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氫云研究:加大船用氫燃料電池技術推廣,打造全球最大電動船市場

來源:氫云鏈整理 更新:2020-05-06 20:59:04 作者: 瀏覽:1149次

| 氫云鏈 |

 

作者:邱月盈博士

摘要:

中國是造船大國,船運交通大國,船舶污染大國!目前國內新能源補貼政策是 " 重車輕船 ",這不利于船舶污染治理和新能源船舶技術推廣。氫云鏈認為,目前國內電動車已經進入市場化階段,而車用燃料電池處在產業化落地階段,現階段發展船用燃料電池推廣的時機已經成熟,車用、船用燃料電池同步發展具有產業協同效應,既可以實現治理船舶污染、節能減排和技術轉型升級目標,也可以像電動車市場一樣,倒逼中國企業打造出一個全球最大的 " 電動船 " 市場。

9 月 19 日,《交通強國建設綱要》(下稱《綱要》)正式對外發布,其中明確了構建物流強國目標,并在氫能基礎建設、城市物流電動化、新能源船舶運輸等多個方面對氫能產業發展形成更多的政策支持和實質利好。事實上,發展新能源船舶在全球早有嘗試,但在《綱要》出臺之前,國內新能源船舶處于概念或者示范運營摸索階段。部分船運交通大省,如浙江、江蘇、廣東率先開展了第一批純電動船舶示范運營項目。最近,新加入長三角一體化的安徽省銅陵市啟動 " 氫動長江 " 計劃,利用長江港口區優勢,選擇從氫能動力船舶領域切入氫能產業發展,進而實現了國內新能源船舶技術路線多元化發展新格局。"氫動長江"與此次《綱要》的出臺時點近,可見,《綱要》的出臺意義重大,標志著我國政策支持下的新能源船舶行業將正式拉開序幕,換句話說,物流強國戰略離不開綠色船舶、綠色長江產業的崛起。

現階段,在技術路線選擇上,新能源汽車的 " 鋰電、氫燃料 " 路線之將再一次上演。鋰電和燃料電池誰才是新能源船舶的最好選擇?同樣地,若考慮到目前國內車用燃料電池應用還處在市場導入期,這個時候討論船用燃料電池應用是否現實?安全、規范和標準等這些阻礙船用燃料電池產業化的攔路虎問題該怎么辦?而技術、成本和規模之間的 " 蛋和雞 " 難題又該如何化解?為回答這些問題,本文將從我國發展燃料電池船舶的機遇、挑戰入手,論述現階段中國打造全球最大的 " 電動船 " 市場可行性。

一、環保高壓,燃料電池船迎來發展新機遇

國內船舶產業同樣是 " 大而不強 "。根據克拉克森的報告,截至 2019 年 6 月底,中國(含中日合資 3 家、臺資 1 家)共有 26 家船廠上榜全球造船訂單 TOP50。與汽車產業相似,現階段國內船舶產業因 " 大而不強 " 而飽受弊病,整體上甚至不如日本 30 年前的水平。由于造船核心基礎技術難以在短期內難突破,中國造船業在傳統船舶范圍內難以趕超世界先進水平是不爭的事實。短期內只有新賽道才有機會,而新能源船舶恰好給了中國造船業提供了一次難得的 " 換道超車 " 機遇。

《綱要》推廣新能源船舶的背后內在動力是什么?氫云鏈認為離不開兩個日益嚴苛的航運環保政策,即限硫令和航運減碳。根據 IMO 限硫令可知,自 2020 年 1 月起,全球范圍內航運燃油硫含量從 3.5% 一下子直降到 0.5%,如此嚴苛的環保政策尤如一道緊箍咒,將倒逼各類航運公司不得加快尋找綠色清潔動力的步伐。

由于我國是船運大氣污染大國,以上海市為例,2015 年上海市船舶 PM2.5、NOx 和 SO2 排放占上海市大氣排放的比例分別為 4.4%、 29.4% 和 25.7%。在此背景下,我國政府跟進了 IMO 的政策,進入船舶污染治理、減排限硫的攻艱階段,也不斷出臺更為嚴厲的限硫令:

(1)自 2020 年 1 月 1 日起,國際航行船舶進入我國管轄水域應當使用硫含量不超過 0.50% m/m 的燃油;進入我國內河船舶大氣污染物排放控制區的,應當使用硫含量不超過 0.10% m/m 的燃油

(2)自 2022 年 1 月 1 日起,國際航行船舶進入我國船舶大氣污染物排放控制區海南水域的,應當使用硫含量不超過 0.10% m/m 的燃油。

如果說限硫令尚能使用超低含硫量燃油作為解決方案,但航運減碳可以說斷了航運業 " 投機取巧 " 的可能。根據 IMO 的海運減排協議,2050 年航運的二氧化碳排放量相比 2008 年減少 50%,并朝著零碳排放目標邁進。同時,11 家大型航運銀行發起了一項全球倡議,通過發放激勵性貸款的方式鼓勵船東購買或建造低碳排放的船舶,并對不愿購買或建造低碳船舶的船東施加壓力。低碳 / 零碳排放船舶已經成為趨勢,新能源船舶才是應對環保政策的最有效途徑。

目前新能源船舶技術路線個,包括 LNG、純電動、燃料電池、風能、太陽能、生物質能等多個方向,這些技術路線各有特色,如何選擇也是難題。氫云鏈認為,良好的泛用性,使燃料電池船舶可能成為最有前景的技術方向之一。

 

這是因為,一方面,由于生物質能、LNG 不能滿足零碳排放的要求,而太陽能、風能的穩定性不足;另一方面,核能的適用船舶類型有限,所以目前主要的零碳排放新能源船舶的案例集中在純電動與燃料電池兩個技術方向上。

 

根據國內純電動船舶實踐經驗,純電動汽車 " 續航短 " 的問題在純電動船舶上也是硬傷,難以滿足長距離、大噸位的航運需求。以廣州兩千噸級電動船,搭載了 26 噸重的電池,續航為 80 公里,充電時間為 2 小時,只能適合短途船運。

 

相比之下,氫燃料電池能夠滿足各種船用的需求,小到漁船、大到海運貨輪,因此氫燃料電池船舶有著更好的發展前景。

 

從技術難度來看,船用燃料電池技術已經在軍工領域成熟應用,民用領域受限于成本較高和燃料補給問題,目前各國都沒有大規模應用,但國外多個大型船運或者商用企業在燃料電池船舶上進行了研發投入和多年的示范運營,并取得了多個運營良好的案例。些案例可以證明燃料電池船舶在技術上是基本可行的,真正的難度不是技術而是管理和安全標準缺失。燃料電池能夠適應海運、河運多種場景,可以匹配小到漁船、大到中大型客船的不同類型船只,如果解決了管理和標準的不確定問題,燃料電池泛用性的市場空間將十分廣闊,而隨著生態和規模增大,成本和技術自會不斷改善。(為方便閱讀,表 3 僅列舉了部分氫燃料電池船舶項目,完整的燃料電池船舶項目盤點清單以附表形式放在文末).

 

因此,行業標準與規模類似 " 雞與蛋"問題,無需過度擔心。考慮到產業協同效應,可以預見的是,隨著車用燃料電池產業化落地,市場上燃料電池船舶的項目會快速增加,市場上也將新增若干氫燃料電池的推廣項目,這些實踐項目在促進技術進步的同時,也能增加管理體系,各類標準的日趨完善。

 

 

國內實踐項目案例表明,燃料電池船舶優勢在于污染小、噪音低、維護成本低、可模塊化、效率高等幾個方面:

 

1、 污染小

船用氫燃料電池使用氫作為燃料,可實現零排放,即使使用混合動力,也能大幅減少污染,如圖 2。

 

2、 噪音低

 

傳統的動力系統工作時振動大,噪音高。燃料電池屬于靜態能量轉換裝置,運行時僅有空氣壓縮機和冷卻系統產生的輕微的振動和噪音,為船員與乘客帶來更舒適的體驗。

 

3、效率高

 

柴油機或燃氣輪機的能量轉換率一般在 25%-40%,而氫燃料電池的能量轉換率一般為 40%-50%。高能量效率帶來高經濟性,從圖 6 可以看出,燃料電池系統的燃料消耗量要優于常用的柴油機系統。

 

4、維護成本低

 

相比內燃機,燃料電池的設備自動化程度高 , 維護保養方便。巴拉德認為,自動化的燃料電池系統幾乎不需要專門維護,維護成本低 ( 燃料電池系統可重建 ) 。同時由于燃料電池系統運動部件少,可靠性大大提高。

5、可模塊化

燃料電池的模塊化程度高,可以很方便設計其容量大小,以匹配負載的要求。同時系統的效率與系統的大小無關,因此在一定范圍的負載(額定功率30%~100%)下均可維持燃料電池系統的效率。

盡管有優勢,但目前全面推廣燃料電池船舶仍需面對資金、技術、管理三方面挑戰。燃料電池屬于新興產業,前期投入高,使用成本高,基礎設施薄弱。同時,燃料電池動功率性能、安全性、響應時間仍然存在問題,技術有待提升。具體存在問題如下:

 

1、早期成本高

 

目前缺乏船用燃料電池的相關數據,但以汽車為例,衣寶廉院士認為,目前燃料電池汽車成本是傳統燃油車成本的 4 倍。船用燃料電池成本之高可見一斑(法國的能源觀察者號耗資 420 萬歐元,但由于其實驗屬性,造價僅供參考)。

2、 前期投資大

發展氫燃料電池船舶需要建設港口 / 碼頭加氫站、水上加氫站或是加注船。根據氫能汽車發展經驗,產業化前期基礎設施建設投資巨大,需要可持續資金投入。

3、 安全性特殊

船舶行駛環境伴隨著振動、腐蝕、搖晃等因素,同時由于出現事故后水上逃生困難,因此對船用燃料電池的安全性有較高的要求。在氫燃料電池汽車發展過程中,在安全問題上一直存在爭議,業內普遍為需要制定嚴格的管理標準,生產和使用都要嚴格按照標準作業。

目前國內氫燃料電池的相關法規標準尚未完善,在建造 / 改造過程中缺乏可遵循的標準,實際運營中也缺乏相關管理標準,需要進行一定的實踐探討。

4、 動態響應慢

相對于傳統柴油機,燃料電池的動態響應較慢,如遇到極端情況,響應速度慢會影響船體的靈活性,容易造成事故,可以參考氫燃料電池的電電混動技術。

5、 功率不足

目前氫燃料電池的功率較低,適用范圍受限,僅能提供 KW 級別的動力,能夠滿足小型民用船舶的要求,而中大型船舶往往需要 MW 級別的動力,特別是商船、油輪等。

 

6、 短期內維修有一定困難

 

作為一個新興的動力系統,在零部件獲取方便程度、專業人員數量、維修經驗、專業人員數量等各方面距離內燃機均有較大差距。

燃料電池所使用氫氣為危化品,安全管理標準將是巨大挑戰。玖牛研究院認為,目前燃料電池存在多種障礙,但大量運用案例已經驗證技術可行性,當務之急是加強燃料電池行業管理,建立科學合理的行業規范和標準。同時加大技術研發,推動燃料電池廣泛應用。

從國內燃料電池及船舶產業發展情況、船用燃料電池技術儲備、政策支持情況、相關行業經驗看,目前開始在國內推廣燃料電池船舶項目,爭取與燃料電池汽車產業協同發展具有較高的可行性。

根據國外實踐經驗,發展船用燃料電池需要滿足幾個基本條件:

l 完備船舶工業基礎:發展燃料電池船舶需要較強的船舶工業水平以支持完成動力系統安裝測試、船體改造、電力系統匹配、實船實驗等作業,進行實踐的都是船舶大國。

l 完整的燃料電池產業:需要有企業提供燃料電池解決方案,并在實驗中進行跟蹤,以解決隨時出現的問題。

l 大量的資金:購買燃料電池系統、船體改造、實驗等都需要耗費大量的資金。

l 外在力量推動:由于耗資甚巨,沒有環保政策、政府項目任務、市場壓力等外在力量的推動,企業主動進行新技術開發的意愿有限。

按照述標準,作為造船大國,我國初步具備了一定的船舶工業基礎,隨著車用燃料電池產業化,國內燃料電池產業鏈也初步形成和不斷完善。如果政府再明確出臺一部新能源船舶補貼政策,類似電功車補貼式引導,可以部分解決早期企業研究支出,也可以吸引場外資本入場,嚴格執行環保政策則可以大力推動新能源船舶清潔化改造順利開展。基于以上四點判斷,目我國具備了發展燃料電池船舶的基本條件。具體而言,我國還具備以下基礎條件支持發展燃料電池船舶發展:

1、 技術儲備

國內的燃料電池船舶研究起步較晚,公開信息顯示,早期下水的燃料電池船舶有兩艘,一是北京富原燃料電池公司于 2002 年 9 月研發的富原 1 號燃料電池游艇,功率僅為 0.4KW,二是 2005 年 11 月由上海海事大學研制的 " 天翔一號 " 小艇,功率僅為 2KW。

近年來,隨著國內燃料電池產業化推進,船用燃料電池系統的研究也逐漸得到重視。目前已有廣東國鴻、中船重工 711/712 所、上海海事大學、杭州現代船舶、弗爾賽、華氣厚普等多家企業單位開展這方面研究工作,并申請了一批專利。

 

2、政策支持

 

無論從中央還是地方,如何治理船舶污染都受到高度重視,從 2016 年開始,國內的減排政策力度日漸嚴格,《防治船舶污染海洋環境管理條例》、《船舶大氣污染物排放控制區實施方案》和《2020 年全球船用燃油限硫令實施方案(征求意見稿)》均代表政府治理船舶、港口污染的緊迫感和壓力。比較之下,中國版限硫令與國際船舶協會(IMO)的限硫令要求一致,且執行時間更早;在內河領域要求已經與北美、加勒比海以及北歐地區的 ECA 排放控制要求持平,達到了目前國際的 " 最嚴格標準 "。

剛出臺的《綱要》明確提出了治理港口污染、發展新能源船舶、構建綠色、高效的交通運輸體系的要求。

在地方上,2018 年 3 月,浙江省經信委組織了燃料電池在船舶中應用工作座談會,由政府部門牽頭推進新能源船舶的發展進程;銅陵市政府在 2019 年 9 月提出了 " 氫動長江 " 的口號,目標是打造氫燃料電池航運體系。與電動車推廣經驗類似,我國政府意志仍是新能源船舶順利發展的最大保障。

3、產業協同

LNG 動力船舶與燃料電池船舶有一定的相似性,船用燃料電池與車用燃料電池企業呈現了高度的重疊性,基礎設施大體相似,具有產業協同效應。這兩個領域的經驗為船用燃料電池發展提供了參考。

LNG 船舶為解決氣體燃料動力船舶的運營管理問題進行了探索。

LNG 船舶在推廣中遇到了各種難題,包括成本高、缺乏管理標準、加氣難、管理難等,其中各種安全管理問題(如過船閘等)最為棘手。

 

經過探索,港口加氣站、水上加氣站、加氣船、過閘口等各種管理標準和產業配套問題正逐步找到解決方案。以水壩船閘為例,經過了長時間的實踐和協調,交通運輸部長江航務管理局發布在 2018 年 5 月發布了《關于 LNG 動力船試運行通過三峽船閘相關事項的通告》,解決了 LNG 動力船過三峽船閘的管理難題,這為氫燃料電池船舶在長江運行的鋪平了道路。

 

4、燃料電池汽車則提供了技術和基礎配套

燃料電池汽車的推廣為燃料電池船舶的發展打下了良好的技術基礎,燃料電池產業鏈可以移植到船舶領域,相關標準法規也可作為參考。在基礎設施方面,加氫站建設運營、氫氣儲運等各類管理標準也正在逐步建立,燃料電池汽車與船舶可以共用一套基本管理框架,達到縮短時間、降低成本的目的。

 

燃料電池船舶技術上可行、有新能源汽車及 LNG 船舶發展經驗參考、有巨大的市場需求空間、有國家政策的大力支持,作者認為,中國已經具備推動燃料電池船舶發展條件,未來在經過大規模示范檢驗和持續的性能改進之后,中國有望打造全球最大的 " 電動船 " 市場。

 

經過挪威 Viking Lady,德國 Alsterwasser 等的國外實踐檢驗,燃料電池船舶技術上是可行的。真正的難題也不是成本,燃料電池汽車的發展已經說明,船用燃料電池系統的成本的大幅下降是可預見的。困難還是在如何進行大規模工程驗證而形成的標準規范和持續的性能提升以滿足各種場景的需求。

新能源汽車與 LNG 船舶產業為燃料電池船舶的發展打下了基礎。根據產業發展階段分析,在全球范圍內,燃料電池船舶與燃料電池汽車都處在起步階段。國內燃料電池汽車產業發展迅速,在燃料電池系統上與國外的水平正在快速接近。車用與船用燃料電池有很高的相似性,可大幅提高中國燃料電池船舶發展幅度,從而搶占全球新能源船舶市場先機。LNG 船舶產業則可以燃料電池船舶在管理上少走彎路。

 

中國已經成為船舶保有量最大的國家,在船舶產量上也常年位居全球前三。與汽車一樣,中國船舶產業同時擁有巨大的市場、生產力和巨大的船舶替代空間。

 

各類環保政策倒逼新能源船舶的發展,氣體能源船舶管理體系也正在逐步建立,燃料電池船舶產業的政策氛圍已經形成。在船舶工業周期下行、市場需求萎縮的背景下,大量船舶企業面臨整合,擁有船舶工業的地區也希望通過新技術盤活當地船舶產業,關注燃料電池船舶的地方政府正在增加,如四川、江蘇、浙江、安徽等省市,可以預見未來數年將不斷有地區推出燃料電池船舶支持政策。

盡管前景光明,但建立燃料電池船舶市場并非一蹴而就。由于成本、基礎設施、政策、安全等原因,玖牛研究院認為需要有實力的企業進行試點運營,并采取由易到難的策略逐步發展燃料電池船舶,玖牛研究院團隊結論如下:

1、選擇技術特征合適船舶。考慮到成本、基礎設施、輸出功率等問題,可從燃料電池混合動力船舶開始發展;若對于功率要求較低的渡輪、內河游船、近海漁船等,可以嘗試使用燃料電池作為單一動力系統;

2、從近處的內河、湖泊開始。考慮到技術發展和管理標準等問題,可以先從內河、湖泊等環境復雜程度較低的場景進行實踐和替代,進而發展海運船舶。

3、從價格不敏感船舶開始。考慮到燃料電池船運行清潔、安靜、成本高的特點,可優先發展燃料電池旅游觀光船、豪華游艇、私人游艇等,在對價格不敏感的場景下創造舒適的乘船環境,同時能更好的保護景區生態;

4、車船產業協同發展,共用基礎設施。在燃料電池汽車產業鏈發展完善的地區進行試點,并按批次、按地區進行推廣;通過協同發展,降低船用燃料電池系統的研發成本,通過共用基礎設施,降低交通系統整體成本。

最后,作者認為,目前國際上已經大量開展氫燃料電池船舶的研究與實踐工作,已經具備了一定的參考價值。中國作為造船大國、船舶保有量大國、航運大國,必須跟上國際船舶產業的發展腳步,抓住船舶行業動力轉型發展機會,發揮與國內燃料電池汽車市場協同優勢,利用燃料電池汽車打下的產業基礎,快速形成燃料電池船舶的實踐項目。

燃料電池船舶領產業剛剛起步不久,全球范圍內各國的發展水平差距不算太大,而我國有電動車產發經驗,也有政策、市場和產業協同的優勢,如果在政策支持下,能在技術研發上持續投入并取得突破,假以時日,中國必能通過燃料電池技術在新能源船舶上換道超車,從造船大國升級為造船強國,有望成為全球最大的電動船市場和生產基地。讓我們拭目以待!

附表 船用燃料電池項目

 

編輯:陳丹 校對:楊東川 審核:楊東川

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