燃料電池在商業船舶中的應用

近年來，隨著質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 在運輸應用中脫穎而出，有多個船舶項目正在開發PEMFC解決方案。從小規模安裝中獲得的經驗可以逐步推廣到大型船只上，為兆瓦級燃料電池解決方案的開發和論證奠定基礎。

為響應削減海上交通排放的迫切需求，廣大船東正在積極引進替代燃料和燃料電池系統。生物基燃料和合成燃料可直接地或在改性后用于內燃機，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量，這反過來又推動燃料電池系統的高效實施來為船載電力系統提供電力。

2018年，國際海事組織 (IMO) 出臺了減少船舶溫室氣體 (GHG) 排放的初步戰略。在第一階段中，所定目標是到2030年將每個運輸作業的二氧化碳排放量減少40%，到2050年將航運業的總體GHG排放量減少50%。IMO將在2023年修改戰略，對中期措施和中長期措施進行規定，以在2030和2050年前實現目標。

根據上述GHG減排目標，DNV提出從現在到2050年的船舶運輸預測，作為其《2019年能源轉型展望》報告的一部分。在2035之前，海上貿易有望繼續增長，但是預計在2025年左右多項措施將會出臺以削減排放，如圖1所示。物流、能源效率和速度減少會帶來影響，但是如果IMO設定的目標得到實現，由化石燃料向可再生燃料的轉型將不可避免。燃料轉型將使差距在2030年和2050年分別縮小約5%和50%。

由于船舶的公認生命周期為20-30年，因此如果這些目標都要得到實現，必須加快向可再生燃料的轉型。二氧化碳減少量的反向計算表明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的新設備。這會對新造船項目帶來巨大的壓力，并催生舊設備改造或翻新的需求，以及時滿足GHG目標。

盡管LNG在開始時促進轉型，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，因為燃料本身不含碳，并且燃料電池不燃燒，因而排放出來的氣體中無氮氧化物。

根據燃料電池行業的年度報告，2015-2019年期間，質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 產量激增。這很大程度上是由于汽車行業需求的緣故，但盡管如此，船舶應用對燃料電池的熱度也在增長。

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

將燃料電池應用于大型船舶解決方案時，還必須解決數個挑戰。首先，必須構建有關新燃料和系統的安全概念。此外，還需要對船上的總體布置進行重大更改，甚至需要對船舶設計的基本原理提出質疑。與傳統系統相比，在使用燃料電池的情況下，燃料儲備系統和設備會提出不同的空間需求。由于低溫系統和低溫排放的因素，還需要重新考慮熱回收的概念。

由于管理法規和入級規范尚在制定中，氫的監管環境還不太成熟。IMO頒布的有關使用氣體或其他低閃電燃料的船舶的國際安全規則（IGF規則）是主要的適用指南，但其現時提供的詳細規則只適用于LNG。有關其他氣體燃料的修訂正在審核中，但完善規則，將與氫相關的條例納入將需要數年的時間。然而，船級社正在與船旗國當局合作制定指南，以便創建可預測的路線圖，支持船東修改設計流程，以獲得船旗國的認可。


圖1：航運業預期減排量(2018年-2050年)


可再生能源場景

盡管減排目標被廣泛采納，但是在全球范圍內還有其他實現目標的行動路線。University Maritime Advisory Services (UMAS) 的一項研究提出與監管、燃料可用性和成增長有關的各種減碳場景。該報告的結論認為除了能源效率干預外，減少航運業的碳強度還將需要向生物基燃料或合成燃料的轉型。氫燃料和氫基燃料在航運業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。在大多數情況下，生物燃料的占比介乎于10%和20%之間。

能源觀察集團 (EWG) 和拉彭蘭塔理工大學 (LUT) 更加雄心勃勃，他們提出所有行業100%可再生能源的全球轉型路徑。在航運占很大比例的運輸行業中，氫應用將在2025年和2025年期間實現增長。如圖2所示，液態可再生燃料和氫一起將逐步占運輸行業總能源需求量的半數以上。


圖2：運輸業100%可再生能源行動計劃的能源需求


替代燃料

國際能源署 (IEA) 從研究角度對生物燃料在船舶行業中的可用性和潛在市場進行了審查。當前的生物燃料產能遠低于船舶行業的潛在需求，而且就算產量大幅上升，生物燃料也只能部分地支持脫碳目標。以工廠殘渣油或漿渣為原料的生物柴油可以實現相對高的產能，并且在與船用柴油混合后，可用作即用燃料。生物乙醇的生產可帶來巨大的供應潛力，但這需要對設備進行改造，以便與內燃機一起使用。

除了生物燃料外，還可以氫和二氧化碳為原料生產合成烴或用氮氣生產氨氣。這些合成燃料也被稱為電子燃料，其碳足跡與生產過程中使用的原料和能源相關。生產碳中和電子燃料需要由水電解等方式得到的氫。二氧化碳可從工業煙氣或直接從空氣捕獲，而用于生產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設備一起使用或與現有的燃料混合。然而，電子燃料生產的發展計劃仍處于示范層面，并且即使擴大到商業數量后，它們的生產成本也遠遠高于當前的化石燃料。因此，人們普遍認為，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，若想大規模生產合成燃料，必然需要大幅擴大氫的生產。而且，氫也可用作主要燃料，所以預計更簡單的生產鏈和物流將有利于氫而不是其他電子燃料。從長遠來看，由于其生產過程簡單，氫的成本還會大大低于其他電子燃料。


燃料電池技術

與內燃機和燃氣渦輪機相比，燃料電池的效率更高，并且無氮氧化物排放。系統只有極少的活動部件，所以運行安靜可靠。因此，在配備電力推進系統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的一項研究對面向航運業的燃料電池技術進行了評估。堿性燃料電池技術(AFC) 具有悠久的歷史，最初用于航天飛機上，成本相對較低。質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 技術被廣泛使用于運輸應用中，其主要優勢是高功率重量比。這兩種技術只使用純氫作為燃料，且工作溫度相對較低。


      圖3：2015-2019年期間不同燃料電池技術的年產量

磷酸燃料電池 (PAFC) 可以在高達200°C的溫度下工作，而且支持熱回收系統。固態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或甲醇上運行，無需外部重整器。

2015-2019年期間燃料電池市場的發展情況如圖3所示。過去五年來，PEMFC持續快速增長。而其他技術的年度市場發展狀況保持不變。增長主要源于汽車行業的需求。該行業青睞PEMFC的緊湊尺寸、可靠性和預期壽命。除了汽車應用外，相同的優勢適用于重型運輸和船舶應用。因此，PEMFC的產能不斷增長預示著在不久的將來，所有行業的生產成本都會下降，包括船舶行業。


表1：船用PEMFC項目示例


選擇的使用燃料電池的船舶項目

2013年，桑迪亞國家實驗室啟動了一個項目，旨在設計和建造船用集裝箱式氫燃料電池發電機。該船用燃料電池發電機由Hydrogenics提供的100 kW燃料電池系統驅動，包含壓縮氫氣儲存系統。2017年，集裝箱采用ABB提供的功率調節和控制系統進行了升級。同年，皇家加勒比郵輪 (RCCL) 在RCCL技術展示日中推出了100 kW的示范機。這次活動由ABB和巴拉德動力(Ballard Power Systems) 設計和開發的燃料電池系統提供動力。

另一個例子是，2018年，歐盟資助的項目“ 旗艦”(FLAGSHIPS) 獲得燃料電池和氫能聯合組織 (FCH JU)下的歐盟研究和創新項目“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。

在其他的長期項目中，HySeas III項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營。2016年，桑迪亞國家實驗室發布了一項有關SFBREEZE概念的可行性研究。這個項目一直持續到了2020年，但是Water-Go-Round渡輪項目按計劃推出。此外，還有其他項目在挪威、法國和荷蘭展開，旨在推進功率最高達1MW或略微超過1 MW的氫動力船舶。


面向大型船舶的解決方案

現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電裝置的大型船舶。數個船舶利益相關者正開展大規模的燃料電解決方案研究，但這些研究尚未發布。對大小型船舶而言，氫的安全概念相似，并且許多規則或設計指南源自從LNG中獲得的經驗。LNG系統的雙屏障原理適用于氫供應管線。氫的可燃范圍和爆炸范圍比LNG廣，因而應將更多注意力放在泄漏檢測場景上。由于監管環境對氫而言并不完備，因此，船舶總體上必須遵循替代設計的審批路徑。

對于大小型船舶來說，將燃料電池集成到配電網絡所遵循的原理是相同的。為了組成尺寸和電壓適當的發電單元，燃料電池堆可以采用并聯和串聯的電氣連接。將燃料電池的、依賴于負荷的輸出電壓調節到恒定值通常需要直流/直流 (DC/DC) 轉換器。使用直流/交流轉換器和變壓器連接交流 (AC) 網絡，以確保電氣隔離和正確的電壓水平。與直流 (DC) 網絡集成可減少設備需求，從而節省成本和空間，但是直流網絡在大型船舶上的實現仍需要對中壓直流配電技術進行進一步的開發。

在商業船舶建造市場上，人們明確表示有興趣設計和建造燃料電池船舶，而且是兆瓦級船舶。對于這樣的級別，使用數百千瓦的模塊來構建大型燃料電池系統的做法不再可行。因此，2018年，ABB和巴拉德動力宣布合作開發面向船舶的MW級燃料電池單元。繼他們宣布之后，其他聯合體也紛紛成立，旨在開發大型船用燃料電池系統。預計此類系統的首個示范產品將于2023-2025年在運營中的船舶上運行。


船舶設計的考慮因素

氫燃料電池的主要挑戰之一是氫儲存所需的空間。從大范圍來看，最可行的解決方案是使用液化氫 (LH2)，當中采用的是從已知LNG解決方案改進而來的低溫儲存技術。對于可用燃料儲存空間有限的情況，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重整燃料電池技術將原料重整為氫。

應在船舶設計過程的早期階段選擇主要的燃料和燃料電池技術，因為這會對功率平衡和總布置產生顯著的影響。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，由于用于蒸發器的熱量可以從空調系統中提取，因此可利用低溫系統高效地進行冷卻。

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


混合電力解決方案

持續的燃料電池項目有助于解決數個與氫和燃料電池安裝有關的挑戰。面向大型燃料電池船舶的很自然的一步是將燃料電池應用于混合動力系統中，使燃料電池與電池系統或傳統的發電機組并行安裝。當怠速或駛近港口時，混合動力船舶可以在零排放模式下運行。混合燃料電池發電裝置的一個額外功能是使用燃料電池和電池（需要時）進行安靜運行。當需要高速或其他高功率應用時，仍可以利用內燃機或燃氣渦輪機來產生高功率。


結論

對脫碳的新興需求已在船舶領域得到了廣泛的確認，而IMO采納了到2030年和2050年大幅減少排放的宏偉目標。因此，面向無碳電力推進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技術有可能成為船用燃料電池系統的首選。盡管如此，能夠使用SOFC和DMFC等其他燃料的高溫技術還是逐漸地取得了突破。船用燃料電池應用市場已經從技術示范發展到面向氫動力推進系統的小型船舶細分市場。在下一個階段中，燃料電池系統有望實現兆瓦級發展，而且能夠適用于更大型的船舶。

然而，當在大型船舶上實施氫燃料電池系統時，還需要考慮其他與船舶設計有關的因素。例如，低溫排氣對熱回收產生限制，但提高了總布置的靈活性。此外，燃料儲存和供應系統還與傳統的系統存在輕微的差別。盡管如此，氫和燃料電池在大型船舶上應用不存在很大的障礙，但是一些設計上的挑戰仍待解決。

來源：ABB