关键技术研究为绿氢上船保驾护航_王思佳.pdf

中国船检 CHINA SHIP SURVEY 2023.230近日,中国船级社（CCS）“海上可再生能源电解制氢装置关键技术研究”项目及项目成果正式通过专家评审。来自能源企业、科研院所、高校、设计单位、氢能装备企业和船舶检验机构的专家经过认真审议后一致认为该项目研究成果能紧密契合市场需求和行业热点,对未来海上可再生能源制氢技术及氢能产业的发展具有较强的指导性。绿氢上船关键一步氢能,以其来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多样、可储能、安全性优于其它能源等特点从众多清洁能源中脱颖而出,成为现阶段最具发展潜力的绿色低碳新能源之一。目前,世界能源理事会按照生产制取过程中的碳排放强度,将氢气分为“灰氢”“蓝氢”和“绿氢”三种关键技术研究为绿氢上船保驾护航类型。以目前约占全球氢气产量的95%甚至以上的主流氢气“灰氢”为例,其是通过化石能源、工业副产品等生产而获得,约70%来自于化石燃料的燃烧,剩余的30%是工业加工的副产品,生产过程中会伴有大量的二氧化碳排放。航运业的零碳目标是需要实现全生命周期的脱碳,“灰氢”等氢气显然是无法满足条件的。因此,要想实现零碳目标,航运业需要寻找本刊记者 王思佳特别报道 Special Report2023.2 CHINA SHIP SURVEY 中国船检31更为纯净的氢。“绿氢”则是十分合适的选择。绿氢是利用可再生能源（如太阳能或风能等）发电后再通过电解工序制取的氢气。由于绿氢的制取技术路线主要为电解水,整个过程的碳排放可以实现净零。利用风能等可再生能源制氢不仅可实现全生命周期的绿色清洁,还可拓展可再生能源的利用形式,一举两得。因此,可再生能源制氢对于行业能源转型具有重大意义,也是航运业实现零碳目标的重要路径之一。多年来,伴随制氢技术的进步而逐步得以升级换代的氢的制备正逐步从化石燃料制取的“灰氢”向可再生能源发电制取的“绿氢”方向发展。其中,通过海上风电、光电等可再生能源制氢具有“100%无碳”、可储存、可运输、可分散的特点,是未来大规模绿氢生产的重要解决方案。因此,海上可再生能源制氢将成为未来重要的清洁能源开发模式。据CCS武汉规范研究所研发部秦傲寒介绍：“海上制氢方面,最容易获得的可再生能源来自海上的风力发电,虽然潮汐能和波浪利用技术可为电解反应提供必要的电力,但在可再生能源行业中的份额比海上风能小几个数量级。”此外,据中国氢能源及燃料电池产业白皮书 预测,至 2050 年,氢能在中国终端能源体系中占比超过10%,将作为重要的二次能源应用于交通、建筑、工业等领域,另外以电解水制氢进行能源转化是消纳海上可再生能源电力、平衡电网峰谷差的一种良好技术解决方案,而这也是建设以新能源为主体的新型电力系统的关键环节之一。据了解,全球主要发达国家先后将氢能产业纳入国家发展战略。目前国内部分传统能源巨头、以及新兴新能源等企业也已将海上可再生能源绿色制氢加入其战略规划,国际上荷兰、德国、英国等欧洲国家也在发展规模庞大的海上制氢项目。秦傲寒表示：“未来,随着氢燃料电池技术以及液氢等高密度储氢技术的不断成熟、氢气价格的下降、加氢基础设施的完善,氢气有望成为最具发展潜力的船用零排放燃料,并应用于远洋船舶。可再生能源制氢(绿氢)是氢燃料电池能否作为终极动力应用到远洋船舶的关键一步,通过建设海上可再生能源制氢装备,经液化存储后可作为远洋氢动力船舶的加油站,为远洋氢动力船舶长距离航行提供保障。”基于此,CCS设立了“海上可再生能源电解制氢装置关键技术研究”项目,旨在为海上可再生能源制氢提供技术支持。蓬勃发展仍存挑战可再生能源海上风电制氢这一全新发展模式作为绿氢生产的最佳选择之一,在行业能源转型中扮演着重要角色。但是,尽管各方都十分看好海上风电制氢,也进行了相应布局、投资及研究,但就目前而言,大多还是处于前期探索阶段。即便是目前已有一定发展的海上风电制氢技术,其高能耗、制氢效率低以及消耗淡水资源等问题却是客观存在。经过梳理不难发现,对于海上风电制氢这一新模式,仍面临着诸多技术挑战：海上制氢装置电源适用性方面。海上风力发电产生的是间歇性的不稳定交流电,如果电解制氢设备与电源不适配,将可能导致制氢设备受损带来安全隐患的同时,还将可能降低氢气产品的纯度。因此需要掌握电解制氢设备与不稳定交流电能的匹配性与适应性问题,以及与不同能源形式（风电、光伏电、潮汐能等）之间的匹配性与适应性。水电解制氢关键技术方面。水电解制氢目前主流的方向有三个,包括碱水电解制氢技术、质子交换膜电解制氢技术和固体氧化物电解制氢技术。在三类水电解制氢技术中,技术最为成熟、使用最为广泛的当属碱水电解制氢,商业上销售的大型水电解槽都属于这一类型。质子交换膜电解制氢属于新一代电解槽,由于其具备流程简单、能效较高、与波动性和间歇性较强的海上风电具有良好的匹配性等优势,但其发展困境在于催化剂贵金属用量大,价格较为昂贵,寿命也相对偏低。固体氧化物电解制氢技术目前还基本处于实验室研究阶段,暂中国船检 CHINA SHIP SURVEY 2023.232不具备商业化条件。海上制氢设备对空间的要求方面。水电解制氢系统一般由电解槽、气液处理器等设备组成,按照电解槽类型、氢气产量以及空间布罝的具体需求,可以采用多种水电解制气系统集成方案,日前较为成熟的集成方案主要包括集装箱式、柜式、分体式等。其中集装箱式与柜式集成方案所占空间体积较小,适用于小规模海上制氢或分布式海上制氢方案。分体式集成方案所占空间体积较大,但产氢量相对较高,一般适用于中、大规模集中制氢方案。然而,海上制氢的最大阻碍在于海况复杂多变且环境恶劣,可用制氢设备布局的空间也十分有限。因此,无论选择哪种集成方案,都对制氢设备的紧凑布置、防火防爆以及可靠性与安全性提出了更高的要求。海上风光储一体化方面。随着海上风电逐步迈入风能储量更高的深远海,海上风电大规模并网消纳难、深远海电力送出成本高等问题将凸显,借助风电制氢建立风储一体化系统,能够有效缓解海上风电快速增长和电网建设速度较慢之间的矛盾,解决海上风电消纳问题,提高风能利用率,但需要解决海上浮式风机与制氢的一体化耦合问题,以及浮式装置载荷及运动特性对制氢设备及工艺的影响等问题。氢气储存和转运技术方面。适用于海上的储氢技术主要包括高压储气瓶、液化储氢、金属氢化物储氢、有机化合物储氢、盐六地下储气库储氢等。其中,高压压缩储氢是目前应用广泛且简便易行的一种方式,其技术成熟,充放气速度快,常温下就可进行,是现阶段最为适用的储氢技术。但高压储氢储存密度低,待未来制氢规模的扩大,将难以满足储存需求,届时则需要选用液氢、金属氢化物储氢等更高储氢密度的储存方式才能满足需求。转运方面,液化氢气需要在零下253摄氏度下储存,这无疑加大了运输船舶的技术研发难度。氢燃料规范体系搭建根据行业需求及行业发展所遇挑战,同时考虑到CCS已出台的船舶应用燃料电池发电装置指南等氢能在船舶上应用的规范标准也亟需打通制、储、运、加等绿色氢能全产业链,CCS认为有必要提前开展海上制氢装置关键技术研究工作。在本次“海上可再生能源电解制氢装置关键技术研究”项目研究中,CCS项目团队结合海上可再生能源制氢的发展需求,聚焦行业发展挑战,在海上可再生能源制氢的技术现状、环境效益、经济性、技术成熟度、制氢装置电源适应性、制氢工艺技术、制氢设备关键技术、制氢平台选型与适应性、制氢设施的结构与布置要求等关键技术方面开展了全方位深入研究,提出了海上可再生能源电解制氢装置的技术要求建议,并编制完成了海上可再生能源电解制氢装置关键技术研究报告,为海上可再生能源制氢的发特别报道 Special Report图1 最新指南与首款燃料电池型式认可证书2023.2 CHINA SHIP SURVEY 中国船检33展提供了重要技术支撑。本次项目的主要研究内容包括五个大类：首先,基于国内外陆上水电解制氢的发展与应用现状,综合分析研究水电解制氢的原理、方式和关键技术；其次,结合国内外发展现状与收集资料,研究评估海上可再生能源电解制氢典型方案,并基于海上风浪环境条件,开展制氢技术/装置在海上平台的适应性研究,分析了海上制氢的平台选型、不同平台的特点及运动和加速度特征对制氢技术/设备的影响；第三,分析研究海上可再生能源产生的间歇性不稳定交流电能与水电解制氢设备需求电能之间的匹配性与适应性问题,并研究了不同能源形式与海上制氢装置匹配性与适应性；第四,对海上制氢工艺与关键设备开展可靠性与安全性的分析研究；第五,针对海上制氢工艺及设备对海工设施的要求展开研究,同时结合我国海域海洋环境的特点,梳理了适合于海上制氢的设施类型,研究设施结构、布置及功能配置等方面的特殊要求。本次项目的创新点在于,CCS项目团队通过标准梳理、对比分析及风险点识别等手段,开展了海上可再生能源电解制氢装置关键技术的安全应用研究,提出了水电解制氢系统在海洋平合上应用面临的主要风险与风险控制措施。同时,通过对制氢系统在海洋平台上的适用性、安全性及可靠性分析,对标国内外相关标准,提出了海上可再生能源电解制氢装置技术要求建议,为后续规范指南对相关建议条款的纳入填补支撑,顺应环保需求。对于未来,秦傲寒表示：“在项目研究过程中我们发现,制氢系统在海洋平台上应用尚无经验可循,其经济性还有待市场来检验。因此,随着未来海上制氢平台实际工程项目的落地与应用,CCS还将继续对相关研究内容与技术要求进行验证,并持续关注相关技术的发展与应用效果。”其实,在氢燃料方面,CCS很早便已入局,且经过多年努力和积累,CCS自身的氢燃料规范体系已初见雏形。2017年,CCS发布了 船舶应用替代燃料指南,其中第2篇为氢燃料电池部分。2019年,基于氢燃料动力船的发展新趋势和新需求,CCS联合业界共同开展氢燃料动力船关键技术研发工作,并同步推动氢燃料示范船项目的设计和建造工作。2022年,中国船级社基于项目研究、设计认可以及风险评估等相关工作经验制定了船舶应用燃料电池发电装置指南,助推我国船舶应用氢能源取得新突破。