舰船科学技术  2022, Vol. 44 Issue (4): 97-100    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2022.04.020   PDF    
氢能船上应用的关键技术研究
张勇, 徐昌     
中国船舶与海洋工程设计研究院, 上海 200011
摘要: 本文基于全球航运业减碳的现状和发展趋势,提出几种最有潜力的船舶替代能源。以1艘典型的内河集装箱船为例,论述氢燃料电池在船上应用的系统组成、容量计算、系统典型布置等关键技术。
关键词:      航运     减排     集装箱船    
Analysis of hydrogen industrial chain and key technology of application on ships
ZHANG Yong, XU Chang     
Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China
Abstract: Based on the current status and development trend of carbon reduction in the global shipping industry, this article puts forward several potential alternative energy sources for ships, and take a typical inland water container ship as an example to discuss the system composition and capacity of the hydrogen fuel cell application on the ship Key technologies such as calculation and typical system layout.
Key words: hydrogen     shipping     emission reduction     container vessel    
0 引 言

减少化石能源使用带来的温室气体及其他有害气体排放已经成为当前国际社会的共识和重点关注领域。2016年生效的《巴黎气候变化协定》,要求各签署国大幅减少全球温室气体排放,力争将本世纪全球气温升幅限制在2℃以内,同时寻求将气温升幅进一步限制在1.5℃以内的措施。中国也提出了二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和的宏伟目标。作为承担了全球90%贸易量的航运业,同样面临着持续增长的减排压力。为推动航运业持续减排,国际海事组织IMO先后提出了多项限制船舶排放的法规,并提出了雄心勃勃的减排计划。本文从航运业减排需求出发,分析了实现减排的可用措施,重点论述了氢能在航运减排道路上所能发挥的作用。

1 航运业温室气体减排目标

在全球温室气体减排的大趋势下[1],国际海事组织IMO在2018年提出了航运业的减排战略,即以2008年为基准,到2030年将航运业碳密度(吨海里二氧化碳排放量)至少降低40%,到2050年至少降低70%,温室气体排放降低至少50%,并争取在本世纪内消除航运业的温室气体排放。

包括技术层面和操作层面的很多措施可以降低船舶的能源消耗和二氧化碳排放水平。不同方式对船舶降低碳排放的贡献见图1[2]

图 1 不同方式对船舶降低碳排放的贡献 Fig. 1 Contributions of different ways to reducing carbon emissions from ships

可以看出,目前成熟度比较高的节能减排措施如线型优化、节能装置、降低航速等对碳排放的贡献大多在20%以下,考虑到全球化带来的航运业的持续增长,仅仅这些传统减排手段无法实现IMO远大的减排目标,必须引入如生物燃料、氨、氢等碳中性或零碳燃料。根据英国劳氏船级社的预测,零排放船必须在2030年前加入船队且在新造船中占较大比例,同时考虑现役船的减排,才能实现IMO的减排目标。

2 航运替代能源

为了实现航运业大幅减排的目标,航运业长期以来一直在探索包括LNG、LPG、甲醇、甲烷等低碳替代燃料的使用。但正如图1所示,这些低碳燃料仍然是碳基燃料,且目前使用最多的LNG挥发到空气中后其温室气体效应是二氧化碳的数十倍,远远无法实现IMO的减排目标。因此,寻找一种极低温室气体和二氧化碳排放的替代能源成为了航运界目前亟待解决的问题。

目前公认的适用于船舶的零排放替代能源主要有4种:蓄电池、生物燃料、氨和氢。

2.1 蓄电池

蓄电池是目前陆地交通运输工具应用较多的能源型式[3]。在一些小型示范船上也有相关的应用案例。采用蓄电池作为主要能源的船舶,没有了传统柴油机活塞往复运动带来的噪声,且在船上没有任何排放,似乎是比较理想的零碳能源。但基于目前以及未来可预见的技术发展来看,受制于原材料成本及系统原理,适用于船舶的大功率蓄电池的能量密度和成本远不具备大规模使用的条件。从排放上来看,蓄电池生产过程中需要消耗大量的电力,且这些电力多来自于化石能源,因此其生产过程会产生大量的二氧化碳。另外,蓄电池的寿命较短,在其回收及报废过程中会产生大量的重金属污染,对环境的影响甚至超过温室气体。

2.2 生物燃料

生物燃料泛指由生物质组成或萃取的燃料,是可再生能源开发利用的重要方向。生物燃料本质上还是碳氢燃料,本身的燃烧仍然有二氧化碳排放。但从生物燃料的整个生态链来看,生物燃料的全部生命物质均能进入地球的生物学循环,其释放的二氧化碳也会重新被植物吸收而参与地球的循环,实现零排放。生物燃料对柴油机要求不高,现有主机稍加改动即可适用于生物燃料的燃烧。但考虑到目前阶段,生物燃料主要来源于玉米等农作物,可能会产生与人类抢耕地、抢粮食的负面效应。

2.3 氨

氨燃料是目前航运业普遍认为具有广泛应用前景的替代燃料。氨在常温、低压下的特性几乎与丙烷相同,在常压、−35℃时即可液化,大大降低了船上储存的条件,且氨作为广泛使用的化学品,在全球主要港口均有相应的基础设施。氨不含碳,燃烧时不会有二氧化碳产生,但由于氨含有氮元素,因此燃烧时会释放比其他燃料更多的氮氧化物,需要通过后处理降低氮氧化物的排放。相比于其他燃料,氨的燃烧性较差,且具有毒性和腐蚀性,是需要着力解决的问题。

2.4 氢

氢的来源非常丰富,其燃烧产物只有水,特别是由可再生能源电解制得的氢,整个产业链只有水产生,是真正的零排放燃料。氢密度小,低热值高,但体积能量密度很低,仅为柴油的1/4,意味着空间需求大大增加;沸点比甲烷还要低90℃,液化时能量消耗较高,且对储存容器的要求极高。而且氢极易燃烧,点火范围是甲烷的6倍,点火能量仅为甲烷的1/10,其安全性是需要特别注意的问题。根据制取过程中的碳排放水平不同,氢可以分为3类:化石能源制取的灰氢(碳排放最多)、化石能源结合碳捕捉技术的蓝氢(碳排放较少)和可再生能源制得的绿氢(零碳排放)。氢能的应用主要以燃料电池和氢燃料内燃机为主,其中氢燃料电池的成熟度较高,目前在陆地上已经有了一些应用案例[4]

3 氢能在船舶上的应用

目前氢的存储,最成熟的技术当属高压气瓶储氢[5]。然而,这种储氢方式能量密度较低,若用于长航程的远洋船舶上,需要装载大量的储氢集装箱。

以1艘续航力为10000 n mile的65000载重吨的原油船为例,若考虑将主推进和电站全部替换为氢能电力推进系统,则船上需要装载275个40 ft的标准集装箱,这显然不具备可操作性。

因此,基于目前的技术水平,氢能更加适用于中短航程船舶。以1艘内河集装箱运输船为例,论述氢能在船舶上应用的关键技术考虑。

目标船航线为上海洋山港到武汉阳逻港,单程约1000 km(约540 n mile),往返航程约2000 km(约1080 n mile),考虑适当余量,确定本船续航力为1200 n mile,20 ft标箱载箱能力为1000TEU。该船的主要参数见表1,侧视图见图2

表 1 1000TEU集装箱船主要参数 Tab.1 1000TEU Main parameters of container ship

图 2 1000TEU集装箱船侧视图 Fig. 2 1000TEU Container ship side view
4.1 氢燃料电池电力推进系统组成

作为1艘电力推进船舶,氢燃料电池需要为全船推进和用电提供能量,满足1500 n mile航程内的能源需求。氢燃料电力推进系统主要由以下分系统组成:

1)燃料电池系统

质子交换膜燃料电池。

2)燃料供应系统

燃料泵及防止气体外泄的双壁管路,管路中需具备氢气探测装置。

3)燃料储存系统

40 ft集装箱式高压储氢系统(700 MPa),每个集装箱可携带1.4 t高压氢气。

4)通风系统

用于燃料电池舱及燃料泵舱的通风。

4.2 系统容量计算 4.2.1 燃料电池系统容量

燃料电池系统的容量需要满足本船在1500 n mile的航程内所有的推进和用电需求。营运工况分正常航行,进出港和装卸货3种考虑。经核算,每种工况全船用电需求如表2所示。

表 2 总功率计算 Tab.2 Total power calculation

可看出,对使用燃料电池系统的全电力推进船舶来说,全船最大的功率需求为正常航行工况的3325 kW,燃料电池系统的容量需要据此配置。

本方案的燃料电池,选用国际领先的燃料电池供应商Ballard的FCwave系列船用燃料电池。该燃料电池每个模块额定输出功率为200 kW,单个模块尺寸为1220 mm × 738 mm × 2200 mm,重量约875 kg,可通过串联多组模块实现大功率输出,且串联系统某个模块故障不影响系统的正常使用。

根据3325 kW的功率需求,理论上需要17个模块串联,额定输出功率达到3400 kW即可。但考虑到系统的可靠性,将整个燃料电池系统分成2个独立模组,同时每个模组考虑1个模块的备用,据此,每个模组由10个额定输出功率为200 kW的模块组成,每模组额定输出功率为2000 kW,全船燃料电池系统额定输出功率为4000 kW,在3325 kW的最大负荷工况下,燃料电池系统的总负荷率为83%。

4.2.2 储气集装箱数量

储气集装箱作为燃料电池的燃料载体,其数量直接决定了船舶的续航力。本船续航力1200 n mile,按13 kn航速考虑,往返航行时间约4天,另考虑进出港时间1天,装卸货时间2天。据此计算,得出本船往返所需总电量如表3所示。

表 3 用电量计算 Tab.3 Electricity consumption calculation

氢的质量能量密度按120 MJ/kg考虑,每个40 ft集装箱可携带1.4 t高压氢气,并考虑燃料电池的能量转化效率为50%,可计算得出40 ft高压氢集装箱的数量为20个,意味着需要占用船上40个20 ft标箱的箱位,占用率4.0%。

4.3 系统典型布置

系统的典型布置如图3图4所示。

图 3 燃料电池系统典型布置(侧视) Fig. 3 Typical layout of fuel cell system (side view)

图 4 燃料电池系统典型布置(平面) Fig. 4 Typical layout of fuel cell system (plan)
4.4 减少碳排放

根据3种工况下船舶的推进和其他用电负荷,基于常规中速柴油机推进+中速发电机组的动力模式,往返航次所产生的的二氧化碳排放量如表4所示。

表 4 碳排放计算 Tab.4 Carbon emission calculation

采用氢燃料电池后,全船二氧化碳排放量为零。这意味着相比于传统的柴油机作为动力的方式,在该航线上每航次可减少302 t二氧化碳排放量。可见,氢燃料电池在减少温室气体排放方面存在巨大的潜力,具有广阔的应用前景。

5 结 语

未来全球的能源形势很可能不是传统的一种能源独大的模式,而是适用于不同地区和场景的多种能源(石油、天然气、氨、氢等)并存的模式。氢能凭借其零排放的独特优势,必将在未来的替代能源竞争中占据一席之地。因此,有必要尽早的对氢能的产业链进行相关布局。中国幅员辽阔,产业门类齐全,并且已经是产量全球第一的产氢大国,构建立足国内、自主可控、安全环保的氢能供给产业链是保护我国能源安全的一次重大战略机遇,也是推进包括航运业在内的高排放行业节能减排的必由之路,更是实现我国在2030碳达峰和2060年碳中和的重要支撑。

参考文献
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