“三峡氢舟1”船舶应用效益分析.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.009“三峡氢舟 1”船舶应用效益分析 杨万宇（中国船级社武汉分社，湖北 武汉 430000）摘要：本文首先介绍了氢能在船舶上的应用，接着对“三峡氢舟 1”船舶的数据和特点进行了分析。然后，从发展状况、节能减排和经济性等多个角度，详细探讨了该船采用氢能源技术所带来的预期经济效益和社会效益。最后，对该船发展还需要突破的难点进行了展望。关键词：船舶工程；氢能源船；减排；氢燃料；“三峡氢舟 1”中图分类号：U674 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0034-03 Application Benefit Analysis of San Xia Qing Zhou 1 YANG Wanyu(Wuhan Branch of China Classification Society,Wuhan Hubei 430030,China)Abstract:This paper provides an introduction to the application of hydrogen energy in ships,followed by an analysis of the data and characteristics of the San Xia Qing Zhou 1.Subsequently,from multiple perspectives including development status,energy conservation and emission reduction and economic feasibility,a detailed exploration is conducted on the expected economic and social benefits of adopting hydrogen energy technology in this ship.Finally,the challenges that need to be overcome for the development of this ship are discussed,providing prospects for future breakthroughs.Key words:ship engineering;hydrogen-powered ship;emission reduction;hydrogen fuel;San Xia Qing Zhou 1 0 引言 在全球积极应对气候变化的背景下，氢能作为一种清洁高效的二次能源，对于全球的能源消费革命和产业结构调整具有重要战略意义。特别是在能源消耗巨大的船舶行业，利用氢能可以有效推动节能减排，因此全球许多国家都在积极推动氢能在船舶领域的应用。传统船舶的动力装置是船舶污染的主要来源之一，燃烧化石燃料的发动机会排放大量废气。此外，往复运动和旋转的曲轴装置会产生巨大的振动和噪音，而冷却和润滑系统也会产生大量含油污水。为了解决这些问题，改变传统船舶的动力装置是关键，可以从根本消除和减少航运过程中的废气、废油和废水 收稿日期：2023-06-02 作者简介：杨万宇（1995-），男，湖北公安人，工程师，从事船体验船工作.（）排放，同时降低振动和噪声，提高能源利用效率。这样的转变将实现绿色船舶的目标，并为船舶航运业的增长与航域生态环境保护之间的和谐发展提供支持。氢能源电池动力船所使用的氢燃料电池动力是一种完美契合绿色船舶要求的新型动力装置。它利用膜材料实现氢气和氧气之间的质子交换，产生电流驱动电机，同时生成水和热。整个过程没有污染排放，其效率高于所有已知的热机。此外，氢燃料电池动力系统内部没有机械运转，只有来自外围辅助部件的轻微噪声和振动，对生态环境非常友好。1“三峡氢舟 1”概述 1.1 项目意义 为响应国家绿色发展战略，推动区域交通航运绿第 4 期 杨万宇，“三峡氢舟 1”船舶应用效益分析 35 色转型，加快长江三峡通航“碳达峰、碳中和”先行示范区建设，三峡集团与中国船舶第七一二研究所合作研发的“三峡氢舟 1”氢燃料电池动力船于 2022 年5 月 17 日开工建造。该船具有重要的里程碑意义，是推动船舶行业和内河航运绿色低碳发展的示范船舶。该项目在新能源船舶领域取得了重要突破，探索了氢能源技术在内河船舶中的应用。它具有积极的示范作用，标志着我国在氢燃料电池船舶关键技术领域取得了新的进展。该项目的研发目标是推动氢能源技术在内河船舶领域的应用，并为其他类似项目提供经验和参考。通过该项目的实施，可以推动内河船舶行业向低碳、环保方向发展，促进绿色交通和可持续发展。“三峡氢舟 1”氢燃料电池动力船的建造将为长江三峡通航区域提供一种创新的绿色船舶解决方案。它的推广应用有望降低船舶行业的碳排放和环境污染，提高能源利用效率。同时，该船的研发和建造也为我国船舶制造和氢能源技术领域带来了发展机遇，推动了相关产业的升级和创新。1.2 主要尺度和性能“三峡氢舟 1”的主要参数尺度见表 1。表 1 “三峡氢舟 1”主要尺度 Tab.1 Main dimensions of San Xia Qing Zhou 1 序号 项目 尺度/m 1 最大船长 49.90 2 水线长 43.50 3 型宽 10.40 4 片体宽 3.30 5 型深 3.20 6 设计吃水 1.85 7 肋距 0.50 “三峡氢舟 1”的主要性能见表 2。表 2 “三峡氢舟 1”主要性能 Tab.2 Main performance of San Xia Qing Zhou 1 序号 项目 数值 1 设计航速 28km/h 2 巡航航速 20km/h 3 续航力 巡航航速下约 200km 4 船员 10 人 5 乘客 80 人 6 推进电机功率 500kW 2 7 燃料电池总功率 约 560kW 8 锂电池总容量 约 1 800kW h 9 氢气储量 35MPa，不少于 240kg 1.3“三峡氢舟 1”船舶特点 我国自主开发的“三峡氢舟 1”号氢燃料电池动力船采用了氢燃料电池和锂电池混合动力系统，共同为船上电力负荷供电。在经济航速下，氢燃料电池作为主要电源供应全船用电，而锂电池组则作为主电源的一部分，确保燃料电池发动机平稳运行。在高速工况下，燃料电池和锂电池同时为船上电力负荷供电。通过采用我国自主研发的氢燃料电池和锂电池混合动力系统，该船能够实现高效能源利用和减少排放，在航行过程中减少环境影响。总而言之，“三峡氢舟 1”号氢燃料电池动力船具有高环保性、高舒适性、低能耗和低噪音等特点，主要应用于三峡库区及三峡、葛洲坝两坝间的交通、巡查和应急工作。该船为内河航运行业的绿色转型提供了创新的解决方案，并促进了可持续发展。2“三峡氢舟 1”预期效益 2.1“三峡氢舟 1”预期社会效益 根据国际海事组织的数据，全球航运业的温室气体排放量约占全球碳排放总量的 2.5%。航运业的污染控制和向可持续能源过渡的压力不断增加。根据国际能源署的数据，2019 年，国际海运二氧化碳排放量约占全球能源行业碳排放量的 2%。随着全球货运量的增加，在过去 10 年中，全球航运的直接二氧化碳排放量显著增加。因此，航运业实现减排目标仍面临巨大挑战。面对船舶减排的压力，氢燃料电池船的应用场景逐渐显现，全球研发进程也在加快。同时，在国家和地方制定的氢燃料电池发展规划中，氢燃料电池船的应用比例也在增加。2020 年 6 月，交通运输部公布了内河航运发展草案，明确提出鼓励研究纯电能、燃料电池等能源船舶的发展，以及太阳能、风能、氢能等新能源的应用。我国在氢燃料电池船舶领域正处于探索的第一阶段，已经有少量示范项目。在碳中和目标背景下，减少航运排放至关重要，而氢燃料电池船舶的推广和应用是实现航运减排目标的解决方案之一。与此同时，氢燃料电池船舶的标准也在加快制定和完善。随着以“三峡氢舟 1”号船为代表的氢燃料动力船舶关键技术研究项目成果的推进和落地，国内的氢能船舶标准也在不断完善。截至目前，“三峡氢舟 1”号船上各类产品均已取得了中国船级社产品认证。在全球公务船中，该船的36 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 发电功率和储能水平处于领先地位，这也标志着我国的氢燃料动力船舶将正式进入工程化应用阶段。预计在未来几年内，我国的氢燃料电池系统改造船数量和新建氢燃料电池船舶数量将快速增长，进一步推动氢燃料电池动力船舶的蓬勃发展。2.2“三峡氢舟 1”预期经济效益（1）能源成本：氢能源船舶使用氢燃料电池系统进行推进，相比传统燃油船舶，氢能源船舶的能源成本可能更低。尽管氢气的制备和存储成本较高，但随着时间的推移，技术进步和规模效应可能会降低氢能源的生产成本，使其竞争力更强。此外，“三峡氢舟 1”号船作业于三峡库区，三峡水坝发电产生的多余电量可通过电解水转换为氢气进行储存，氢气成本进一步降低。（2）碳排放效益：“三峡氢舟 1”使用氢燃料电池系统产生的动力为零排放，只产生水蒸气和热能，不会产生二氧化碳等温室气体。许多国家和地区实施了碳排放配额制度，船舶运营者需要获取足够的碳排放配额来满足法规要求。对于“三峡氢舟 1”来说，由于其零排放的特性，其碳排放配额需求可能较低甚至可以免除。这既可以降低船舶运营成本，同时也可以在碳配额市场中将多余的配额出售，获取经济收益。（3）能源多样性：“三峡氢舟 1”可以实现能源的多样化。传统燃油船舶主要依赖石油类燃料，而氢能源船舶可以利用可再生能源或通过电解水产生的氢气。这种能源多样性可以降低对有限化石燃料的依赖，提高能源安全性，进而获取经济效益。（4）创新机会：“三峡氢舟 1”的建造也为相关产业带来了创新机会。这包括氢气生产、存储和供应基础设施的建设，氢燃料电池系统和相关技术的研发，以及氢能源船舶的设计和制造等领域。这些创新机会可能带来新的就业机会和经济增长点。需要注意的是，目前氢能源船舶的技术和市场应用仍处于相对早期阶段，面临着一些挑战，如氢气的生产、储存和供应链建设、设备成本高昂等。因此，在评估氢能源船舶的经济效益时，需要综合考虑这些因素，并与传统能源船舶进行比较分析。2.3“三峡氢舟 1”后期评估 氢燃料电池动力在船舶领域的应用处于初级阶段，为确保氢燃料电池船舶的安全性，需要在“三峡氢舟 1”的运营期间，逐步进行故障分析和安全问题评估，覆盖氢燃料电池模块、氢燃料电池动力系统和船上应用三个层面，以确保氢燃料电池装船的可靠性和安全性，并为后续氢能源电池动力船的研发和建造提供指导。此外，还需要对氢燃料加注模式进行风险与成本评估，并进行运营成本核算和运营模式探索研究。“三峡氢舟 1”号船建造完成后，应开始进入示范运营阶段，在此期间，将评估不同加氢模式下的风险和成本，以确定后续常态化运营时采用的加氢方法。同时，还将对示范运营的成本进行核算，评估各种可能的运营模式及其效益。通过以上的评估和研究，可以得到氢燃料电池船的安全性、加氢模式选择、运营成本核算和运营模式效益评估等方面的结果，以推动氢燃料电池动力船的可持续发展和应用。3 结语 针对“三峡氢舟 1”，其后续技术突破主要涉及燃料电池系统和供氢补给两个方面。对于燃料电池系统而言，关键的技术瓶颈主要存在于燃料电池电堆和氢气循环泵等关键零部件，要求其寿命达到 5 万小时以上。然而，“三峡氢舟 1”的氢燃料电池电堆目前的寿命约为 1 万小时，因此在关键材料的稳定性、结构设计以及操作策略等方面仍需加强研究和开发。在供氢补给方面，目前国内船用加氢站的数量严重不足，三峡库区船用加氢站的建设仍在进行中。总的来说，“三峡氢舟 1”在技术突破方面需要解决燃料电池系统和供氢补给的问题。通过改进燃料电池电堆的寿命和加强关键零部件的研发，以及加快船用加氢站的建设和供氢补给网络的构建，可以进一步推动船舶氢能技术的发展和应用。参考文献：1 丁文.氢能上船 扬帆起航N.中国水运报,2023-03-22(006).2 赵志坚,崔