一、發(fā)展氫動(dòng)力船舶的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性
(一)氫和氨燃料
制氫技術(shù)分為化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫、電解水制氫等?；茉粗茪浔M管將過渡到可再生能源電解水制氫，但在一定時(shí)間內(nèi)仍占重要地位。利用可再生能源實(shí)現(xiàn)低成本、高效率制氫是未來大規(guī)模制氫的發(fā)展方向，也是各國(guó)氫能領(lǐng)域支持的重點(diǎn)方面?，F(xiàn)階段綠氫成本依然偏高(約為 32.2 元 /kg)，其中可再生能源電力、電解槽的成本占比達(dá)到 90%，因此控制綠氫成本關(guān)鍵在于降低可再生能源電價(jià)與電解槽成本。未來通過降低可再生能源發(fā)電成本、提升電解槽技術(shù)水平、以規(guī)?；瘧?yīng)用促進(jìn)成本下降，我國(guó)綠氫成本有望在 2030 年、2040 年、2050 年分別降至 14.7 元 /kg、10 元 /kg、8 元 /kg，這就為氫動(dòng)力船舶的規(guī)?；瘧?yīng)用逐步提供了經(jīng)濟(jì)可行性。
氨燃料是另一種具有應(yīng)用前景的零碳燃料，還可作為儲(chǔ)氫載體，其能量密度較高、生產(chǎn)成本低、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)完善，在船舶應(yīng)用方面具有優(yōu)勢(shì)。我國(guó)合成氨技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟，目前主要利用化石能源制氨，制造成本較低(約 4000 元 /t)?！吨袊?guó)能源體系碳中和路線圖》預(yù)測(cè)，在 " 雙碳 " 目標(biāo)背景下，我國(guó)氨產(chǎn)量將由 2020 年的 5.4 × 107 t 增加至 2060 年的 8 × 107 t，且 2060 年有 2/3 的氨燃料應(yīng)用于航運(yùn)行業(yè)，至少滿足水運(yùn)行業(yè) 40% 的能源需求?？稍偕茉措娊馑茪湓俸铣砂钡某杀据^高，因而降低可再生能源制氫的成本是控制綠氨生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，預(yù)計(jì) 2020 — 2060 年我國(guó)可再生能源電解水制氫再合成氨的成本將下降 70% 以上。
(二)氫燃料電池
2010 年以來，氫燃料電池成本降低了約 60%。根據(jù)《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(2019 版)》提出的目標(biāo)，燃料電池系統(tǒng)的成本將從 2019 年的 8000 元 /kW 下降到 2025 年的 4000 元 /kW、2035 年的 800 元 /kW、2050 年的 300 元 /kW;假定船舶燃料電池系統(tǒng)的功率為 500 kW，則 2050 年單船燃料電池系統(tǒng)成本可控制在 15 萬元左右。
隨著我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)產(chǎn)燃料電池的電堆功率、最低啟動(dòng)溫度、壽命等指標(biāo)均得以大幅改善，自主化程度也在不斷提升。燃料電池電堆成本約占燃料電池系統(tǒng)成本的 65%，電堆成本仍有下降空間，中長(zhǎng)期的降幅可達(dá) 85%。我國(guó)企業(yè)積極布局雙極板、膜電極、空氣壓縮機(jī)、氫氣循環(huán)泵等燃料電池關(guān)鍵零部件研制，如上海捷氫科技股份有限公司生產(chǎn)的燃料電池電堆，58 個(gè)核心一級(jí)零部件全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，采用新型貴金屬涂層的金屬雙極板和優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提升了燃料電池效率并降低了制造成本。2020 年，燃料電池電堆的成本出現(xiàn)了明顯下降勢(shì)頭(3000~4000 元 /kW)，甚至部分產(chǎn)品報(bào)價(jià)下降至 2000 元 /kW。盡管如此，氫燃料電池電堆及系統(tǒng)的可靠性、耐久性是商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，仍待持續(xù)優(yōu)化提升。
(三)氫內(nèi)燃機(jī)
現(xiàn)有氫內(nèi)燃機(jī)的有效熱效率為 35%~45%，而 PEMFC 系統(tǒng)的效率為 50%~60%;雖然氫內(nèi)燃機(jī)的效率偏低，但功率可以達(dá)到高值(目前可達(dá)到兆瓦級(jí))，已用于拖船和渡船。在成本方面，氫內(nèi)燃機(jī)明顯低于 PEMFC 系統(tǒng)，以 100 kW 發(fā)電裝置為例，基于當(dāng)前技術(shù)的氫內(nèi)燃機(jī)成本僅為 PEMFC 系統(tǒng)的 50%?？梢灶A(yù)判，隨著船舶儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展、氫能基礎(chǔ)設(shè)施的完善，氫內(nèi)燃機(jī)在船舶上可取得廣泛應(yīng)用。
(四)基礎(chǔ)設(shè)施
在我國(guó)，現(xiàn)有加氫技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施以車輛應(yīng)用為主，而船舶應(yīng)用基本空白;主流的加氫站規(guī)模為 500 kg/d、1000 kg/d，對(duì)應(yīng)的建設(shè)成本分別為 1200~1500 萬元、2000~2500 萬元(不考慮土地成本)，其中設(shè)備、土建成本占比超過 70%。氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐(分為高壓儲(chǔ)氫罐和液氫儲(chǔ)罐)、加氫機(jī)是加氫站的核心裝備。在氫氣壓縮機(jī)方面，隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，未來有望逐步占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，而離子式壓縮機(jī)需進(jìn)一步研制。加氫站儲(chǔ)氫裝置已具備一定的自主化基礎(chǔ)，如中集安瑞科控股有限公司生產(chǎn)的 45 MPa 大容積無縫鋼制儲(chǔ)氫氣瓶已實(shí)現(xiàn)出口，300 m3 大型液氫儲(chǔ)罐完成了方案設(shè)計(jì)和小批量生產(chǎn)。35 MPa 規(guī)格的加氫機(jī)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)，但加氫槍、流量計(jì)、閥件等核心零部件依賴進(jìn)口;國(guó)內(nèi)企業(yè)已掌握 70 MPa 加氫技術(shù)，但相關(guān)應(yīng)用落后于國(guó)外。
在氫動(dòng)力船舶發(fā)展初期，宜借助氫動(dòng)力汽車的良好發(fā)展勢(shì)頭，積累基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)技術(shù);逐步開展船舶領(lǐng)域的氫能應(yīng)用，以技術(shù)改進(jìn)與裝備更新的方式匹配氫動(dòng)力船舶的專有應(yīng)用需求。
(五)船舶總擁有成本
船舶總擁有成本(TCO)包括建造成本、運(yùn)營(yíng)成本：前者分為主動(dòng)力系統(tǒng)成本、輔助動(dòng)力成本、燃料儲(chǔ)罐成本、船身及其他零部件成本等，后者涵蓋燃料成本、維修成本、箱位損失、人員工資、保修費(fèi)等。由于氫動(dòng)力船舶仍處于研制與小規(guī)模應(yīng)用階段，相關(guān)的 TCO 分析依然不夠充分。針對(duì) 15 000 TEU 氨氫動(dòng)力集裝箱船開展的 TCO 分析表明，假定配備 1 臺(tái) 51 MW 氨發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，2 臺(tái) 4 MW、2 臺(tái) 2 MW 氫燃料電池系統(tǒng)作為輔助動(dòng)力，則 TCO 約是同等條件下傳統(tǒng)燃料船舶的 2 倍;燃料成本是影響氨氫動(dòng)力船舶經(jīng)濟(jì)性能的重要參數(shù)。
二、氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析
(一)高效低碳的氫氣制取技術(shù)
當(dāng)前，氫氣主要利用化石能源來獲得，約占世界氫氣生產(chǎn)量的 95%，生產(chǎn)過程排放 CO2;利用可再生能源獲得的電能來進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)模級(jí)別的電解水制氫，生產(chǎn)過程屬于零碳排放，但所占比例僅約 4%~5%。碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)可應(yīng)用于傳統(tǒng)的化石能源制氫過程以降低碳排放量，但考慮現(xiàn)有技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的成熟度，預(yù)計(jì) 2030 年前基于 CCUS 技術(shù)的化石能源制氫難有明顯突破。因此，基于可再生能源的電解水制氫是未來氫氣制取的發(fā)展趨勢(shì)。
電解水制氫分為堿水電解、PEM 水電解、固體氧化物水電解。堿水電解、PEM 水電解被認(rèn)為是當(dāng)前可實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)：前者在我國(guó)已經(jīng)工業(yè)化，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)率達(dá)到 1000 Nm3/h;后者正處于從研發(fā)走向工業(yè)化的前期階段。近年來，我國(guó)電解水制氫設(shè)備的裝機(jī)容量顯著提升，2020 年裝機(jī)容量為 18 MW，約占世界增量的 1/4。在 " 雙碳 " 目標(biāo)背景下，隨著技術(shù)提升和配套制造業(yè)的完善，2030 年、2060 年我國(guó)電解水制氫設(shè)備裝機(jī)容量將分別達(dá)到 25 GW、750 GW，分別占世界總量的 15%、40%。
(二)大規(guī)模低成本的氫氣運(yùn)輸技術(shù)
可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；\(yùn)輸氫氣的方式主要有高壓氣氫長(zhǎng)管拖車、低溫液氫槽車、氫氣管道。高壓氣氫長(zhǎng)管拖車方式技術(shù)成熟，適用于運(yùn)輸距離較近、輸送量較低、氫氣日用量為噸級(jí)的用戶，與當(dāng)前的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模相適應(yīng)。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)管拖車氫氣瓶的工作壓力多為 20 MPa，TT11-2140-H2-20-I 型集裝箱束箱每次可充裝氫氣約 347 kg。高壓氣氫長(zhǎng)管拖車適用于 200 km 以內(nèi)的運(yùn)輸， 200 km 距離的運(yùn)輸成本約為 7.72 ~8.82 元 /kg。
低溫液氫槽車的運(yùn)氫能力強(qiáng)(是高壓氣氫長(zhǎng)管拖車的 10 倍以上)，在 200 km 以上距離的運(yùn)輸成本僅為高壓氣氫長(zhǎng)管拖車的 1/5~1/8，但氫氣液化能耗較高，如 20 MPa 高壓氣氫的壓縮成本約為 2 元 /kg，而大型氫氣液化裝置的液化成本約為 12.5 元 /kg。此外，氫氣液化裝備的初始投資成本不容忽視。在解決相關(guān)成本和效率問題后，液氫罐車在中遠(yuǎn)距離的輸氫領(lǐng)域?qū)⒂辛己玫膽?yīng)用前景。近期，液氫海運(yùn)船受到廣泛關(guān)注，有可能成為新興的液氫運(yùn)輸方式，如日本 "Suiso Frotier" 液氫運(yùn)輸船。
基于氣態(tài)氫的管道運(yùn)輸分為兩類：純氫的管道運(yùn)輸、天然氣摻氫的管道運(yùn)輸。管道運(yùn)輸適用于大規(guī)模、長(zhǎng)距離的氫氣運(yùn)輸，但前期投資較大。當(dāng)氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施尚不完善時(shí)，將氫氣摻入天然氣中并利用天然氣管道進(jìn)行運(yùn)輸，是一種兼顧技術(shù)與成本的大規(guī)模運(yùn)氫方式(當(dāng)摻氫天然氣的含氫量約為 15% 時(shí)，僅需對(duì)原有管道進(jìn)行適當(dāng)改造即可)，主要涉及天然氣運(yùn)輸管道與氫氣的相容性、氫氣泄漏與檢測(cè)、終端氫氣分離等。隨著氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大、應(yīng)用需求的增加，具有運(yùn)輸規(guī)模優(yōu)勢(shì)的管道輸氫將成為優(yōu)選方式。
(三)船舶大容量?jī)?chǔ)氫技術(shù)
儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出 " 低儲(chǔ)氫密度—高儲(chǔ)氫密度 " 的趨勢(shì)。高密度儲(chǔ)氫技術(shù)仍不成熟，技術(shù)路線仍在進(jìn)行多方案探索，包括超高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫等。
高壓儲(chǔ)氫是當(dāng)前船舶適用的方式，儲(chǔ)氫瓶有 35 MPa、70 MPa 兩種規(guī)格，對(duì)應(yīng)的體積儲(chǔ)氫密度分別為 25 g/L、41 g/L。國(guó)外的 70 MPa 高壓儲(chǔ)氫技術(shù)基本成熟并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，如豐田 Mirai 氫燃料電池汽車即采用 70 MPa 儲(chǔ)氫瓶。我國(guó)的 35 MPa 高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成熟，國(guó)產(chǎn)氫燃料電池汽車較多采用;正在研發(fā) 70 MPa 高壓氣瓶，已接近商業(yè)應(yīng)用階段。因此，我國(guó)氫動(dòng)力船舶，如 " 綠色珠江號(hào) " 內(nèi)河貨船先期采用了 35 MPa 高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫方式，待技術(shù)條件成熟后再轉(zhuǎn)向更高規(guī)格。
液氫的密度為 70.8 g/L，在儲(chǔ)存密度上較高壓儲(chǔ)氫有明顯優(yōu)勢(shì);隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫將逐步擴(kuò)大民用范圍，有望成為未來的主流儲(chǔ)氫方式。考慮到現(xiàn)有高壓儲(chǔ)氫技術(shù)的儲(chǔ)存密度較低，無法滿足未來船舶續(xù)航力的要求，船舶儲(chǔ)氫將朝著能量密度更高的方向發(fā)展，如 "Topeka" 滾裝船、"AQUA" 概念游艇計(jì)劃采用低溫液態(tài)儲(chǔ)氫方式。金屬氫化物儲(chǔ)氫方式具有儲(chǔ)氫體積密度大、壓力低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在潛艇上具有良好應(yīng)用前景，推廣應(yīng)用過程需著力解決成本、吸脫氫溫度、反應(yīng)速率等問題。
理論上氨的儲(chǔ)氫密度約為 17.6%，液氨的體積儲(chǔ)氫密度是液氫的 1.5 倍，加之氨的液化、儲(chǔ)存、運(yùn)輸技術(shù)成熟，使得以氨為載體的儲(chǔ)氫方式成為極具潛力的大容量?jī)?chǔ)氫解決方案。氨的裂化分解是以氨為載體的儲(chǔ)氫系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)低壓、低溫、高活性、低成本的催化劑是后續(xù)研究重點(diǎn)。甲醇具有較高的儲(chǔ)氫密度且自身含氫量達(dá) 12.5%，可作為綠氫的載體來實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)存和運(yùn)輸，當(dāng)距離大于 200 km 時(shí)較直接運(yùn)氫具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)?？紤]到甲醇制氫會(huì)產(chǎn)生 CO，需配備氫氣純化裝置以避免 PEMFC 催化劑中毒。
(四)船舶大功率燃料電池技術(shù)
船用燃料電池技術(shù)表現(xiàn)為 " 小功率—大功率 " 的發(fā)展趨勢(shì)。燃料電池主要分為以 PEMFC 為代表的低溫燃料電池，以熔融碳酸鹽(MCFC)和固體氧化物(SOFC)為代表的高溫燃料電池：前者技術(shù)成熟，正在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展，力求實(shí)現(xiàn)價(jià)格更低、壽命更長(zhǎng)、功率更高;后者因其功率高、效率高、氫氣純度要求低等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更適合船舶應(yīng)用，也是未來大型船舶的發(fā)展方向。
船舶功率需求與船型、操作工況相關(guān)，不同船型的需求功率如表 1 所示。PEMFC 系統(tǒng)可作為小型船舶的主動(dòng)力或大型船舶的輔助動(dòng)力。在現(xiàn)有的氫動(dòng)力船舶示范項(xiàng)目中，PEMFC 系統(tǒng)輸出功率基本為百千瓦級(jí)。為了拓寬氫動(dòng)力船舶的適用場(chǎng)景，未來 PEMFC 系統(tǒng)的輸出功率應(yīng)提高至兆瓦級(jí)，這是船舶燃料電池亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)。
(五)船舶氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)
氫氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、放熱集中，因而氫?nèi)燃機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)具有更高的熱效率。普通內(nèi)燃機(jī)熱效率約為 30%~40%，而德國(guó)企業(yè)研制的氫內(nèi)燃機(jī)驗(yàn)證機(jī)熱效率最高達(dá)到 42%，我國(guó)正在研發(fā)的氫內(nèi)燃機(jī)熱效率有望達(dá)到 44%。也要注意到，氫內(nèi)燃機(jī)雖然具有輸出功率高、熱效率高、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但存在爆燃、早燃、回火等技術(shù)難題，也會(huì)產(chǎn)生 NO，因而提升動(dòng)力系統(tǒng)性能、降低 NO 排放是后續(xù)氫內(nèi)燃機(jī)研究亟待攻關(guān)的方面。
氫內(nèi)燃機(jī)相比 PEMFC 系統(tǒng)具有輸出功率優(yōu)勢(shì)，待攻克相關(guān)技術(shù)難題后，將在船舶領(lǐng)域獲得廣闊應(yīng)用。2017 年，比利時(shí)海事集團(tuán)推出了世界首制柴氫雙燃料客船，搭載的 Behydro 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為 1000~2670 kW。目前我國(guó)的氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)集中在汽車領(lǐng)域而尚未開展船舶應(yīng)用研究，相較國(guó)際先進(jìn)水平還存在較大差距。
(六)氫動(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范
在陸上領(lǐng)域，氫能及燃料電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本成熟，我國(guó)發(fā)布的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多達(dá) 91 項(xiàng)。然而氫動(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范尚不成熟，相關(guān)燃料電池系統(tǒng)以及儲(chǔ)氫、加氫系統(tǒng)主要沿用陸上標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際海事組織正在開展《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》關(guān)于納入船舶應(yīng)用燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)要求編制工作，但并不包含燃料存儲(chǔ)、供應(yīng)系統(tǒng)。氫動(dòng)力船舶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)存在的問題在于：規(guī)范法規(guī)缺項(xiàng)、操作規(guī)范缺項(xiàng)、安全研究不足。例如，船用氫氣加注標(biāo)準(zhǔn)(包括液氫加注和金屬氫化物的船舶加氫技術(shù))、70 MPa 儲(chǔ)氫瓶上船標(biāo)準(zhǔn)、船舶重整制氫標(biāo)準(zhǔn)等均處于缺失狀態(tài)。
面向氫動(dòng)力船舶快速發(fā)展需求，相關(guān)船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范需要盡快進(jìn)行補(bǔ)充完善：① 船用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)專項(xiàng)研究驗(yàn)證，船舶功率需求較大，對(duì)燃料電池單體的一致性、電池管理系統(tǒng)、散熱等要求高于車用系統(tǒng);② 氫燃料電池動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析與船用燃料電池及其處所安全防護(hù)專項(xiàng)研究驗(yàn)證，高鹽霧腐蝕和潮濕的海上環(huán)境、船舶振動(dòng)等因素可能降低系統(tǒng)的可靠性和耐久性;③ 船舶氫燃料加注方式、安全操作規(guī)程及監(jiān)管方式研究，我國(guó)港口或錨地尚無船用氫燃料加注設(shè)施，相關(guān)技術(shù)與規(guī)范需深入研究;④ 船用儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)專項(xiàng)研究驗(yàn)證，及時(shí)制定并持續(xù)完善氫燃料電池動(dòng)力船舶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。
三、我國(guó)氫動(dòng)力船舶的發(fā)展目標(biāo)與建設(shè)路徑
(一)我國(guó)氫動(dòng)力船舶的發(fā)展目標(biāo)
應(yīng)對(duì) " 雙碳 " 發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)乃至全世界在航運(yùn)業(yè)碳減排問題上都面臨著巨大壓力。發(fā)展氫動(dòng)力船舶，全面牽引水路交通領(lǐng)域從氫能基礎(chǔ)設(shè)施到終端應(yīng)用的建設(shè)，革新水路交通運(yùn)輸裝備的用能構(gòu)成，支持實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型。圍繞交通強(qiáng)國(guó)、《中國(guó)制造 2025》等行動(dòng)綱領(lǐng)，推動(dòng)傳統(tǒng)船舶制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，催生新型船舶設(shè)計(jì)與研究單位及產(chǎn)業(yè)鏈配套企業(yè)，引領(lǐng)船舶制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。實(shí)施大功率燃料電池、大容量?jī)?chǔ)氫、快速加氫、多能源協(xié)同控制、氫利用安全等核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，制定氫動(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，完善氫能配套設(shè)施，推動(dòng)多類型氫動(dòng)力船舶的示范應(yīng)用。
至 2025 年為技術(shù)積累階段。借助燃料電池汽車技術(shù)進(jìn)展，重點(diǎn)突破船用氫燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)，制定氫動(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范;完成氫動(dòng)力船舶裝備研發(fā)，在內(nèi)河 / 湖泊等場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力船舶示范應(yīng)用。
2025 — 2030 年為完善產(chǎn)業(yè)階段。構(gòu)建氫動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、測(cè)試、功能驗(yàn)證、性能評(píng)估體系，建立配套的氫氣 " 制儲(chǔ)運(yùn) " 基礎(chǔ)設(shè)施;擴(kuò)大內(nèi)河 / 湖泊等場(chǎng)景的氫動(dòng)力船舶示范應(yīng)用規(guī)模，完善水路交通相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施。
2030 — 2035 年為提升質(zhì)量階段。降低燃料電池和氫氣成本，提高船用氫燃料電池系統(tǒng)壽命、轉(zhuǎn)化效率和船上儲(chǔ)氫量，研發(fā)高溫燃料電池和余熱利用技術(shù);構(gòu)建完備的水路交通載運(yùn)裝備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系，在近海場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力船舶應(yīng)用示范。
2035 — 2060 年為推廣應(yīng)用階段。優(yōu)化氫動(dòng)力船舶的綜合性能，推廣本土商業(yè)化應(yīng)用;與綠氨、碳中和 LNG / 甲醇等動(dòng)力形式船舶協(xié)同，完成我國(guó)水路交通運(yùn)輸裝備領(lǐng)域碳中和目標(biāo);在國(guó)際航線上開展氫動(dòng)力船舶應(yīng)用示范，提升我國(guó)氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
(二)我國(guó)氫動(dòng)力船舶的建設(shè)路徑
LNG 船舶應(yīng)用前景良好，將是近期船舶清潔用能的主要形式。蓄電池技術(shù)是現(xiàn)階段盡快實(shí)現(xiàn)內(nèi)河及近海船舶零排放的解決方案，但能量密度有限，主要在短程、小型船舶上有應(yīng)用空間，而在中短途運(yùn)輸領(lǐng)域未有廣泛應(yīng)用。氫燃料是實(shí)現(xiàn)船舶零排放的重點(diǎn)發(fā)展方向，近期將在內(nèi)河及近海船上開展應(yīng)用研究。在制氫方面，目前化石能源制氫是主要方式，未來占比將逐步下降，可在 CCUS 技術(shù)成熟后引入以進(jìn)一步降低碳排放;可再生能源制氫是未來主要的制氫途徑。在儲(chǔ)氫方面，為滿足國(guó)際遠(yuǎn)洋航行船舶的續(xù)航要求，需進(jìn)一步發(fā)展包括液氫儲(chǔ)氫在內(nèi)的高效儲(chǔ)氫技術(shù)，甲醇重整制氫、氨分解制氫等現(xiàn)場(chǎng)制氫技術(shù)。
氫的最佳應(yīng)用載體是燃料電池，PEMFC 受限于功率等級(jí)較低以及氫氣純度要求高，將主要應(yīng)用于內(nèi)河及近海船舶，未來繼續(xù)發(fā)展高溫 PEMFC。高溫燃料電池(如 SOFC)可使用富氫液體燃料而不再依賴純氫，采用余熱利用技術(shù)可進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率，功率等級(jí)有望達(dá)到兆瓦級(jí)，在遠(yuǎn)期是適用于遠(yuǎn)洋船舶的技術(shù)路線。氫內(nèi)燃機(jī)是另一種氫能動(dòng)力系統(tǒng)，隨著船載儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，將在水路交通 " 雙碳 " 目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)揮重要作用。
氫動(dòng)力船舶發(fā)展路徑與氫燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)、儲(chǔ)氫等技術(shù)以及氫能基礎(chǔ)設(shè)施緊密相關(guān)，按照先內(nèi)河 / 內(nèi)湖、再近海、最后遠(yuǎn)洋的路線分步實(shí)施(見表 2)：湖泊區(qū)域的游船 / 渡船等，可采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng);內(nèi)河干線小型船舶(8000 t 以下)可采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，內(nèi)河干線大型船舶(8000 t 以上)可采用基于氫、氨、甲醇等燃料的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng);近海、遠(yuǎn)洋船舶可采用混合動(dòng)力系統(tǒng)。
四、推動(dòng)我國(guó)氫動(dòng)力船舶發(fā)展的建議
(一)明晰應(yīng)用場(chǎng)景
針對(duì)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來演變趨勢(shì)，借鑒先發(fā)國(guó)家的氫動(dòng)力船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)氫能戰(zhàn)略規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)布局，明晰適應(yīng)國(guó)情的氫動(dòng)力船舶應(yīng)用場(chǎng)景?？砂凑障葍?nèi)河 / 湖泊、再近海、最后遠(yuǎn)洋的發(fā)展次序，制定產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，梯次推進(jìn)技術(shù)攻關(guān)、裝備研制、應(yīng)用示范、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
(二)突破關(guān)鍵技術(shù)
發(fā)揮宏觀戰(zhàn)略的引導(dǎo)作用，兼顧自主創(chuàng)新與對(duì)外合作，系統(tǒng)發(fā)揮企業(yè)、科研院所、高校的差異化優(yōu)勢(shì)，以企業(yè)為主體實(shí)施氫動(dòng)力船舶裝備創(chuàng)新。著力突破氫動(dòng)力船舶研發(fā)、示范、推廣面臨的關(guān)鍵核心技術(shù)，如高效低碳的氫氣制取技術(shù)、船舶大容量?jī)?chǔ)氫技術(shù)、大功率燃料電池技術(shù)等;促進(jìn)水路交通載運(yùn)工具氫能應(yīng)用水平盡快達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，為更大規(guī)模的氫動(dòng)力船舶應(yīng)用示范筑牢基礎(chǔ)。
(三)完善配套設(shè)施
建議在國(guó)家層面開展交通領(lǐng)域能源需求演變態(tài)勢(shì)論證，統(tǒng)籌 " 水陸空 " 交通的氫能綜合應(yīng)用格局，研究提出燃料供應(yīng)體系、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等專項(xiàng)規(guī)劃。鼓勵(lì)各地區(qū)結(jié)合自有能源與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展低成本、少污染、高可靠的制氫項(xiàng)目并開展應(yīng)用示范，以試驗(yàn)試用積累工程化經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)的大規(guī)模氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供依托。
(四)創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)體系
針對(duì)氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用存在的前期投資大、回報(bào)周期長(zhǎng)的客觀實(shí)際，積極配套政策、資金等資源支持，鼓勵(lì)各類企業(yè)依托自身優(yōu)勢(shì)提前布局氫動(dòng)力船舶市場(chǎng)，以示范運(yùn)營(yíng)支持新型運(yùn)營(yíng)模式探索;同步支持傳統(tǒng)船舶下游環(huán)節(jié)積極開拓針對(duì)氫動(dòng)力載運(yùn)裝備的檢測(cè)、維修、培訓(xùn)等業(yè)務(wù)。以產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同模式探索建立我國(guó)氫動(dòng)力船舶創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)體系。
評(píng)論