一個(gè)階段中，燃料電池系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)發(fā)展，而且能夠適用于更大型的船舶。

然而，當(dāng)在大型船舶上實(shí)施氫燃料電池系統(tǒng)時(shí)，還需要考慮其他與船舶設(shè)計(jì)有關(guān)的因素。例如，低溫排氣對(duì)熱回收產(chǎn)生限制，但提高了總布置的靈活性。此外，燃料儲(chǔ)存和供應(yīng)系統(tǒng)還與傳統(tǒng)的系統(tǒng)存在輕微的差別。盡管如此，氫和燃料電池在大型船舶上應(yīng)用不存在很大的障礙，但是一些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)仍待解決。

來源：ABB