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看全球氢能船舶的发展形势

2021-11-25 15:37
香橙会
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船舶行业每年的碳排放量为11.2亿吨以上,约占世界二氧化碳排放总量的4.5%,并仍处于继续增加的趋势。而减少碳排放是社会发展的基本要求。近几年国家和行业机构出台多个政策以减少船舶行业的碳排放,如表1。因此绿色船舶是未来船舶发展的主要方向。

表1 关于促进船舶行业碳减排相关政策文件

燃料电池作为一种清洁、高效、无排放的能量转换设备在绿色船舶的发展

中备受重视。8月28日三峡决定引入一艘以500kW额定输出功率氢燃料电池为主并辅以磷酸铁锂电池动力的双体交通船,主要用于三峡库区及两坝间交通、库区巡查、应急等工作。10月10日,未势能源与大连海事大学新能源船舶动力技术研究院签署了战略合作协议,共同开展氢燃料电池动力船舶的技术研究、标准制定、检验检测、产品定型、市场推广等方面的合作。国内首家专注氢能船艇动力系统公司—ExploMar也在10月份宣布获得了由险峰长青领投的美元基金种子轮融资,并率先启动国内商业化游艇项目,首艘搭载自主研发氢能动力系统的60尺游艇将于明年初投放市场。同时,该公司在北美、欧洲、东南亚等区域的海外项目也已启动系统开发工作。据统计,世界范围内,船舶用燃料电池市场容量约有160GW。根据交通运输部水科院的数据和专家预计,2025年氢燃料电池系统改造船数量和新建氢燃料电池船舶数量分别约400艘和200艘, 氢燃料电池系统市场规模将达到200亿元。

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各国船用燃料电池的发展

  表2 不同国家燃料电池船舶开发项目

多年来,美国、英国、德国、韩国、日本等多个国家一直都将燃料电池作为一种船舶技术储备在不断地发展。如表1所示,早在二十世纪八十年代,质子交换膜燃料电池因为低红外、运行噪音低、无需空气供给(AIP)、运行里程长等优点得到了德国海军的重视,并率先运用于212潜艇,该燃料电池系统由西门子提供,配备由2组120kW的燃料电池模块。美国也在SSFC项目中构造了一个MCFC(熔融碳酸盐燃料电池)和PEMFC(质子交换膜燃料电池)相结合的燃料重整系统,该系统额定功率有625kW,运用于军舰。2009年,挪威海工船东Eidesvik Offshore制造的第一条海洋工程供应船正式交付,该船以LNG为主要燃料,配备有330kW的燃料电池系统,是全球首艘安装燃料电池作为部分推进系统的商船,如图1。截止2012年,该船已连续运行26280小时,成为了世界上最环保的船舶之一。美国将于2021年推出世界上第一条燃料电池船用渡轮,系统功率100kW,能够搭乘84名乘客,装载有242kg氢气,能够连续运行两天。欧盟在FELICITAS投资了约800万欧元打造能量利用效率超过60%的高效SOFC系统(综合热效率超过60%),并运用于大型邮轮的辅助动力。2020年9月2日,日本邮船、川崎重工、日本船级社等5家日本企业将合作进行日本首个燃料电池商业化船舶项目开发。该项目预计打造一艘150吨级大功率燃料电池船舶,可容纳约1000名乘客,并计划于2024年开始示范运行。

图1 “VIKING LADY”海洋工程供应船

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不同种类的燃料电池在船舶上的应用趋势

燃料电池分为很多种类,主要有碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、直接甲醇燃料电池(DMFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。碱性燃料电池属于成熟较早的燃料电池技术,最早应用于美国的航空航天事业中,德国也在2000年的Etaing GmbH项目中使用碱性燃料电池作为渡船动力。但随着其他燃料电池技术的发展,便逐渐淡出了使用者的视野。甲醇燃料电池因为功率密度太低,除了日本运用过一次之后,便没有发现其余的项目示范。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是在固体电解质膜研发成功后发展迅速的燃料电池技术,由于其具有良好的动态响应能力、低温运行特性和高功率密度等显著优点,不仅在车用燃料电池领域受到了高度的重视,而且在船用燃料电池领域也得到了广泛的运用。但质子交换膜燃料电池的最佳输出功率范围一般在300kW以下,当输出功率进一步增大时,如运用于远洋航轮,固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池便是更好的选择,它们具有更高的运行温度,一般在600-700℃,故而可以提供高品质热量,不仅可以满足远距离航海时乘员的热水需求,还可以结合燃气轮机等做功设备进一步提升燃料的综合利用效率。如图2所示,高温燃料电池阳极与阴极的尾气补燃后进入燃气轮机做功发电,综合热效率可能达到60%以上,这可以提升远洋航轮的运行里程和续航时间或减少燃料消耗量。


    图2 高温燃料电池与燃气轮机构成混合动力系统[1]

[1].刘易明等, 燃料电池船舶应用形式及其关键技术. 船舶工程, 2021. 43(3).

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船用燃料电池的反应气体供给

根据氧化剂的不同,燃料电池分为氢空和氢氧燃料电池两种。氢氧燃料电池一般用于水下无人潜航器或潜艇。但当氢空燃料电池运用于船舶时,由于海上的空气盐度非常高,故而需要考虑空气过滤器的独特设计以避免燃料电池的寿命不受危害。如图3所示,氢气尽管是质量能量密度最高的燃料,但是其体积能量密度非常低。柴油的质量能量密度尽管不高,但体积能量密度最高。35MPa压缩氢气的体积能量密度仅为柴油体积能量密度的10%左右。故而,当燃料电池取代柴油机供给动力时,存储氢气所需的高压气瓶的体积远高于目前存储柴油所需的燃油舱。另外,氢气密度小,易泄露,还具有易燃易爆的特性,所以当氢气作为燃料电池的燃料时对船舶燃料舱的体积和安全性提出了更高的要求。

除了直接储存氢气外,如英国在《氢能发展战略》中所提,基于低碳氢生产的液氨和甲醇也是船舶氢能利用的另一种方式。其中,甲醇能够通过燃料重整技术产生氢气、CO等燃气混合物后直接通入高温燃料电池中进行反应,从而有效弥补氢气体积能量密度过低的不足。

图3 常用燃料质量能量密度和体积能量密度

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锂电池与燃料电池在船舶应用领域的分析

如图4所示,随着储能的增加,锂电池的质量比能量展现出下降的趋势,这是因为锂电池是一个封闭系统,电池本就是能量的载体,质量比能量不会随着储能的增加而减少,但会增加维持电池稳定运行的辅件,从而导致整体比能量减小。在燃料电池系统中,能量依靠燃料储存。当储能量减小时,电堆自重占电堆系统中的比重较大,导致了较低的质量比功率。当储能量增大时,电堆自重占电堆系统中的比重逐渐缩小,质量比功率在开始时随着储能量的增大迅速增大,最后趋于稳定。

      图4 锂电池和燃料电池质量能量密度对比[2]

[2]王振等, 燃料电池和锂电池在船用领域的对比分析. 船电技术, 2021. 41(2).

锂电池作为储能装置,单位储能价格比较稳定,故而总储能花费价格与储能量成正比关系。燃料电池的储能量也与储存燃料成正相关,不过相比于锂电池,燃料电池的成本主要消耗在电堆系统制造上,燃料及其燃料储存花费占比不大,从图5中可以看到,其总花费不会随着储能量的增加而显著增加。另外,当总储能一定的条件下,增加功率基本不会影响锂电池的总成本,但会显著增加燃料电池的成本,这是因为燃料电池的输出功率与电堆系统大小有关,而电堆制造占燃料电池总成本的70%以上。

     图5 锂电池和燃料电池价格对比

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总结

1.日本车用燃料电池技术领先世界,拥有较好的质子交换膜燃料电池基础,但船用燃料电池推广速度较慢。欧洲各国对船用燃料电池的支持力度最大,具有多年船用燃料电池工程开发经验和示范项目,相关技术国际领先,其中德国技术最为突出。

2.目前应用最为广泛的三种船用燃料电池分别是PEMFC、MCFC和SOFC。氢气体积功率密度较低,甲醇作为氢能利用的另一种形式,可基于燃料重整技术与高温燃料电池(MCFC和SOFC)进行配合,降低燃料舱的体积需求。

3.从成本和功率密度进行分析,燃料电池更加适用于小功率、大储能的船型,锂电池更加适用于大功率、小储能的船型。大功率、大储能的船型采用燃料电池方案体积和质量更小,但目前价格昂贵;若采用锂电池,则可以降低制造成本,但也会降低船舶的有效载荷。故而应综合两种方案考虑最优值。

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