船舶减排技术的现状与发展趋势

来源:用户上传      作者:曲保智 杨溢 田宇

　　摘要：绿色供应链和船舶减排技术越来越受到全球海运业的重视。本文着重探讨了最具潜力的氢能源的发展现状 ， 总结了发动机和航线运营使用的减排技术并且提供了日本和全球最大航运公司马士基集团的减排经验和计划。长期来看，航运燃料的最佳选择是氢，但其应用在国内外均处于研究阶段。短期来看，甲醇可能是实现减排目标的最佳替代性燃料，近年来甲醇发动机减排技术有了诸多的完善和提高，且其只要求对现有发动机进行改造而非完全替换。
　　关键词：碳中和;清洁能源;减排技术
　　中图分类号：U677 文献标识码：A 文章编号：1006―7973（2022）03-0018-05
　　在2018年，国际海事组织（IMO）通过了全球温室气体减排的战略。该战略希望将2030和2050年的全球海运二氧化碳排放量分别降低到2008年的60%和30%。为了达成上述目标， IMO 主要对于以下两个方面进行了审议和制订：1.对于新造船，提高船舶能效设计指数（EEDI）以降低船舶碳排放强度;2.对于现有运营船舶，需要提升运营能和技术能效提升两个方面来实现碳减排。并且在未来 IMO 可能会推出针对现有船舶的强制性措施。因此各国海运企业正在为此投入大量的人力、物力和财力，以期能及时实现碳减排目标来规避未来可能被实行的碳税制度。在可以预见的未来，海运与环保的关系会更为紧密，全球海运企业一定会加大对于绿色供应链和船舶减排技术研发的投资。
　　1氢燃料电池在船舶上应用的前景
　　氢气是一种零碳排放的清洁替代燃料。因其产物只有水，是最理想的船用新能源之一。并且它具有来源广泛和燃烧热值高的特点。
　　1.1船用储氢技术
　　目前，国际上对于利用氢能的研究正处于快速发展期。但是氢能的储存技术，尤其是高密度储氢技术还不成熟。当前的氢气存储研发方向主要包括超高压气态储氢、液化储氢、金属氢化物储氢和液体有机化合物储氢。整体来看，技术正从低储氢密度向高储氢密度发展。现阶段我国35MPa 高压储氢瓶技术标准已十分成熟并且已经应用于陆上氢燃料电池汽车。因此对于船舶的氢能应用，首先采用35MPa 高压气瓶储氢方式是一种可行的方案。对于70MPa 级高压气瓶的应用来说，我国即将迈入商业应用阶段。国外则已成功商用。但高压储氢技术的缺点是储氢密度较低，因此船舶会面临燃料续航力不足的问题。未来船舶储氢将向能量密度更高的液化储氢方向发展，因此金属氢化物储氢、液体有机化合物储氢等其他高密度储氢技术均是潜在的船用储氢方式，也是未来船舶行业大规模应用氢能急需打破的技术瓶颈。
　　1.2船用加氢技术
　　目前车用加氢设备主要使用快速加氢枪，其技术已经非常成熟，加注时间一般不超过10分钟。对于船舶加氢来说，其加注量非常大并且持续时间远高于车辆，因此陆用加氢枪并不能满足船舶加氢的需求。船舶加氢更加需要可靠的加注连接方式和船岸之间需要紧急切断的联动功能。此外，汽车加氢时，由于氢气使用安全标准问题，驾驶员需要关闭发动机并下车才能开始加注氢气。然而船舶在码头进行燃料加注时一般不允许船舶断电，因此如何保障船舶氢燃料加注操作的安全性，也是目前急需解决的问题。
　　1.3船用燃料电池
　　目前，燃料电池主要分为以质子交换膜（PEM）为代表的低温燃料电池，以及以熔融碳酸盐和固体氧化物为代表的高温燃料电池。尽管 PEM 燃料电池技术已十分成熟，行业正在向产业化、规模化方向发展，但是高温燃料电池具有高功率、高效率、氢气纯度要求低等优势，因此其更适合在船舶上应用，是未来大型船舶应用的发展方向。总体来看，氢燃料电池车用技术标准与工程经验已经基本完善，其在船舶的应用可以借鉴部分经验，然而由于船舶营运条件与车用环境条件有很大不同并且氢燃料电池不能使用传统的内燃机推进理念，因此许多技术障碍还需要攻破。此外c车用燃料电池不同的是，车载电池本身通风环境较好，而船用燃料电池需要布置在密闭环境中，因而需要更好的防爆设计。企业不得不去改变传统车用设计，转而遵循固定式燃料电池发电系统的设计理念。
　　国际上一些国家的船用燃料电池技术研发开展得较早，早在2003年就开展了船用氢燃料电池系统研究测试项目。许多老牌技术企业在整个船舶价值链中都占有优势，尤其是在船舶大功率燃料电池系统研发及应用方面保持世界领先。
　　国内的燃料电池船舶研究起步较晚，在动力系统认证和整船方面直至近期才迎来实质性的突破。2021年1月，武汉众宇动力系列燃料电池系统获得由中国船级社颁发的中国首张船用燃料电池产品型式认可证书。随后在2月初，由大连海事大学建造的“蠡湖”号燃料电池游艇顺利通过试航，该船长度为13.9m，由大连化物所开发的70kW 氢燃料电池电堆和86kWh 的锂电池组成混合动力，设计船速18km/h，续航180km，可载乘员10人。
　　1.4我国水上氢能产业发展提速
　　当前，打造绿色供应链并完成减碳目标已成为我国推动水运行业绿色健康发展的重要动力。比如中国船舶集团设立的“绿色珠江”氢燃料电池示范船舶重大科技专项已于2019年底获得中国船级社（CCS）颁发的我国首艘氢燃料试点船舶设计方案的原理认可证书。该船将采用氢燃料电池作为船舶主动力并辅以锂电池组进行调峰补偿。并且该船舶还载有35MPa 高压氢气瓶组储存氢气燃料，续航力约为140公里。
　　2020年6月， CCS 公布了“船舶氢燃料储存及应用技术”的研究结果，这次新指南增加了对高压气瓶储氢技术在船舶上的应用的研究，同时也对氢燃料加注技术、船用氢气管路连接方式、燃料电池处所安全防护技术开展了深入分析，解决了船舶运营条件与车用环境条件的差异性问题，解决了氢能在船舶应用上的安全性问题。此外， CCS 还研究两种高密度储氢技术（液体有机化合物储氢和金属氢化物储氢）在船舶上的应用，在指南中提出了船舶储存、布置、脱氢、材料等方面的技术要求建议，为后续开展高密度储氢技术研究奠定了基础。

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