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氢云研究:氢能在船用领域的应用现状与发展趋势

氢云链| 2022-9-28 18:21 阅读 2595 评论 0

2022年成为国内氢能在船舶领域的起跑之年,多个氢基能源船舶项目启动,打破了此前国内“有系统无船舶”的喊口号的状态。国际上氢基能源船舶项目也处于加速落地的态势,德国科德宝开发的船用甲醇燃料电池系统获得意大利船级社(RINA)的型式认可证书刷爆了氢能界和船舶界的屏幕。

氢云链认为,目前全球电动车已经进入市场化阶段,而车用燃料电池处在产业化落地阶段,现阶段发展船用燃料电池推广的时机已经成熟,车用、船用燃料电池同步发展具有产业协同效应,既可以实现治理船舶污染、节能减排和技术转型升级目标,也可以像电动车市场一样,倒逼企业打造出全球化的“电动船“市场。

为探讨氢能在船舶领域应用的发展趋势,推动氢能在船舶领域的应用发展,9月27日下午,氢云链与南京斯图加特共同举办的《氢能在船舶产业的现状与发展》线上研讨会。

为全面、系统地阐述氢能船舶的发展现状与趋势,研讨会邀请了7位来自不同国家、不同企业和机构的专家,并由氢云链CEO邱月盈博士担任主持人。以下为氢云链整理的研讨会的主要内容。

一、三个要求:为什么要讨论这个氢能船舶话题?

(1)全球碳中和目标的要求。国际海事组织(IMO)碳减排目标:到2030年,全球海运领域二氧化碳排放平均排放量与2008年相比至少降低40%;2050年降低70%。

(2)船舶工业转型升级的需要。船舶工业是大国重器,是国家支柱产业。2021年,国内船舶工业GDP超过5000亿人民币。

(3)氢能大规模应用场景的要求。与汽车领域比较,氢能在船舶与航运领域的优势更明显,一般来说,船舶动力系统的造价占船舶设备的35%,占全船总造价的25%。全球船舶工业产值超过万亿人民币,氢能在船舶领域的市场空间广阔。

二、四个话题:什么是氢能在船舶领域的关键问题?

全球燃料电池船舶有超20年的实践,产业发展阶段已经跨过了从0到0.1,正在从0.1走向1的阶段。氢云链认为,通过讨论目前氢能船舶应用中4个热点问题,能够对氢能在船舶领域的发展趋势、发展前景有一个清晰的认知。

(1)技术路线如何选择?目前电池动力、氢燃料电池、氢内燃机、氨燃料并行发展,谁才是新能源船舶的最好选择?

(2)在市场时机是否合适?若考虑到目前氢能在车用领域还处在市场导入期,氢能在船舶领域的应用何时才能成熟?基础设施建设能否跟上发展要求?

(3)安全、规范和标准如何制定?在管理方面,安全、规范和标准等这些阻碍船用氢能产业化的关键问题如何解决?

(4)技术、成本“蛋和鸡”难题如何化解?在发展模式方面,技术、成本和规模之间的“蛋和鸡”难题又该如何化解?

三、嘉宾演讲内容

7位来自国内外的专家从宏观到微观,从理论到实践,从历史到现状,分享全球航运能源和动力的发展趋势、全球氢能船舶标准法规制定及管理、国内外氢能船舶技术发展情况和应用案例,再到燃料电池船舶实践中具体的经验教训等一系列内容,氢云链整理如下。

1、氢能船舶标准法规情况

来自中国船级社的高级工程师陈立剑对国内外燃料电池船舶应用情况进行了全面介绍,并系统性地介绍了国内外氢能船舶的标准法规情况。

(1)国际方面,目前有两个氢能船舶的重点标准。

《船舶应用燃料电池安全临时导则》已经推出,符合技术规范的燃料电池船舶已经能够被各港口接纳;2021年IMO通信组启动《船舶应用氢燃料安全临时导则》制动工作,其中附件9“船舶应用氢燃料安全临时导则”是基于中国和挪威分别提交的文本综合而成的。

(2)国内方面,已经初步形成体系性文件。

国内已经启动7个氢能船舶专项验证工作,再加上《氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则》和《船舶应用燃料电池发电装置指南》等文件,国内初步形成了体系性的标准。

标准重点在于氢安全。在7个专项中,一项与燃料电池性能相关,5项与安全相关,一项与政府监管相关。即实际上有6项与氢能船舶的安全管理相关,仅有一项涉及到性能问题。

国内已经具备检测能力。基于这7项工作,国内已经实现了燃料电池船舶的概念评估、图纸审核、产品检验和船舶检验能力,为氢能在船舶领域的应用打下了坚实的基础。

国内企业发展迅速。目前国内已经有三款船用燃料电池系统和一款船用储氢系统取得型式认证。

陈立剑认为,船舶安全是技术法规的前提。氢气安全性对几个主要系统(如能源系统、机构系统、货物系统等)均有直接或间接的影响,对于船舶设计而言是一次革命,会形成新的体系。

2、欧洲氢能船舶展望与示范实践经验

德国机械设备制造业联合会(VDMA)的Daniel Erdmann、hySOLUTIONS的Jennifer Kreissel、H2 Ocean的Ric Dilanni和NedStack的江海克(Hack Heyward)等四位嘉宾对欧洲氢能船舶应用和经验进行了详细的介绍。

来自VDMA的Daniel重点介绍了德国氢能船舶应用的规划和展望。

(1)具有雄心的航运碳中和目标。德国计划在2045年实现船舶气候中和,比IMO在2050年降低70%碳排放(对比2008年)的目标更加激进,可谓雄心勃勃。

(2)5个抓手。碳税、将船舶纳入欧洲碳交易市场框架、航运动力技术全生命周期评价、碳排放配额、面向绿色技术的可持续投资是推动航运碳中和的5个抓手。

(3)3个小目标。VMDA提出,在行业方面,2027年30万吨绿氢市场保证,2030年一百万吨,2035年四百万吨,完成50%的航运减排目标

来自hySOLUTIONS的Jennifer Kreissel介绍了e4ships的创新集群。

(1)创新的氢能船舶产业生态。自2009年以来,e4ships一直在德国政府的国家氢和燃料电池技术创新计划(NIP)的框架内,将海上示范项目与燃料电池作为一个创新集群。通过沟通政府、企业、机构之间的合作,e4ships构建了一个氢能船舶的闭环生态。

(2)启动多个示范项目。e4ships与欧盟、中国船级社都有合作,目前已经落地4个示范项目,均为内河与近海项目,包括了燃料电池和替代燃料等多种方案。

来自H2 Ocean的Ric Dilanni从市场模式角度讨论了氢能船舶的发展。

需要特斯拉式的企业推动氢能船舶的发展。Ric提出,除了技术之外,要重视品牌和市场营销,提升社会对于氢能船舶的认知和接受程度。氢能船舶的发展,不仅需要政策扶持

和技术发展,也需要特斯拉式的伟大企业去创造需求和推动市场发展。

来自NedStack的江海克详细介绍了企业的理念、产品与解决方面。

小电堆、大系统、长寿命的氢能船舶解决方案。江海克介绍,与国际许多采用高功率电堆的方案不同,NedStack采取了多个小电堆(40KW)组成大系统(达到MW级别)的方式,同时NedStack的方案具备长寿命的特点,其550KW系统在24000小时后氢流量仅从30KG/H变为36KG/H。

在实践方面,NedStack已经开展了多个燃料电池船舶示范项目,在今年NedStack还即将交付一艘900KW的燃料电池船舶。

3、国内氢能船舶示范实践经验

氢蓝时代的首席科学家施绍有博士和众宇动力的行业开发总监张丙武介绍了国内燃料电池船舶的发展和应用情况。

来自氢蓝时代的施绍有博士介绍了三个示范项目,均为MW级别的燃料电池船舶示范项目。

(1)国内首艘氢燃料电池动力海上执法船,配备1.6MW燃料电池组,2023年建造完工,2024年投入使用。

(2)国内首艘千吨级氢燃料电池动力内河运输船(物流散装船),配备1MW氢蓝时代燃料电池组,2024年建造完工,投入使用。

(3)深圳“近零碳岛”示范项目。

来自众宇动力的张丙武则介绍了企业船舶业务的发展历程,并介绍了目前国内燃料电池船舶的基本发展情况。

看好游艇市场。今年众宇动力落地了两个船舶示范项目:一艘20米游船和一艘游艇。张丙武介绍,游艇没有纳入燃料电池船舶示范范围,但考虑到游艇的价格敏感度较低,市场处于上升趋势,希望做一个先行先试。

船用燃料电池成本有望仅较车用高10%。张丙武介绍道,目前船用燃料电池系统的成本比车用燃料电池系统高一倍,但在未来,即使考虑了安全冗余等情况,船用燃料电池的成本也有望控制在仅比车用高10%的水平——在2030年车用燃料电池系统成本低于500元/KW的目标下,船用燃料电池系统的成本对比传统船用动力也能具备成本优势。

几个重点问题

问题一:何种能源会成为船用能源主流?是氢或者氨吗?

VDMA的Daniel认为,在2050年的以后航运将百分之百的使用氢基能源,其中既可能是纯氢也可能是像氨这样的衍生物。其中在2030年左右,预计甲醇将成为能源,到2040年,氨和甲醇会成为主流,到了2050年之后则以氨为主。

氢蓝时代的施博士则表示了赞同:“在氢气方面,除了常规的压缩氢和液氢外,我们也在密切关注行业内液态储氢和固态储氢方面的一些技术合作。在氨方面,液氨相对于液氢的熔点、相变的温度点会低很多,也值得关注。但氨气有毒,国内包括船级社都在关注如何在可控的情况下来实现可靠运输和使用。在其他氢基燃料方面,包括甲醇现在国内也在高度关注,甲醇与氨作为氢气的载体,可以实现相对于高压气态储氢更高的聚集密度,来解决船用储氢的难题。”

问题二:氢能船舶是否会遇到类似天然气船舶发展中遇到的安全管理问题?

陈立剑表示,安全问题确实是主管机关比较关心的问题,但在氢能船舶领域管理问题会有明显改善。

“首先就是就是过闸这个问题,过闸问题不在交通部管辖的范围内,会专门有另外的一个机构管辖,因为要保障三峡的安全,这是一个Number one的事情,所以如果我们现在预计一下氢能船舶要过闸,那一定也会遇到这个问题。其次,天然气船舶发展到现在,已经是可以优先过闸的,所以说其实安全法规方面还是有进步的。所以,如果论证清楚这个安全性以后。”

陈立剑认为,为了推广氢能船舶、天然气船舶等,主管部门会采取一些鼓励措施,如天然气船舶可以优先过闸。“我们在推广氢能船舶肯定会遇到障碍,但是,我们也可以看到,机关对这个是一个非常接纳的态度,只要把安全性认证清楚,应该还是没有问题的,但是路还是要一步一步走。”陈立剑表示了乐观的态度。

张丙武则表示,目前国内已经出台相关了相关的法规标准,只要依照相关标准要求,安全问题是可以得到保障的,企业可以放心地开展氢能船舶业务。

问题三:在项目实践中遇到了的困难有哪些?

众宇动力的张丙武详细地回顾了自己的感受。

船级社在氢能船舶方面十分积极和开明。“在燃料电池船舶项目执行的过程中,给我们印象很深的就是,中国船级社包括各个分社,实际上对氢能燃料电池的应用是一个很开明的态度,愿意接受新事物。只要能够从原理上把安全性的顾虑打消掉,船级社实际上是愿意做出很多尝试的。实际上我们觉得某种程度来说,燃料电池在船舶上应用的开明度,比燃料电池在发电侧应用的开明度会更好一些。比如固定式发电提了很多防爆的问题,包括爆炸范围、爆炸区域,这个在燃料电池船舶是没有过度限制的,就如同陈高工介绍的,如果做好机械排风、物理防护,燃料电池船舶是可以做一些安全方面的考量的。这基本上打消了我对船舶应用的一些传统的、固定的疑虑,以及需要追求过多安全性的担忧。这是我在整个认证过程中最大的感触。”

氢气供应是目前燃料电池船舶的发展难点。“氢气补给的问题确确实实很难。坦白说我们现在几个项目,包括我们从2019年开始的在云南大理洱海的船舶项目,就卡在了氢气的补给问题,包括现在我们到很多地方去谈,因为船舶加氢没有可依的标准。而且码头船舶加氢的时候,船舶涉及到一个水位落差和倾斜摇摆的问题,简单地用车用加氢方案是没有办法完成的。这需要做一些突破和创新。”

有意思的是,几位嘉宾均表示船用燃料电池技术方面并没有遇到什么困难。

氢云链总结

几位专家从发展历史、标准法规、应用规划、集群创新模式、商业模式、技术发展阶段、产品解决方案等多方面系统性地介绍了氢能在航运领域的应用情况和发展程度。

对于开头提到的4个问题,氢云链总结了各位专家的分享,形成以下观点:

(1)技术路线方面,未来将是多技术方向共同发展,其中内河、湖泊、近海等对功率要求相对较低的场景将使用压缩氢/液氢+PEM燃料电池的方案,但在远洋行业的场景,预计需要使用甲醇/氨+SOFC/混动等技术方案。

(2)在市场时机方面,从技术与安全标准等方面考虑,时机已经合适;从成本方面考虑,公共示范船、游轮游艇等对成本敏感度较低的场景已经具备入场条件,但散货船、集装箱船等尚有待成本下降。

(3)安全、规范和标准方面,目前IMO已经出台燃料电池临时标准,氢能临时标准正在制定;国内领域则已经形成了基本的氢能船舶体系框架。也即使说,燃料电池船舶在建设和应用方面已经具备了基本的参考标准,并且支持船舶的政策运行。

(4)技术、成本和规模的发展矛盾方面,燃料电池汽车等其他氢能领域的规模化发展有望快速带动氢能船舶的成本下降。

对比国内外氢能船舶的发展区别,氢云链认为,欧洲地区对于氢能在船舶领域的应用确实已经进行了积极地、有意义的探索,从“海洋-氢能”能源理念、先进的产品设计和解决方案、创新的产业发展模式、丰富的项目实践,欧洲在氢能船舶领域已经形成了一个创新的、有活力的产业生态中国地区在燃料电池船舶动力技术方面取得了突破性进展,随着中国氢能市场规模的快速扩大,国内氢能船舶产业也是潜力十足。

最后,氢云链认为,产业发展阶段已经跨过了从0到0.1,正在从0.1走向1的阶段。零碳船舶是个全球任务,必须全球联合完成,需要在开放合作的基础上一起探索零碳海洋、零碳船舶产业发展之路。

编辑:风氢扬 校对:氢氢我心 审核:氢云小仙女

来源:氢云链

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