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加大船用氢燃料电池技术,打造全球最大电动船市场

作者:邱月盈博士 来源:氢云链 发布时间:2019-10-14 浏览:
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中国是造船大国,船运交通大国,船舶污染大国!目前国内新能源补贴政策是“重车轻船”,这不利于船舶污染治理和新能源船舶技术。氢云链认为,目前国内电动车已经进入市场化阶段,而车用燃料电池处在产业化落地阶段,现阶段发展船用燃料电池的时机已经成熟,车用、船用燃料电池同步发展具有产业协同效应,既可以实现治理船舶污染、节能减排和技术转型升级目标,也可以像电动车市场一样,倒逼中国企业打造出一个全球最大的“电动船“市场。

9月19日,《交通强国建设纲要》(下称《纲要》)正式对外发布,其中明确了构建物流强国目标,并在氢能基础建设、城市物流电动化、新能源船舶运输等多个方面对氢能产业发展形成更多的政策支持和实质利好。事实上,发展新能源船舶在全球早有尝试,但在《纲要》出台之前,国内新能源船舶处于概念或者示范运营摸索阶段。部分船运交通大省,如浙江、江苏、广东率先开展了第一批纯电动船舶示范运营项目。最近,新加入长三角一体化的安徽省铜陵市启动“氢动长江”计划,利用长江港口区优势,选择从氢能动力船舶领域切入氢能产业发展,进而实现了国内新能源船舶技术路线多元化发展新格局。"氢动长江"与此次《纲要》的出台时点近,可见,《纲要》的出台意义重大,标志着我国政策支持下的新能源船舶行业将正式拉开序幕,换句话说,物流强国战略离不开绿色船舶、绿色长江产业的崛起。

现阶段,在技术路线选择上,新能源汽车的“锂电、氢燃料”路线之将再一次上演。锂电和燃料电池谁才是新能源船舶的最好选择?同样地,若考虑到目前国内车用燃料电池应用还处在市场导入期,这个时候讨论船用燃料电池应用是否现实?安全、规范和标准等这些阻碍船用燃料电池产业化的拦路虎问题该怎么办?而技术、成本和规模之间的“蛋和鸡”难题又该如何化解?为回答这些问题,本文将从我国发展燃料电池船舶的机遇、挑战入手,论述现阶段中国打造全球最大的“电动船“市场可行性。

一、环保高压,燃料电池船迎来发展新机遇

国内船舶产业同样是“大而不强”。根据克拉克森的报告,截至2019年6月底,中国(含中日合资3家、台资1家)共有26家船厂上榜全球造船订单TOP50。与汽车产业相似,现阶段国内船舶产业因“大而不强”而饱受弊病,整体上甚至不如日本30年前的水平。由于造船核心基础技术难以在短期内难突破,中国造船业在传统船舶范围内难以赶超世界先进水平是不争的事实。短期内只有新赛道才有机会,而新能源船舶恰好给了中国造船业提供了一次难得的“换道超车”机遇。

《纲要》新能源船舶的背后内在动力是什么?氢云链认为离不开两个日益严苛的航运环保政策,即限硫令和航运减碳。根据IMO限硫令可知,自2020年1月起,全球范围内航运燃油硫含量从3.5%一下子直降到0.5%,如此严苛的环保政策尤如一道紧箍咒,将倒逼各类航运公司不得加快寻找绿色清洁动力的步伐。

由于我国是船运大气污染大国,以上海市为例,2015年上海市船舶 PM2.5、NOx和SO2排放占上海市大气排放的比例分别为4.4%、 29.4% 和25.7%。在此背景下,我国政府跟进了IMO的政策,进入船舶污染治理、减排限硫的攻艰阶段,也不断出台更为严厉的限硫令:

(1)自2020年1月1日起,国际航行船舶进入我国管辖水域应当使用硫含量不超过0.50% m/m的燃油;进入我国内河船舶大气污染物排放控制区的,应当使用硫含量不超过0.10% m/m的燃油

(2)自2022年1月1日起,国际航行船舶进入我国船舶大气污染物排放控制区海南水域的,应当使用硫含量不超过0.10% m/m的燃油。

如果说限硫令尚能使用超低含硫量燃油作为解决方案,但航运减碳可以说断了航运业“投机取巧”的可能。根据IMO的海运减排协议,2050年航运的二氧化碳排放量相比2008年减少50%,并朝着零碳排放目标迈进。同时,11家大型航运银行发起了一项全球倡议,通过发放激励性贷款的方式鼓励船东购买或建造低碳排放的船舶,并对不愿购买或建造低碳船舶的船东施加压力。低碳/零碳排放船舶已经成为趋势,新能源船舶才是应对环保政策的最有效途径。

目前新能源船舶技术路线个,包括LNG、纯电动、燃料电池、风能、太阳能、生物质能等多个方向,这些技术路线各有特色,如何选择也是难题。氢云链认为,良好的泛用性,使燃料电池船舶可能成为最有前景的技术方向之一。

这是因为,一方面,由于生物质能、LNG不能满足零碳排放的要求,而太阳能、风能的稳定性不足;另一方面,核能的适用船舶类型有限,所以目前主要的零碳排放新能源船舶的案例集中在纯电动与燃料电池两个技术方向上。

根据国内纯电动船舶实践经验,纯电动汽车“续航短”的问题在纯电动船舶上也是硬伤,难以满足长距离、大吨位的航运需求。以广州两千吨级电动船,搭载了26吨重的电池,续航为80公里,充电时间为2小时,只能适合短途船运。

相比之下,氢燃料电池能够满足各种船用的需求,小到渔船、大到海运货轮,因此氢燃料电池船舶有着更好的发展前景。

二、技术可行,行业标准需先行

从技术难度来看,船用燃料电池技术已经在军工领域成熟应用,民用领域受限于成本较高和燃料补给问题,目前各国都没有大规模应用,但国外多个大型船运或者商用企业在燃料电池船舶上进行了研发投入和多年的示范运营,并取得了多个运营良好的案例。些案例可以证明燃料电池船舶在技术上是基本可行的,真正的难度不是技术而是管理和安全标准缺失。燃料电池能够适应海运、河运多种场景,可以匹配小到渔船、大到中大型客船的不同类型船只,如果解决了管理和标准的不确定问题,燃料电池泛用性的市场空间将十分广阔,而随着生态和规模增大,成本和技术自会不断改善。(为方便阅读,表3仅列举了部分氢燃料电池船舶项目,完整的燃料电池船舶项目盘点清单以附表形式放在文末).

因此,行业标准与规模类似“鸡与蛋"问题,无需过度担心。考虑到产业协同效应,可以预见的是,随着车用燃料电池产业化落地,市场上燃料电池船舶的项目会快速增加,市场上也将新增若干氢燃料电池的项目,这些实践项目在促进技术进步的同时,也能增加管理体系,各类标准的日趋完善。

国内实践项目案例表明,燃料电池船舶优势在于污染小、噪音低、维护成本低、可模块化、效率高等几个方面:

1、 污染小

船用氢燃料电池使用氢作为燃料,可实现零排放,即使使用混合动力,也能大幅减少污染,如图2。

2、噪音低

传统的动力系统工作时振动大,噪音高。燃料电池属于静态能量转换装置,运行时仅有空气压缩机和冷却系统产生的轻微的振动和噪音,为船员与乘客带来更舒适的体验。

3、效率高

柴油机或燃气轮机的能量转换率一般在25%-40%,而氢燃料电池的能量转换率一般为40%-50%。高能量效率带来高经济性,从图6可以看出,燃料电池系统的燃料消耗量要优于常用的柴油机系统。

4、维护成本低

相比内燃机,燃料电池的设备自动化程度高, 维护保养方便。巴拉德认为,自动化的燃料电池系统几乎不需要专门维护,维护成本低(燃料电池系统可重建)。同时由于燃料电池系统运动部件少,可靠性大大提高。

5、可模块化

燃料电池的模块化程度高,可以很方便设计其容量大小,以匹配负载的要求。同时系统的效率与系统的大小无关,因此在一定范围的负载(额定功率30%~100%)下均可维持燃料电池系统的效率。

尽管有优势,但目前全面燃料电池船舶仍需面对资金、技术、管理三方面挑战。燃料电池属于新兴产业,前期投入高,使用成本高,基础设施薄弱。同时,燃料电池动功率性能、安全性、响应时间仍然存在问题,技术有待提升。具体存在问题如下:

1、早期成本高

目前缺乏船用燃料电池的相关数据,但以汽车为例,衣宝廉院士认为,目前燃料电池汽车成本是传统燃油车成本的4倍。船用燃料电池成本之高可见一斑(法国的能源观察者号耗资420万欧元,但由于其实验属性,造价仅供参考)。

2、 前期投资大

发展氢燃料电池船舶需要建设港口/码头加氢站、水上加氢站或是加注船。根据氢能汽车发展经验,产业化前期基础设施建设投资巨大,需要可持续资金投入。

3、 安全性特殊

船舶行驶环境伴随着振动、腐蚀、摇晃等因素,同时由于出现事故后水上逃生困难,因此对船用燃料电池的安全性有较高的要求。在氢燃料电池汽车发展过程中,在安全问题上一直存在争议,业内普遍为需要制定严格的管理标准,生产和使用都要严格按照标准作业。

目前国内氢燃料电池的相关法规标准尚未完善,在建造/改造过程中缺乏可遵循的标准,实际运营中也缺乏相关管理标准,需要进行一定的实践探讨。

4、 动态响应慢

相对于传统柴油机,燃料电池的动态响应较慢,如遇到极端情况,响应速度慢会影响船体的灵活性,容易造成事故,可以参考氢燃料电池的电电混动技术。

5、 功率不足

目前氢燃料电池的功率较低,适用范围受限,仅能提供KW级别的动力,能够满足小型民用船舶的要求,而中大型船舶往往需要MW级别的动力,特别是商船、油轮等。

6、 短期内维修有一定困难

作为一个新兴的动力系统,在零部件获取方便程度、专业人员数量、维修经验、专业人员数量等各方面距离内燃机均有较大差距。

燃料电池所使用氢气为危化品,安全管理标准将是巨大挑战。玖牛研究院认为,目前燃料电池存在多种障碍,但大量运用案例已经验证技术可行性,当务之急是加强燃料电池行业管理,建立科学合理的行业规范和标准。同时加大技术研发,推动燃料电池广泛应用。

三、发展燃料电池船舶,中国更具优势

从国内燃料电池及船舶产业发展情况、船用燃料电池技术储备、政策支持情况、相关行业经验看,目前开始在国内燃料电池船舶项目,争取与燃料电池汽车产业协同发展具有较高的可行性。

根据国外实践经验,发展船用燃料电池需要满足几个基本条件:

l 完备船舶工业基础:发展燃料电池船舶需要较强的船舶工业水平以支持完成动力系统安装测试、船体改造、电力系统匹配、实船实验等作业,进行实践的都是船舶大国。

l 完整的燃料电池产业:需要有企业提供燃料电池解决方案,并在实验中进行跟踪,以解决随时出现的问题。

l 大量的资金:购买燃料电池系统、船体改造、实验等都需要耗费大量的资金。

l 外在力量推动:由于耗资甚巨,没有环保政策、政府项目任务、市场压力等外在力量的推动,企业主动进行新技术开发的意愿有限。

按照述标准,作为造船大国,我国初步具备了一定的船舶工业基础,随着车用燃料电池产业化,国内燃料电池产业链也初步形成和不断完善。如果政府再明确出台一部新能源船舶补贴政策,类似电功车补贴式引导,可以部分解决早期企业研究支出,也可以吸引场外资本入场,严格执行环保政策则可以大力推动新能源船舶清洁化改造顺利开展。基于以上四点判断,目我国具备了发展燃料电池船舶的基本条件。具体而言,我国还具备以下基础条件支持发展燃料电池船舶发展:

1、 技术储备

国内的燃料电池船舶研究起步较晚,公开信息显示,早期下水的燃料电池船舶有两艘,一是北京富原燃料电池公司于2002年9月研发的富原1号燃料电池游艇,功率仅为0.4KW,二是2005年11月由上海海事大学研制的“天翔一号”小艇,功率仅为2KW。

近年来,随着国内燃料电池产业化推进,船用燃料电池系统的研究也逐渐得到重视。目前已有广东国鸿、中船重工711/712所、上海海事大学、杭州现代船舶、弗尔赛、华气厚普等多家企业单位开展这方面研究工作,并申请了一批专利。

2、政策支持

无论从中央还是地方,如何治理船舶污染都受到高度重视,从2016年开始,国内的减排政策力度日渐严格,《防治船舶污染海洋环境管理条例》、《船舶大气污染物排放控制区实施方案》和《2020年全球船用燃油限硫令实施方案(征求意见稿)》均代表政府治理船舶、港口污染的紧迫感和压力。比较之下,中国版限硫令与国际船舶协会(IMO)的限硫令要求一致,且执行时间更早;在内河领域要求已经与北美、加勒比海以及北欧地区的ECA排放控制要求持平,达到了目前国际的“最严格标准”。

刚出台的《纲要》明确提出了治理港口污染、发展新能源船舶、构建绿色、高效的交通运输体系的要求。

在地方上,2018年3月,浙江省经信委组织了燃料电池在船舶中应用工作座谈会,由政府部门牵头推进新能源船舶的发展进程;铜陵市政府在2019年9月提出了“氢动长江”的口号,目标是打造氢燃料电池航运体系。与电动车经验类似,我国政府意志仍是新能源船舶顺利发展的最大保障。

3、产业协同

LNG动力船舶与燃料电池船舶有一定的相似性,船用燃料电池与车用燃料电池企业呈现了高度的重叠性,基础设施大体相似,具有产业协同效应。这两个领域的经验为船用燃料电池发展提供了参考。

LNG船舶为解决气体燃料动力船舶的运营管理问题进行了探索。

LNG船舶在中遇到了各种难题,包括成本高、缺乏管理标准、加气难、管理难等,其中各种安全管理问题(如过船闸等)最为棘手。

经过探索,港口加气站、水上加气站、加气船、过闸口等各种管理标准和产业配套问题正逐步找到解决方案。以水坝船闸为例,经过了长时间的实践和协调,交通运输部长江航务管理局发布在2018年5月发布了《关于LNG动力船试运行通过三峡船闸相关事项的通告》,解决了LNG动力船过三峡船闸的管理难题,这为氢燃料电池船舶在长江运行的铺平了道路。

4、燃料电池汽车则提供了技术和基础配套。

燃料电池汽车的为燃料电池船舶的发展打下了良好的技术基础,燃料电池产业链可以移植到船舶领域,相关标准法规也可作为参考。在基础设施方面,加氢站建设运营、氢气储运等各类管理标准也正在逐步建立,燃料电池汽车与船舶可以共用一套基本管理框架,达到缩短时间、降低成本的目的。

四、未来打造全球最大的“电动船“市场不是梦

燃料电池船舶技术上可行、有新能源汽车及LNG船舶发展经验参考、有巨大的市场需求空间、有国家政策的大力支持,作者认为,中国已经具备推动燃料电池船舶发展条件,未来在经过大规模示范检验和持续的性能改进之后,中国有望打造全球最大的“电动船”市场。

经过挪威Viking Lady,德国Alsterwasser等的国外实践检验,燃料电池船舶技术上是可行的。真正的难题也不是成本,燃料电池汽车的发展已经说明,船用燃料电池系统的成本的大幅下降是可预见的。困难还是在如何进行大规模工程验证而形成的标准规范和持续的性能提升以满足各种场景的需求。

新能源汽车与LNG船舶产业为燃料电池船舶的发展打下了基础。根据产业发展阶段分析,在全球范围内,燃料电池船舶与燃料电池汽车都处在起步阶段。国内燃料电池汽车产业发展迅速,在燃料电池系统上与国外的水平正在快速接近。车用与船用燃料电池有很高的相似性,可大幅提高中国燃料电池船舶发展幅度,从而抢占全球新能源船舶市场先机。LNG船舶产业则可以燃料电池船舶在管理上少走弯路。

中国已经成为船舶保有量最大的国家,在船舶产量上也常年位居全球前三。与汽车一样,中国船舶产业同时拥有巨大的市场、生产力和巨大的船舶替代空间。

各类环保政策倒逼新能源船舶的发展,气体能源船舶管理体系也正在逐步建立,燃料电池船舶产业的政策氛围已经形成。在船舶工业周期下行、市场需求萎缩的背景下,大量船舶企业面临整合,拥有船舶工业的地区也希望通过新技术盘活当地船舶产业,关注燃料电池船舶的地方政府正在增加,如四川、江苏、浙江、安徽等省市,可以预见未来数年将不断有地区推出燃料电池船舶支持政策。

尽管前景光明,但建立燃料电池船舶市场并非一蹴而就。由于成本、基础设施、政策、安全等原因,玖牛研究院认为需要有实力的企业进行试点运营,并采取由易到难的策略逐步发展燃料电池船舶,玖牛研究院团队结论如下:

1、选择技术特征合适船舶。考虑到成本、基础设施、输出功率等问题,可从燃料电池混合动力船舶开始发展;若对于功率要求较低的渡轮、内河游船、近海渔船等,可以尝试使用燃料电池作为单一动力系统;

2、从近处的内河、湖泊开始。考虑到技术发展和管理标准等问题,可以先从内河、湖泊等环境复杂程度较低的场景进行实践和替代,进而发展海运船舶。

3、从价格不敏感船舶开始。考虑到燃料电池船运行清洁、安静、成本高的特点,可优先发展燃料电池旅游观光船、豪华游艇、私人游艇等,在对价格不敏感的场景下创造舒适的乘船环境,同时能更好的保护景区生态;

4、车船产业协同发展,共用基础设施。在燃料电池汽车产业链发展完善的地区进行试点,并按批次、按地区进行;通过协同发展,降低船用燃料电池系统的研发成本,通过共用基础设施,降低交通系统整体成本。

最后,作者认为,目前国际上已经大量开展氢燃料电池船舶的研究与实践工作,已经具备了一定的参考价值。中国作为造船大国、船舶保有量大国、航运大国,必须跟上国际船舶产业的发展脚步,抓住船舶行业动力转型发展机会,发挥与国内燃料电池汽车市场协同优势,利用燃料电池汽车打下的产业基础,快速形成燃料电池船舶的实践项目。

燃料电池船舶领产业刚刚起步不久,全球范围内各国的发展水平差距不算太大,而我国有电动车产发经验,也有政策、市场和产业协同的优势,如果在政策支持下,能在技术研发上持续投入并取得突破,假以时日,中国必能通过燃料电池技术在新能源船舶上换道超车,从造船大国升级为造船强国,有望成为全球最大的电动船市场和生产基地。让我们拭目以待!

附表 船用燃料电池项目

关键字:燃料电池

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