我國氫動力船舶創(chuàng)新發(fā)展研究

一、前言當前，航運業(yè)迅猛發(fā)展，柴油機動力船舶伴生的能耗與環(huán)境問題日益顯現(xiàn)，如2020年我國航運業(yè)的CO2排放量達到1.2×108

t，約占交通運輸領(lǐng)域排放量的12.6%。水路交通載運工具綠色化是水運行業(yè)的技術(shù)前沿和未來趨勢，也是航運業(yè)實現(xiàn)碳達峰、碳中和（“雙碳”）目標的重要舉措，發(fā)展綠色船舶對促進我國船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實施交通強國戰(zhàn)略具有重要意義。在近期，天然氣、甲醇等低碳燃料，蓄電池技術(shù)是降低船舶CO2排放量的過渡方案；在中長期，氫、氨等零碳燃料技術(shù)將是水路交通載運工具實現(xiàn)零排放的重要途徑。氫能作為清潔能源，通過燃料電池方式實現(xiàn)高效發(fā)電且不排放CO2，有望在水路交通運輸行業(yè)的碳減排過程中發(fā)揮積極作用。根據(jù)國際能源署發(fā)布的《中國能源體系碳中和路線圖》，航運業(yè)的碳減排主要取決于氫、氨等新型低碳技術(shù)和燃料的開發(fā)及商業(yè)化；在承諾目標情景中，2060年基于燃料電池的氫能應用模式將滿足水路交通運輸領(lǐng)域約10%的能源需求，兼顧能源高效利用、零排放、船舶舒適度提升，適應綠色船舶市場需求且應用前景廣闊。發(fā)達國家積極提出氫能源戰(zhàn)略并開展氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局，掌握了氫能和燃料電池相關(guān)的核心技術(shù)，開展了包括氫動力船舶在內(nèi)的多項示范項目，正在研制新型氫動力船舶。在我國，應對“雙碳”目標牽引，加速布局氫能的交通領(lǐng)域應用；部分企業(yè)和機構(gòu)基于國產(chǎn)化氫能和燃料電池技術(shù)進步而相繼啟動了氫動力船舶研制，但整體處于前期探索階段；后續(xù)需要細化和完善我國氫能領(lǐng)域的頂層設計，為氫動力船舶發(fā)展提供科學指引。針對于此，本文在梳理氫動力船舶發(fā)展現(xiàn)狀并研判相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局態(tài)勢的基礎(chǔ)上，重點開展技術(shù)經(jīng)濟可行性與產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析，探討提出領(lǐng)域目標任務、建設路徑，以期為我國氫動力船舶快速優(yōu)質(zhì)發(fā)展研究提供參考。二、氫動力船舶發(fā)展現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)布局研判（一）氫動力船舶發(fā)展現(xiàn)狀

1.氫動力船舶氫及氫基燃料是航運行業(yè)碳減排及脫碳的良好解決方案，其應用范圍將隨著燃料應用技術(shù)的成熟、配套設施的完善而逐步擴大。氫動力船舶通常用于湖泊、內(nèi)河、近海等場景，以客船、渡船、內(nèi)河貨船、拖輪等類型為主；海上工程船、海上滾裝船、超級游艇等大型氫動力船舶研制是當前的國際趨勢，潛艇采用氫燃料電池動力系統(tǒng)同樣具有良好前景。在現(xiàn)階段，氫燃料電池適用于多種內(nèi)河船舶，可作為小型船舶的主動力，也可作為大型船舶的輔助動力；以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）類型為主，功率等級相比傳統(tǒng)柴油機動力有較大差距。發(fā)達國家已成功研制不同類型氫動力船舶并取得示范應用效果，如德國“Alsterwasser”游船、日本燃料電池漁船、法國“EnergyObserver”游艇、美國“Water-Go-Round”渡船、韓國“GoldGreenHygen”氫動力旅游船等；后續(xù)將深化研究與應用，如挪威“UlsteinSX190”海上工程船、“Topeka”滾裝船，意大利“ZEUS”試驗船等（見圖1）。除燃料電池外，氫內(nèi)燃機也是船舶應用氫能的重要途徑，如比利時、日本研制的氫內(nèi)燃機拖船“Hydrotug”、渡船“HydroBingo”。日本企業(yè)（如川崎重工業(yè)株式會社、洋馬株式會社等）積極研制氫內(nèi)燃機，正在開發(fā)中速四沖程發(fā)動機、中高速四沖程發(fā)動機、低速二沖程發(fā)動機。圖1國內(nèi)外氫動力船舶的產(chǎn)品情況我國前期研制了“富原一號”“天翔1號”氫動力實驗船（見圖1），但船型、功率均較小。隨著陸上新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，氫能和燃料電池技術(shù)快速成熟，為我國氫動力船舶提供了良好的發(fā)展機遇。2021年下水的“蠡湖號”游艇、“仙湖1號”游船，燃料電池功率分別為70kW、30kW；正在研制中的“綠色珠江號”內(nèi)河貨船、“三峽氫舟1號”公務船，燃料電池功率達到500千瓦級。盡管如此，國內(nèi)船型與國際先進產(chǎn)品相比仍存有一定差距，同時我國氫動力船舶的系統(tǒng)集成技術(shù)尚未完全成熟。2.燃料電池系統(tǒng)目前，氫動力船舶用燃料電池的單組功率為百千瓦級，裝船使用時通常采用多組燃料電池級聯(lián)而成，如“Alsterwasser”游船配備了2組48kWPEMFC、214型潛艇配備了2組120kWPEMFC，“綠色珠江號”內(nèi)河貨船擬配備4組135kWPEMFC。兆瓦級燃料電池系統(tǒng)作為未來重點發(fā)展方向，是實現(xiàn)燃料電池在船舶上廣泛應用的基礎(chǔ)；“Topeka”滾裝船、“UlsteinSX190”海上工程船采用的燃料電池系統(tǒng)功率分別為3MW、2MW；巴拉德動力系統(tǒng)公司研制了200kW船用燃料電池模塊，最多可6組使用，即燃料電池系統(tǒng)功率可擴展至1.2MW。國產(chǎn)船用燃料電池功率等級與國外產(chǎn)品相比仍存在一定差距。2021年，武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司取得船用燃料電池產(chǎn)品型式認可證書，相應的TWZFCSZ-80燃料電池裝置額定功率為80kW，正在研制200kW船用燃料電池系統(tǒng)。船舶燃料電池系統(tǒng)通常配備一定容量的蓄電池來對燃料電池輸出功率進行“削峰填谷”，如“Alsterwasser”游船配置了201.6kW·h蓄電池，“Water-Go-Round”渡船搭載了100kW·h蓄電池，荷蘭“AQUA”概念游艇的蓄電池容量達到1.5MW·h?？筛鶕?jù)船舶功率需求，結(jié)合燃料電池和蓄電池供能特征，構(gòu)建匹配的系統(tǒng)模型以優(yōu)化蓄電池配置。3.儲氫裝置現(xiàn)有的氫動力船舶較多采用高壓氣態(tài)儲氫方式，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船、“蠡湖號”游艇等；也有少量船舶采用金屬氫化物儲氫方式，如214型潛艇、“ZEUS”試驗船等。鑒于高壓氣態(tài)儲氫方式的儲氫密度較低、液氫相關(guān)技術(shù)成熟，發(fā)達國家的大型氫動力船舶設計方案多采用低溫液態(tài)儲氫方式，如“Topeka”滾裝船、“AQUA”概念游艇等。氫動力船舶的續(xù)航里程與船載儲氫量密切相關(guān)。一般認為受制于船載儲氫技術(shù)，氫動力船舶僅適用于短距離航行，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船的設計續(xù)航時間分別為3d、2d。氫動力汽車相關(guān)的加氫技術(shù)快速成熟，為解決氫動力船舶加注問題確定了良好基礎(chǔ)。在“Alsterwasser”游船示范運營過程中，德國林德集團在搭建碼頭加氫站，為氫動力船舶提供持續(xù)的氫源供應；“UlsteinSX190”海上工程船配有可更換的儲氫模塊，通過“換罐”方式補充氫能，為氫動力船舶的燃料補給提供了新思路。在我國，船用儲氫技術(shù)目前以高壓儲氫為主，后續(xù)朝著能量密度更高的儲氫技術(shù)路線方向發(fā)展。（二）氫動力船舶產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢船舶產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的原材料及配套設施、中游的船舶總裝制造、下游的船舶服務等環(huán)節(jié)。1.上游環(huán)節(jié)船舶上游環(huán)節(jié)涉及原材料供應、零部件配套等。國外船用燃料電池技術(shù)研發(fā)活動開展較早，巴拉德動力系統(tǒng)公司、豐田汽車公司等率先推出船用動力系統(tǒng)，在包括氫氣設備開發(fā)、船體設計與建造、運營管理、氫燃料供應在內(nèi)的船舶價值鏈方面具有優(yōu)勢，尤其在船舶大功率燃料電池技術(shù)方面保持領(lǐng)先。我國企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜（PEM）性能滿足商用需求且具備批量供貨能力，形成了自研和批量制備催化劑的能力，推動了膜電極產(chǎn)品的車載批量應用。武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司自主研制的船用燃料電池系統(tǒng)、中集安瑞科控股有限公司生產(chǎn)的30MPa船用儲氫瓶組已批量出口，都反映了國內(nèi)氫能與燃料電池行業(yè)的良好發(fā)展勢頭。也要清醒認識到，我國船舶相關(guān)配套技術(shù)水平與世界先進水平仍有不小差距，部分核心配套設備依賴進口的局面有待打破。2.中游環(huán)節(jié)美國、歐盟、日本、韓國的相關(guān)航運或燃料電池企業(yè)都在積極參與氫動力船舶研發(fā)，所開展的示范應用體現(xiàn)出了良好的運營效果。從綜合指標看，我國部分船舶制造企業(yè)在規(guī)模上已進入世界大型船舶企業(yè)集團之列，但在新船型、高端船型的開發(fā)與設計方面相比世界一流水平還存在差距。我國氫動力船舶仍處于探索發(fā)展階段，已下水的“蠡湖號”“仙湖1號”船型較小，PEMFC系統(tǒng)輸出功率僅為數(shù)十千瓦；500千瓦級“綠色珠江號”“三峽氫舟1號”氫動力船舶處于研制階段，應用示范明顯滯后。3.下游環(huán)節(jié)在美國、歐盟，資源型或綜合型港口都積極參與氫能港口轉(zhuǎn)型行動，如美國長灘港、洛杉磯港開展了氫燃料電池拖車與物流車的應用試驗，西班牙瓦倫西亞港通過H2Ports試點項目來示范應用氫動力正面吊。著眼“雙碳”發(fā)展目標，我國港口正在開展氫能應用示范以推進港口綠色化建設。例如，青島港以打造“中國氫港”為目標，應用了氫動力自動化軌道吊；寧波舟山港穿山港區(qū)正在開展“風、光、儲、氫”多能源融合示范項目，以風光可再生資源發(fā)電、電解水制氫的形式為港區(qū)氫負荷（包括氫動力集卡、叉車等）提供穩(wěn)定氫源，提高能源自洽率并降低碳排放水平。（三）氫動力船舶產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略布局

1.上游環(huán)節(jié)近年來，歐盟、日本、美國、加拿大等相繼發(fā)布了氫能發(fā)展戰(zhàn)略或路線圖。我國《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035年）》明確了氫能發(fā)展的戰(zhàn)略定位?？梢钥闯觯l(fā)展氫能成為世界各國共識，而交通領(lǐng)域?qū)⒙氏乳_展氫能普及應用。在政策引導和支持下，我國氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，截至2021年年底氫燃料電池汽車保有量約為8938輛，后續(xù)有望保持快速增長勢頭。因與氫動力汽車在上游環(huán)節(jié)未有明顯分化，氫動力船舶在發(fā)展初期，可采取氫燃料電池相關(guān)的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵零部件研制仍以車用燃料電池為源頭的發(fā)展模式，而在應用過程中需及時評估兩類產(chǎn)品的差異性。同時，針對船舶功率需求，著重研制大功率燃料電池系統(tǒng)；針對船舶續(xù)航里程需求，著重研制大容量儲氫裝置。2.中游環(huán)節(jié)目前，我國多地相繼布局新能源船舶發(fā)展，包括純電池船舶、液化天然氣（LNG）船舶、氫動力船舶等類型。為了加快氫動力船舶的示范和推廣，氫動力船舶的綜合定位及其領(lǐng)域發(fā)展頂層設計有待明確和細化。傳統(tǒng)設計與制造相關(guān)企業(yè)，均可與氫能企業(yè)積極開展合作，結(jié)合自身優(yōu)勢以拓展氫動力船舶業(yè)務。例如，廣州船舶及海洋工程設計研究院與中船動力研究院有限公司、廣船國際有限公司等聯(lián)合開展了500千瓦級內(nèi)河氫燃料電池動力貨船的研制工作，已獲得中國船級社的原理認可證書。與此同時，船級社也需新增并完善氫動力船舶相關(guān)的標準和指南，為氫動力船舶優(yōu)質(zhì)發(fā)展提供關(guān)鍵支撐。3.下游環(huán)節(jié)氫動力船舶應用必然要經(jīng)歷從示范應用到擴大部署再到商業(yè)化應用的發(fā)展過程，預計2030年前的氫動力船舶應用率仍較低。目前我國水路交通相關(guān)的氫能基礎(chǔ)設施基本空白，從發(fā)展效率的角度考慮，可借助陸上氫燃料電池汽車快速發(fā)展的勢頭，統(tǒng)籌考慮陸路交通、水路交通的氫能基礎(chǔ)設施布局與規(guī)劃，適度超前開展港口、碼頭的加氫站建設布局，由此促進氫動力船舶的高效率發(fā)展。利用陸海綜合制氫加氫站平臺，結(jié)合純氫管網(wǎng)，力爭同步解決港口氫動力船舶涉及的加氫站加氫量大、占用港口土地面積、影響港口正常作業(yè)三大應用難題?；跉淠艿奈锪髋c工業(yè)能源解決方案，在解決港口物流、裝卸設備、航運應用等問題之外，宜進一步發(fā)揮潛在優(yōu)勢，提前籌劃與內(nèi)部港口岸電、近海風力發(fā)電、內(nèi)陸陸上交通體系的協(xié)同發(fā)展。三、發(fā)展氫動力船舶的技術(shù)經(jīng)濟可行性（一）氫和氨燃料制氫技術(shù)分為化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫、電解水制氫等。化石能源制氫盡管將過渡到可再生能源電解水制氫，但在一定時間內(nèi)仍占重要地位。利用可再生能源實現(xiàn)低成本、高效率制氫是未來大規(guī)模制氫的發(fā)展方向，也是各國氫能領(lǐng)域支持的重點方面。現(xiàn)階段綠氫成本依然偏高（約為32.2元/kg），其中可再生能源電力、電解槽的成本占比達到90%，因此控制綠氫成本關(guān)鍵在于降低可再生能源電價與電解槽成本。未來通過降低可再生能源發(fā)電成本、提升電解槽技術(shù)水平、以規(guī)?；瘧么龠M成本下降，我國綠氫成本有望在2030年、2040年、2050年分別降至14.7元/kg、10元/kg、8元/kg，這就為氫動力船舶的規(guī)?；瘧弥鸩教峁┝私?jīng)濟可行性。氨燃料是另一種具有應用前景的零碳燃料，還可作為儲氫載體，其能量密度較高、生產(chǎn)成本低、易于儲存和運輸、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)完善，在船舶應用方面具有優(yōu)勢。我國合成氨技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟，目前主要利用化石能源制氨，制造成本較低（約4000元/t）?！吨袊茉大w系碳中和路線圖》預測，在“雙碳”目標背景下，我國氨產(chǎn)量將由2020年的5.4×107

t增加至2060年的8×107

t，且2060年有2/3的氨燃料應用于航運行業(yè)，至少滿足水運行業(yè)40%的能源需求。可再生能源電解水制氫再合成氨的成本較高，因而降低可再生能源制氫的成本是控制綠氨生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，預計2020—2060年我國可再生能源電解水制氫再合成氨的成本將下降70%以上。（二）氫燃料電池2010年以來，氫燃料電池成本降低了約60%。根據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書（2019版）》提出的目標，燃料電池系統(tǒng)的成本將從2019年的8000元/kW下降到2025年的4000元/kW、2035年的800元/kW、2050年的300元/kW；假定船舶燃料電池系統(tǒng)的功率為500kW，則2050年單船燃料電池系統(tǒng)成本可控制在15萬元左右。隨著我國氫能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國產(chǎn)燃料電池的電堆功率、最低啟動溫度、壽命等指標均得以大幅改善，自主化程度也在不斷提升。燃料電池電堆成本約占燃料電池系統(tǒng)成本的65%，電堆成本仍有下降空間，中長期的降幅可達85%。我國企業(yè)積極布局雙極板、膜電極、空氣壓縮機、氫氣循環(huán)泵等燃料電池關(guān)鍵零部件研制，如上海捷氫科技股份有限公司生產(chǎn)的燃料電池電堆，58個核心一級零部件全部實現(xiàn)國產(chǎn)化，采用新型貴金屬涂層的金屬雙極板和優(yōu)化結(jié)構(gòu)進一步提升了燃料電池效率并降低了制造成本。2020年，燃料電池電堆的成本出現(xiàn)了明顯下降勢頭（3000~4000元/kW），甚至部分產(chǎn)品報價下降至2000元/kW。盡管如此，氫燃料電池電堆及系統(tǒng)的可靠性、耐久性是商業(yè)化應用的關(guān)鍵，仍待持續(xù)優(yōu)化提升。（三）氫內(nèi)燃機現(xiàn)有氫內(nèi)燃機的有效熱效率為35%~45%，而PEMFC系統(tǒng)的效率為50%~60%；雖然氫內(nèi)燃機的效率偏低，但功率可以達到高值（目前可達到兆瓦級），已用于拖船和渡船。在成本方面，氫內(nèi)燃機明顯低于PEMFC系統(tǒng)，以100kW發(fā)電裝置為例，基于當前技術(shù)的氫內(nèi)燃機成本僅為PEMFC系統(tǒng)的50%?？梢灶A判，隨著船舶儲氫技術(shù)的發(fā)展、氫能基礎(chǔ)設施的完善，氫內(nèi)燃機在船舶上可取得廣泛應用。（四）基礎(chǔ)設施在我國，現(xiàn)有加氫技術(shù)與基礎(chǔ)設施以車輛應用為主，而船舶應用基本空白；主流的加氫站規(guī)模為500kg/d、1000kg/d，對應的建設成本分別為1200~1500萬元、2000~2500萬元（不考慮土地成本），其中設備、土建成本占比超過70%。氫氣壓縮機、儲氫罐（分為高壓儲氫罐和液氫儲罐）、加氫機是加氫站的核心裝備。在氫氣壓縮機方面，隔膜式壓縮機、液驅(qū)式壓縮機已實現(xiàn)國產(chǎn)化，未來有望逐步占據(jù)國內(nèi)市場，而離子式壓縮機需進一步研制。加氫站儲氫裝置已具備一定的自主化基礎(chǔ)，如中集安瑞科控股有限公司生產(chǎn)的45MPa大容積無縫鋼制儲氫氣瓶已實現(xiàn)出口，300m3大型液氫儲罐完成了方案設計和小批量生產(chǎn)。35MPa規(guī)格的加氫機基本實現(xiàn)國產(chǎn)，但加氫槍、流量計、閥件等核心零部件依賴進口；國內(nèi)企業(yè)已掌握70MPa加氫技術(shù)，但相關(guān)應用落后于國外。在氫動力船舶發(fā)展初期，宜借助氫動力汽車的良好發(fā)展勢頭，積累基礎(chǔ)設施相關(guān)技術(shù)；逐步開展船舶領(lǐng)域的氫能應用，以技術(shù)改進與裝備更新的方式匹配氫動力船舶的專有應用需求。（五）船舶總擁有成本船舶總擁有成本（TCO）包括建造成本、運營成本：前者分為主動力系統(tǒng)成本、輔助動力成本、燃料儲罐成本、船身及其他零部件成本等，后者涵蓋燃料成本、維修成本、箱位損失、人員工資、保修費等。由于氫動力船舶仍處于研制與小規(guī)模應用階段，相關(guān)的TCO分析依然不夠充分。針對15000TEU氨氫動力集裝箱船開展的TCO分析表明，假定配備1臺51MW氨發(fā)動機作為主動力，2臺4MW、2臺2MW氫燃料電池系統(tǒng)作為輔助動力，則TCO約是同等條件下傳統(tǒng)燃料船舶的2倍；燃料成本是影響氨氫動力船舶經(jīng)濟性能的重要參數(shù)。四、氫動力船舶產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析（一）高效低碳的氫氣制取技術(shù)當前，氫氣主要利用化石能源來獲得，約占世界氫氣生產(chǎn)量的95%，生產(chǎn)過程排放CO2；利用可再生能源獲得的電能來進行電網(wǎng)規(guī)模級別的電解水制氫，生產(chǎn)過程屬于零碳排放，但所占比例僅約4%~5%。碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)可應用于傳統(tǒng)的化石能源制氫過程以降低碳排放量，但考慮現(xiàn)有技術(shù)和基礎(chǔ)設施的成熟度，預計2030年前基于CCUS技術(shù)的化石能源制氫難有明顯突破。因此，基于可再生能源的電解水制氫是未來氫氣制取的發(fā)展趨勢。電解水制氫分為堿水電解、PEM水電解、固體氧化物水電解。堿水電解、PEM水電解被認為是當前可實際應用的技術(shù)：前者在我國已經(jīng)工業(yè)化，國產(chǎn)設備的生產(chǎn)率達到1000Nm3/h；后者正處于從研發(fā)走向工業(yè)化的前期階段。近年來，我國電解水制氫設備的裝機容量顯著提升，2020年裝機容量為18MW，約占世界增量的1/4。在“雙碳”目標背景下，隨著技術(shù)提升和配套制造業(yè)的完善，2030年、2060年我國電解水制氫設備裝機容量將分別達到25GW、750GW，分別占世界總量的15%、40%。（二）大規(guī)模低成本的氫氣運輸技術(shù)可實現(xiàn)規(guī)?；\輸氫氣的方式主要有高壓氣氫長管拖車、低溫液氫槽車、氫氣管道。高壓氣氫長管拖車方式技術(shù)成熟，適用于運輸距離較近、輸送量較低、氫氣日用量為噸級的用戶，與當前的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模相適應。國內(nèi)長管拖車氫氣瓶的工作壓力多為20MPa，TT11-2140-H2-20-I型集裝箱束箱每次可充裝氫氣約347kg。高壓氣氫長管拖車適用于200km以內(nèi)的運輸，200km距離的運輸成本約為7.72~8.82元/kg。低溫液氫槽車的運氫能力強（是高壓氣氫長管拖車的10倍以上），在200km以上距離的運輸成本僅為高壓氣氫長管拖車的1/5~1/8，但氫氣液化能耗較高，如20MPa高壓氣氫的壓縮成本約為2元/kg，而大型氫氣液化裝置的液化成本約為12.5元/kg。此外，氫氣液化裝備的初始投資成本不容忽視。在解決相關(guān)成本和效率問題后，液氫罐車在中遠距離的輸氫領(lǐng)域?qū)⒂辛己玫膽们熬?。近期，液氫海運船受到廣泛關(guān)注，有可能成為新興的液氫運輸方式，如日本“SuisoFrotier”液氫運輸船?；跉鈶B(tài)氫的管道運輸分為兩類：純氫的管道運輸、天然氣摻氫的管道運輸。管道運輸適用于大規(guī)模、長距離的氫氣運輸，但前期投資較大。當氫氣儲運設施尚不完善時，將氫氣摻入天然氣中并利用天然氣管道進行運輸，是一種兼顧技術(shù)與成本的大規(guī)模運氫方式（當摻氫天然氣的含氫量約為15%時，僅需對原有管道進行適當改造即可），主要涉及天然氣運輸管道與氫氣的相容性、氫氣泄漏與檢測、終端氫氣分離等。隨著氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大、應用需求的增加，具有運輸規(guī)模優(yōu)勢的管道輸氫將成為優(yōu)選方式。（三）船舶大容量儲氫技術(shù)儲氫技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出“低儲氫密度—高儲氫密度”的趨勢。高密度儲氫技術(shù)仍不成熟，技術(shù)路線仍在進行多方案探索，包括超高壓氣態(tài)儲氫、液化儲氫、金屬氫化物儲氫、液態(tài)有機物儲氫等。高壓儲氫是當前船舶適用的方式，儲氫瓶有35MPa、70MPa兩種規(guī)格，對應的體積儲氫密度分別為25g/L、41g/L。國外的70MPa高壓儲氫技術(shù)基本成熟并實現(xiàn)商業(yè)化，如豐田Mirai氫燃料電池汽車即采用70MPa儲氫瓶。我國的35MPa高壓儲氫瓶技術(shù)標準成熟，國產(chǎn)氫燃料電池汽車較多采用；正在研發(fā)70MPa高壓氣瓶，已接近商業(yè)應用階段。因此，我國氫動力船舶，如“綠色珠江號”內(nèi)河貨船先期采用了35MPa高壓氣瓶儲氫方式，待技術(shù)條件成熟后再轉(zhuǎn)向更高規(guī)格。液氫的密度為70.8g/L，在儲存密度上較高壓儲氫有明顯優(yōu)勢；隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，低溫液態(tài)儲氫將逐步擴大民用范圍，有望成為未來的主流儲氫方式?？紤]到現(xiàn)有高壓儲氫技術(shù)的儲存密度較低，無法滿足未來船舶續(xù)航力的要求，船舶儲氫將朝著能量密度更高的方向發(fā)展，如“Topeka”滾裝船、“AQUA”概念游艇計劃采用低溫液態(tài)儲氫方式。金屬氫化物儲氫方式具有儲氫體積密度大、壓力低、安全性高等優(yōu)點，在潛艇上具有良好應用前景，推廣應用過程需著力解決成本、吸脫氫溫度、反應速率等問題。理論上氨的儲氫密度約為17.6%，液氨的體積儲氫密度是液氫的1.5倍，加之氨的液化、儲存、運輸技術(shù)成熟，使得以氨為載體的儲氫方式成為極具潛力的大容量儲氫解決方案。氨的裂化分解是以氨為載體的儲氫系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)低壓、低溫、高活性、低成本的催化劑是后續(xù)研究重點。甲醇具有較高的儲氫密度且自身含氫量達12.5%，可作為綠氫的載體來實現(xiàn)高效儲存和運輸，當距離大于200km時較直接運氫具有經(jīng)濟優(yōu)勢?？紤]到甲醇制氫會產(chǎn)生CO，需配備氫氣純化裝置以避免PEMFC催化劑中毒。（四）快速安全加氫技術(shù)現(xiàn)有的氫動力船舶儲氫方式多樣，相應的加氫方式和耗時不盡相同。在“Alsterwasser”游船示范項目中，林德集團在碼頭建立加氫站為該船提供穩(wěn)定氫源，船上最多可存儲50kg氫氣，單次加氫過程耗時約為12min；德國212A型潛艇采用基于金屬氫化物儲氫方式，完成80%、100%加氫量分別耗時10h、25h。鑒于陸上車用高壓氣態(tài)儲氫及加氫技術(shù)相對成熟，在氫動力船舶發(fā)展初期采用車用方案是可行的發(fā)展模式。與車用加氫相比，船舶加氫具有加注量大，持續(xù)時間長的特點，加注設備應采用更加可靠的加注連接方式，同時應具有船岸之間緊急切斷的聯(lián)動功能以滿足緊急脫開需要。船舶在碼頭進行燃料加注時一般不允許船舶斷電，因而既保證加氫時燃料電池系統(tǒng)正常工作（供電）以及裝卸貨等同步操作（SIMOPs）的需要，又保障氫燃料加注操作的安全性，是亟需解決的問題。（五）船舶大功率燃料電池技術(shù)船用燃料電池技術(shù)表現(xiàn)為“小功率—大功率”的發(fā)展趨勢。燃料電池主要分為以PEMFC為代表的低溫燃料電池，以熔融碳酸鹽（MCFC）和固體氧化物（SOFC）為代表的高溫燃料電池：前者技術(shù)成熟，正在進行產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展，力求實現(xiàn)價格更低、壽命更長、功率更高；后者因其功率高、效率高、氫氣純度要求低等技術(shù)優(yōu)勢，更適合船舶應用，也是未來大型船舶的發(fā)展方向。船舶功率需求與船型、操作工況相關(guān)，不同船型的需求功率如表1所示。PEMFC系統(tǒng)可作為小型船舶的主動力或大型船舶的輔助動力。在現(xiàn)有的氫動力船舶示范項目中，PEMFC系統(tǒng)輸出功率基本為百千瓦級。為了拓寬氫動力船舶的適用場景，未來PEMFC系統(tǒng)的輸出功率應提高至兆瓦級，這是船舶燃料電池亟需攻克的關(guān)鍵技術(shù)。表1船舶需求功率情況

（六）船舶氫內(nèi)燃機技術(shù)

氫氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、放熱集中，因而氫?nèi)燃機相對傳統(tǒng)內(nèi)燃機具有更高的熱效率。普通內(nèi)燃機熱效率約為30%~40%，而德國企業(yè)研制的氫內(nèi)燃機驗證機熱效率最高達到42%，我國正在研發(fā)的氫內(nèi)燃機熱效率有望達到44%。也要注意到，氫內(nèi)燃機雖然具有輸出功率高、熱效率高、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，但存在爆燃、早燃、回火等技術(shù)難題，也會產(chǎn)生NO，因而提升動力系統(tǒng)性能、降低NO排放是后續(xù)氫內(nèi)燃機研究亟待攻關(guān)的方面。氫內(nèi)燃機相比PEMFC系統(tǒng)具有輸出功率優(yōu)勢，待攻克相關(guān)技術(shù)難題后，將在船舶領(lǐng)域獲得廣闊應用。2017年，比利時海事集團推出了世界首制柴氫雙燃料客船，搭載的Behydro發(fā)動機輸出功率為1000~2670kW。目前我國的氫內(nèi)燃機技術(shù)集中在汽車領(lǐng)域而尚未開展船舶應用研究，相較國際先進水平還存在較大差距。（七）船舶多能源協(xié)同控制技術(shù)常規(guī)船舶采用船舶柴油機并以燃用輕/重柴油為主，部分采用柴油發(fā)電機的電力推進系統(tǒng)用能形式，能源結(jié)構(gòu)相對單一。船舶供能形式的多樣化是未來發(fā)展趨勢，如“EnergyObserver”游艇搭載了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、鋰電池系統(tǒng)、海水淡化系統(tǒng)、PEM電解水制氫系統(tǒng)、PEMFC系統(tǒng)等；在日本郵輪超級環(huán)保船（NYKSuperEco-ship）設計方案中，動力系統(tǒng)將采用LNG燃料電池、太陽能電池、風力助推等。在船舶能源供給趨于多樣化的形勢下，多種供能系統(tǒng)之間的協(xié)同控制技術(shù)日益顯現(xiàn)出重要性。未來氫動力船舶的動力系統(tǒng)涉及燃料電池、蓄電池（或超級電容）、變流裝置、推進電機等設備，這就需要利用多能源協(xié)同控制技術(shù)來進行各類設備之間的優(yōu)化匹配與協(xié)同控制，保障動力系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟性。（八）船舶氫應用安全技術(shù)船舶航行環(huán)境復雜，易受氣象、水文、航道等因素的影響；船舶系統(tǒng)相對孤立，若發(fā)生安全事故，人員不易迅速逃離而需等待救援。因此，船舶需要有較高的安全性。在氫能源及燃料電池的推廣應用過程中，需將與燃料相關(guān)的火災、爆炸等風險發(fā)生概率及后果限制在極低水平，確保相關(guān)裝置擁有與基于化石燃料的常規(guī)主機/輔機具有同等安全水平?，F(xiàn)有氫動力船舶相關(guān)的安全規(guī)范及應急措施有待進一步完善。氫應用安全技術(shù)是氫動力船舶安全運行的基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法預測船舶氫氣泄漏擴散及其風險演變規(guī)律，是制定相關(guān)風險應對措施的有效途徑。

（九）氫動力船舶標準及規(guī)范在陸上領(lǐng)域，氫能及燃料電池技術(shù)標準基本成熟，我國發(fā)布的相關(guān)技術(shù)標準多達91項。然而氫動力船舶標準及規(guī)范尚不成熟，相關(guān)燃料電池系統(tǒng)以及儲氫、加氫系統(tǒng)主要沿用陸上標準。國際海事組織正在開展《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》關(guān)于納入船舶應用燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)要求編制工作，但并不包含燃料存儲、供應系統(tǒng)。氫動力船舶技術(shù)標準環(huán)節(jié)存在的問題在于：規(guī)范法規(guī)缺項、操作規(guī)范缺項、安全研究不足。例如，船用氫氣加注標準（包括液氫加注和金屬氫化物的船舶加氫技術(shù)）、70MPa儲氫瓶上船標準、船舶重整制氫標準等均處于缺失狀態(tài)。面向氫動力船舶快速發(fā)展需求，相關(guān)船舶標準及規(guī)范需要盡快進行補充完善：①船用燃料電池動力系統(tǒng)專項研究驗證，船舶功率需求較大，對燃料電池單體的一致性、電池管理系統(tǒng)、散熱等要求高于車用系統(tǒng)；②氫燃料電池動力船舶設計方案風險評估分析與船用燃料電池及其處所安全防護專項研究驗證，高鹽霧腐蝕和潮濕的海上環(huán)境、船舶振動等因素可能降低系統(tǒng)的可靠性和耐久性；③船舶氫燃料加注方式、安全操作規(guī)程及監(jiān)管方式研究，我國港口或錨地尚無船用氫燃料加注設施，相關(guān)技術(shù)與規(guī)范需深入研究；④船用儲氫系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)專項研究驗證，及時制定并持續(xù)完善氫燃料電池動力船舶的技術(shù)標準體系。五、我國氫動力船舶的發(fā)展目標與建設路徑（一）我國氫動力船舶的發(fā)展目標應對“雙碳”發(fā)展目標，我國乃至全世界在航運業(yè)碳減排問題上都面臨著巨大壓力。發(fā)展氫動力船舶，全面牽引水路交通領(lǐng)域從氫能基礎(chǔ)設施到終端應用的建設，革新水路交通運輸裝備的用能構(gòu)成，支持實現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型。圍繞交通強國等行動綱領(lǐng)，推動傳統(tǒng)船舶制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級，催生新型船舶設計與研究單位及產(chǎn)業(yè)鏈配套企業(yè)，引領(lǐng)船舶制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。實施大功率燃料電池、大容量儲氫、快速加氫、多能源協(xié)同控制、氫利用安全等核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，制定氫動力船舶標準及規(guī)范，完善氫能配套設施，推動多類型氫動力船舶的示范應用。至2025年為技術(shù)積累階段。借助燃料電池汽車技術(shù)進展，重點突破船用氫燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)，制定氫動力船舶標準及規(guī)范；完成氫動力船舶裝備研發(fā)，在內(nèi)河/湖泊等場景實現(xiàn)氫動力船舶示范應用。2025—2030年為完善產(chǎn)業(yè)階段。構(gòu)建氫動力船舶設計、制造、調(diào)試、測試、功能驗證、性能評估體系，建立配套的氫氣“制儲運”基礎(chǔ)設施；擴大內(nèi)河/湖泊等場景的氫動力船舶示范應用規(guī)模，完善水路交通相關(guān)基礎(chǔ)設施。2030—2035年為提升質(zhì)量階段。降低燃料電池和氫氣成本，提高船用氫燃料電池系統(tǒng)壽命、轉(zhuǎn)化效率和船上儲氫量，研發(fā)高溫燃料電池和余熱利用技術(shù)；構(gòu)建完備的水路交通載運裝備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系，在近海場景實現(xiàn)氫動力船舶應用示范。2035—2060年為推廣應用階段。優(yōu)化氫動力船舶的綜合性能，推廣本土商業(yè)化應用；與綠氨、碳中和LNG/甲醇等動力形式船舶協(xié)同，完成我國水路交通運輸裝備領(lǐng)域碳中和目標；在國際航線上開展氫動力船舶應用示范，提升我國氫動力船舶產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。

（二）我國氫動力船舶的建設路徑

1.面向碳中和的氫動力船舶總體路線圖LNG船舶應用前景良好，將是近期船舶清潔用能的主要形式。蓄電池技術(shù)是現(xiàn)階段盡快實現(xiàn)內(nèi)河及近海船舶零排放的解決方案，但能量密度有限，主要在短程、小型船舶上有應用空間，而在中短途運輸領(lǐng)域未有廣泛應用。氫燃料是實現(xiàn)船舶零排放的重點發(fā)展方向，近期將在內(nèi)河及近海船上開展應用研究。在制氫方面，目前化石能源制氫是主要方式，未來占比將逐步下降，可在CCUS技術(shù)成熟后引入以進一步降低碳排放；可再生能源制氫是未來主要的制氫途徑。在儲氫方面，為滿足國際遠洋航行船舶的續(xù)航要求，需進一步發(fā)展包括液氫儲氫在內(nèi)的高效儲氫技術(shù)，甲醇重整制氫、氨分解制氫等現(xiàn)場制氫技術(shù)。氫的最佳應用載體是燃料電池，PEMFC受限于功率等級較低以及氫氣純度要求高，將主要應用于內(nèi)河及近海船舶，未來繼續(xù)發(fā)展高溫PEMFC。高溫燃料電池（如SOFC）可使用富氫液體燃料而不再依賴純氫，采用余熱利用技術(shù)可進一步提升系統(tǒng)效率，功率等級有望達到兆瓦級，在遠期是適用于遠洋船舶的技術(shù)路線。氫內(nèi)燃機是另一種氫能動力系統(tǒng)，隨著船載儲氫技術(shù)發(fā)展表現(xiàn)出良好的應用前景，將在水路交通“雙碳”目標實現(xiàn)過程中發(fā)揮重要作用。氫動力船舶發(fā)展路徑與氫燃料電池、氫內(nèi)燃機、儲氫等技術(shù)以及氫能基礎(chǔ)設施緊密相關(guān)，按照先內(nèi)河/內(nèi)湖、再近海、最后遠洋的路線分步實施（見表2）：湖泊區(qū)域的游船/渡船等，可采用氫燃料電池動力系統(tǒng)；內(nèi)河干線小型船舶（8000t以下）可采用氫燃料電池動力系統(tǒng)，內(nèi)河干線大型船舶（8000t以上）可采用基于氫、氨、甲醇等燃料的內(nèi)燃機系統(tǒng)；近海、遠洋船舶可采用混合動力系統(tǒng)。表2氫動力船舶發(fā)展進度

2.氫燃料供應體系建設路徑在近期，化石能源制氫仍占據(jù)主導地位，主要分為煤制氫、天然氣制氫、化工副產(chǎn)品制氫。煤制氫具有成熟可靠、生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢，就生產(chǎn)潛力而言完全可以滿足氫能發(fā)展需要；在更強調(diào)清潔低碳的背景下，CCUS技術(shù)應用會對煤制氫路線產(chǎn)生重要影響。在中期