氢能应用：内河氢动力船舶迎来发展新机遇

文章来源：隆众资讯1988；全球氢能；《中国工程科学》2022年第24卷第3期《我国氢动力船舶创新发展研究》，作者童亮、袁裕鹏 、李骁 、严新平，有删减

2022年是国内氢能船舶起跑之年，打破了此前仅处于喊口号的状态，国内氢燃料电池车已经在多个省市进行了成熟的示范运营，燃料电池技术也不断突破，且车和船舶燃料电池的同步发展，具有产业协同效应，现阶段发展氢能船舶时机已经基本成熟。

政策支持推动着产业发展。今年9月28日，工业和信息化部、发展改革委、财政部、生态环境部、交通运输部联合发布《关于加快内河船舶绿色智能发展的实施意见》。文件制定了以2025年和2030年为节点的内河船舶发展目标，全面推动绿色燃料船舶的发展，建立初步的产业体系，而其中氢燃料凭借其清洁、易获取等特点，在绿色船舶的推广中独具优势。

从氢能船舶的标准法规发展情况来看，国内已经启动7个氢能船舶专项验证工作，再加上《氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则》和《船舶应用燃料电池发电装置指南》等文件，初步形成了体系性的标准。

当前，国内已经初步具备燃料电池船舶的概念评估、图纸审核、产品检验和船舶检验能力，目前已经有三款船用燃料电池系统和一款船用储氢系统取得认证，为氢能在船舶领域的应用打下了坚实的基础。

此外，今年国内在氢能船舶的示范项目也取得了新的进展，例如今年5月份，国内首艘氢燃料电池动力工作船“三峡氢舟1号”进入建造阶段，计划2023年建造完工，2024年投入使用，主要用于三峡库区及两坝之间的交通、巡查等工作；8月份，国内首个内河氢燃料电池动力船舶及加氢一体站开建，计划2024年建造完成。

不过氢能船舶发展依然存在部分问题，一是在燃料电池技术发展初期阶段，氢能船舶的成本依旧过高，目前船用燃料电池系统的成本比车用燃料电池系统高一倍，不过按照目前的发展预测，2030年车用燃料电池系统成本低于500元/KW的目标下，船用燃料电池系统的成本对比传统船用动力也能具备成本优势。第二个难点是加氢问题，船舶加氢没有可依的标准，并且在码头船舶加氢，船舶涉及到一个水位落差和倾斜摇摆的问题，简单地用车用加氢方案是没有办法完成的，仍需要做一些突破和创新。

针对氢能船舶发展这个话题，近期，《中国工程院院刊》上发表的《我国氢动力船舶创新发展研究》一文对氢动力船舶发展现状与产业布局作出研判，同时也对氢动力船舶产业技术经济可行性作出具体分析。

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 一、氢动力船舶发展现状与产业布局研判

（一）氢动力船舶发展现状

1. 氢动力船舶

在现阶段，氢燃料电池适用于多种内河船舶，可作为小型船舶的主动力，也可作为大型船舶的辅助动力；以质子交换膜燃料电池（PEMFC）类型为主，功率等级相比传统柴油机动力有较大差距。发达国家已成功研制不同类型氢动力船舶并取得示范应用效果，如德国“Alsterwasser”游船、日本燃料电池渔船、法国“Energy Observer”游艇、美国“Water-Go-Round”渡船、韩国“Gold Green Hygen”氢动力旅游船等；后续将深化研究与应用，如挪威“Ulstein SX190”海上工程船、“Topeka”滚装船，意大利“ZEUS”试验船等（见图1）。除燃料电池外，氢内燃机也是船舶应用氢能的重要途径，如比利时、日本研制的氢内燃机拖船“Hydrotug”、渡船“Hydro Bingo”。日本企业（如川崎重工业株式会社、洋马株式会社等）积极研制氢内燃机，正在开发中速四冲程发动机、中高速四冲程发动机、低速二冲程发动机。

图1 国内外氢动力船舶的产品情况

我国前期研制了“富原一号”“天翔1号”氢动力实验船（见图1），但船型、功率均较小。随着陆上新能源汽车产业的蓬勃发展，氢能和燃料电池技术快速成熟，为我国氢动力船舶提供了良好的发展机遇。2021年下水的“蠡湖号”游艇、“仙湖1号”游船，燃料电池功率分别为70 kW、30 kW；正在研制中的“绿色珠江号”内河货船、“三峡氢舟1号”公务船，燃料电池功率达到500千瓦级。尽管如此，国内船型与国际先进产品相比仍存有一定差距，同时我国氢动力船舶的系统集成技术尚未完全成熟。

2. 燃料电池系统

目前，氢动力船舶用燃料电池的单组功率为百千瓦级，装船使用时通常采用多组燃料电池级联而成，如“Alsterwasser”游船配备了2组48 kW PEMFC、214型潜艇配备了2组120 kW PEMFC，“绿色珠江号”内河货船拟配备4组135 kW PEMFC。兆瓦级燃料电池系统作为未来重点发展方向，是实现燃料电池在船舶上广泛应用的基础；“Topeka”滚装船、“Ulstein SX190”海上工程船采用的燃料电池系统功率分别为3 MW、2 MW；巴拉德动力系统公司研制了200 kW船用燃料电池模块，最多可6组使用，即燃料电池系统功率可扩展至1.2 MW。国产船用燃料电池功率等级与国外产品相比仍存在一定差距。2021年，武汉众宇动力系统科技有限公司取得船用燃料电池产品型式认可证书，相应的TWZFCSZ-80燃料电池装置额定功率为80 kW，正在研制200 kW船用燃料电池系统。

船舶燃料电池系统通常配备一定容量的蓄电池来对燃料电池输出功率进行“削峰填谷”，如“Alsterwasser”游船配置了201.6 kW·h蓄电池，“Water-Go-Round”渡船搭载了100 kW·h蓄电池，荷兰“AQUA”概念游艇的蓄电池容量达到1.5 MW·h。可根据船舶功率需求，结合燃料电池和蓄电池供能特征，构建匹配的系统模型以优化蓄电池配置。

3. 储氢装置

现有的氢动力船舶较多采用高压气态储氢方式，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船、“蠡湖号”游艇等；也有少量船舶采用金属氢化物储氢方式，如214型潜艇、“ZEUS”试验船等。鉴于高压气态储氢方式的储氢密度较低、液氢相关技术成熟，发达国家的大型氢动力船舶设计方案多采用低温液态储氢方式，如“Topeka”滚装船、“AQUA”概念游艇等。氢动力船舶的续航里程与船载储氢量密切相关。一般认为受制于船载储氢技术，氢动力船舶仅适用于短距离航行，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船的设计续航时间分别为3d、2d。

氢动力汽车相关的加氢技术快速成熟，为解决氢动力船舶加注问题确定了良好基础。在“Alsterwasser”游船示范运营过程中，德国林德集团在搭建码头加氢站，为氢动力船舶提供持续的氢源供应；“Ulstein SX190”海上工程船配有可更换的储氢模块，通过“换罐”方式补充氢能，为氢动力船舶的燃料补给提供了新思路。在我国，船用储氢技术目前以高压储氢为主，后续朝着能量密度更高的储氢技术路线方向发展。

（二）氢动力船舶产业链发展态势

船舶产业链包括上游的原材料及配套设施、中游的船舶总装制造、下游的船舶服务等环节。

1. 上游环节

船舶上游环节涉及原材料供应、零部件配套等。国外船用燃料电池技术研发活动开展较早，巴拉德动力系统公司、丰田汽车公司等率先推出船用动力系统，在包括氢气设备开发、船体设计与建造、运营管理、氢燃料供应在内的船舶价值链方面具有优势，尤其在船舶大功率燃料电池技术方面保持领先。

我国企业生产的质子交换膜（PEM）性能满足商用需求且具备批量供货能力，形成了自研和批量制备催化剂的能力，推动了膜电极产品的车载批量应用。武汉众宇动力系统科技有限公司自主研制的船用燃料电池系统、中集安瑞科控股有限公司生产的30 MPa船用储氢瓶组已批量出口，都反映了国内氢能与燃料电池行业的良好发展势头。也要清醒认识到，我国船舶相关配套技术水平与世界先进水平仍有不小差距，部分核心配套设备依赖进口的局面有待打破。

2. 中游环节

美国、欧盟、日本、韩国的相关航运或燃料电池企业都在积极参与氢动力船舶研发，所开展的示范应用体现出了良好的运营效果。

从综合指标看，我国部分船舶制造企业在规模上已进入世界大型船舶企业集团之列，但在新船型、高端船型的开发与设计方面相比世界一流水平还存在差距。我国氢动力船舶仍处于探索发展阶段，已下水的“蠡湖号”“仙湖1号”船型较小，PEMFC系统输出功率仅为数十千瓦；500千瓦级“绿色珠江号”“三峡氢舟1号”氢动力船舶处于研制阶段，应用示范明显滞后。

3. 下游环节

在美国、欧盟，资源型或综合型港口都积极参与氢能港口转型行动，如美国长滩港、洛杉矶港开展了氢燃料电池拖车与物流车的应用试验，西班牙瓦伦西亚港通过H2Ports试点项目来示范应用氢动力正面吊。

着眼“双碳”发展目标，我国港口正在开展氢能应用示范以推进港口绿色化建设。例如，青岛港以打造“中国氢港”为目标，应用了氢动力自动化轨道吊；宁波舟山港穿山港区正在开展“风、光、储、氢”多能源融合示范项目，以风光可再生资源发电、电解水制氢的形式为港区氢负荷（包括氢动力集卡、叉车等）提供稳定氢源，提高能源自洽率并降低碳排放水平。

二、发展氢动力船舶的技术经济可行性

（一）氢和氨燃料

制氢技术分为化石能源制氢、工业副产制氢、电解水制氢等。化石能源制氢尽管将过渡到可再生能源电解水制氢，但在一定时间内仍占重要地位。利用可再生能源实现低成本、高效率制氢是未来大规模制氢的发展方向，也是各国氢能领域支持的重点方面。现阶段绿氢成本依然偏高（约为32.2元/kg），其中可再生能源电力、电解槽的成本占比达到90%，因此控制绿氢成本关键在于降低可再生能源电价与电解槽成本。未来通过降低可再生能源发电成本、提升电解槽技术水平、以规模化应用促进成本下降，我国绿氢成本有望在2030年、2040年、2050年分别降至14.7元/kg、10元/kg、8元/kg，这就为氢动力船舶的规模化应用逐步提供了经济可行性。

氨燃料是另一种具有应用前景的零碳燃料，还可作为储氢载体，其能量密度较高、生产成本低、易于储存和运输、产业基础完善，在船舶应用方面具有优势。我国合成氨技术和产业成熟，目前主要利用化石能源制氨，制造成本较低（约4000元/t）。《中国能源体系碳中和路线图》预测，在“双碳”目标背景下，我国氨产量将由2020年的5.4×107 t增加至2060年的8×107 t，且2060年有2/3的氨燃料应用于航运行业，至少满足水运行业40%的能源需求。可再生能源电解水制氢再合成氨的成本较高，因而降低可再生能源制氢的成本是控制绿氨生产成本的关键，预计2020—2060年我国可再生能源电解水制氢再合成氨的成本将下降70%以上。

（二）氢燃料电池

2010年以来，氢燃料电池成本降低了约60%。根据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019版）》提出的目标，燃料电池系统的成本将从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；假定船舶燃料电池系统的功率为500 kW，则2050年单船燃料电池系统成本可控制在15万元左右。

随着我国氢能产业的蓬勃发展，国产燃料电池的电堆功率、最低启动温度、寿命等指标均得以大幅改善，自主化程度也在不断提升。燃料电池电堆成本约占燃料电池系统成本的65%，电堆成本仍有下降空间，中长期的降幅可达85%。我国企业积极布局双极板、膜电极、空气压缩机、氢气循环泵等燃料电池关键零部件研制，如上海捷氢科技股份有限公司生产的燃料电池电堆，58个核心一级零部件全部实现国产化，采用新型贵金属涂层的金属双极板和优化结构进一步提升了燃料电池效率并降低了制造成本。2020年，燃料电池电堆的成本出现了明显下降势头（3000~4000元/kW），甚至部分产品报价下降至2000元/kW。尽管如此，氢燃料电池电堆及系统的可靠性、耐久性是商业化应用的关键，仍待持续优化提升。

（三）氢内燃机

现有氢内燃机的有效热效率为35%~45%，而PEMFC系统的效率为50%~60%；虽然氢内燃机的效率偏低，但功率可以达到高值（目前可达到兆瓦级），已用于拖船和渡船。在成本方面，氢内燃机明显低于PEMFC系统，以100 kW发电装置为例，基于当前技术的氢内燃机成本仅为PEMFC系统的50% 。可以预判，随着船舶储氢技术的发展、氢能基础设施的完善，氢内燃机在船舶上可取得广泛应用。

（四）基础设施

在我国，现有加氢技术与基础设施以车辆应用为主，而船舶应用基本空白；主流的加氢站规模为500 kg/d、1000 kg/d，对应的建设成本分别为1200~1500万元、2000~2500万元（不考虑土地成本），其中设备、土建成本占比超过70%。氢气压缩机、储氢罐（分为高压储氢罐和液氢储罐）、加氢机是加氢站的核心装备。在氢气压缩机方面，隔膜式压缩机、液驱式压缩机已实现国产化，未来有望逐步占据国内市场，而离子式压缩机需进一步研制。加氢站储氢装置已具备一定的自主化基础，如中集安瑞科控股有限公司生产的45 MPa大容积无缝钢制储氢气瓶已实现出口，300 m3大型液氢储罐完成了方案设计和小批量生产。35 MPa规格的加氢机基本实现国产，但加氢枪、流量计、阀件等核心零部件依赖进口；国内企业已掌握70 MPa加氢技术，但相关应用落后于国外。

在氢动力船舶发展初期，宜借助氢动力汽车的良好发展势头，积累基础设施相关技术；逐步开展船舶领域的氢能应用，以技术改进与装备更新的方式匹配氢动力船舶的专有应用需求。

（五）船舶总拥有成本

船舶总拥有成本（TCO）包括建造成本、运营成本：前者分为主动力系统成本、辅助动力成本、燃料储罐成本、船身及其他零部件成本等，后者涵盖燃料成本、维修成本、箱位损失、人员工资、保修费等。由于氢动力船舶仍处于研制与小规模应用阶段，相关的TCO分析依然不够充分。针对15 000 TEU氨氢动力集装箱船开展的TCO分析表明，假定配备1台51 MW氨发动机作为主动力，2台4 MW、2台2 MW氢燃料电池系统作为辅助动力，则TCO约是同等条件下传统燃料船舶的2倍；燃料成本是影响氨氢动力船舶经济性能的重要参数。

总而言之，今年，内河氢船迎来新的发展机遇。此前，国际海事组织（IMO）发布过碳减排目标，到2030年，全球海运领域二氧化碳排放平均排放量与2008年相比至少降低40%，2050年降低70%，而我国船舶工业是国家支柱产业，2021年，国内船舶工业GDP超过5000亿人民币，尾气排放量超过220万吨，是碳排放较大领域，因此推动绿色燃料船舶的发展较为紧迫。另外，船舶动力系统的造价占船舶设备的35%，占全船总造价的25%，由此可见，与汽车领域类似，氢能在船舶领域同样具有广阔的发展空间。

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编辑：戴戴

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