中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：水路交通載運(yùn)工具綠色化是水運(yùn)行業(yè)的技術(shù)前沿和未來(lái)趨勢(shì)。從中長(zhǎng)期來(lái)看，氫、氨等零碳燃料技術(shù)將是水路交通載運(yùn)工具實(shí)現(xiàn)零排放的重要途徑。氫動(dòng)力船舶基于燃料電池的氫能應(yīng)用模式，兼顧能源高效利用、零排放、船舶舒適度提升，可以適應(yīng)未來(lái)綠色船舶市場(chǎng)需求，并且具有廣闊應(yīng)用前景。
中國(guó)工程院嚴(yán)新平院士研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2022年第3期發(fā)表《我國(guó)氫動(dòng)力船舶創(chuàng)新發(fā)展研究》一文。文章梳理了氫動(dòng)力船舶的發(fā)展現(xiàn)狀，從氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢(shì)、協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略布局的視角完成了氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)布局研判；完成了發(fā)展氫動(dòng)力船舶的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析，覆蓋氫和氨燃料、氫燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)、基礎(chǔ)設(shè)施、總擁有成本等角度；從氫氣制取、氫氣運(yùn)輸、大容量?jī)?chǔ)氫、安全加氫、燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)、多能源協(xié)同控制、氫應(yīng)用安全等方面系統(tǒng)展開(kāi)了氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析。立足國(guó)情提出了我國(guó)氫動(dòng)力船舶多階段發(fā)展目標(biāo)，論證形成了氫動(dòng)力船舶發(fā)展路線圖、氫燃料供應(yīng)體系建設(shè)路徑。研究建議，明晰應(yīng)用場(chǎng)景、突破關(guān)鍵技術(shù)、完善配套設(shè)施、創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)體系，以此推動(dòng)我國(guó)氫動(dòng)力船舶快速優(yōu)質(zhì)發(fā)展。
一、前言
當(dāng)前，航運(yùn)業(yè)迅猛發(fā)展，柴油機(jī)動(dòng)力船舶伴生的能耗與環(huán)境問(wèn)題日益顯現(xiàn)，如2020年我國(guó)航運(yùn)業(yè)的CO2排放量達(dá)到1.2×108 t，約占交通運(yùn)輸領(lǐng)域排放量的12.6%。水路交通載運(yùn)工具綠色化是水運(yùn)行業(yè)的技術(shù)前沿和未來(lái)趨勢(shì)，也是航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和（“雙碳”）目標(biāo)的重要舉措，發(fā)展綠色船舶對(duì)促進(jìn)我國(guó)船舶工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、實(shí)施交通強(qiáng)國(guó)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(guò)渡方案；在中長(zhǎng)期，氫、氨等零碳燃料技術(shù)將是水路交通載運(yùn)工具實(shí)現(xiàn)零排放的重要途徑。氫能作為清潔能源，通過(guò)燃料電池方式實(shí)現(xiàn)高效發(fā)電且不排放CO2，有望在水路交通運(yùn)輸行業(yè)的碳減排過(guò)程中發(fā)揮積極作用。根據(jù)國(guó)際能源署發(fā)布的《中國(guó)能源體系碳中和路線圖》，航運(yùn)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(kāi)發(fā)及商業(yè)化；在承諾目標(biāo)情景中，2060年基于燃料電池的氫能應(yīng)用模式將滿足水路交通運(yùn)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(yīng)綠色船舶市場(chǎng)需求且應(yīng)用前景廣闊。
發(fā)達(dá)國(guó)家積極提出氫能源戰(zhàn)略并開(kāi)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(kāi)展了包括氫動(dòng)力船舶在內(nèi)的多項(xiàng)示范項(xiàng)目，正在研制新型氫動(dòng)力船舶。在我國(guó)，應(yīng)對(duì)“雙碳”目標(biāo)牽引，加速布局氫能的交通領(lǐng)域應(yīng)用；部分企業(yè)和機(jī)構(gòu)基于國(guó)產(chǎn)化氫能和燃料電池技術(shù)進(jìn)步而相繼啟動(dòng)了氫動(dòng)力船舶研制，但整體處于前期探索階段；后續(xù)需要細(xì)化和完善我國(guó)氫能領(lǐng)域的頂層設(shè)計(jì)，為氫動(dòng)力船舶發(fā)展提供科學(xué)指引。針對(duì)于此，本文在梳理氫動(dòng)力船舶發(fā)展現(xiàn)狀并研判相關(guān)產(chǎn)業(yè)布局態(tài)勢(shì)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開(kāi)展技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(biāo)任務(wù)、建設(shè)路徑，以期為我國(guó)氫動(dòng)力船舶快速優(yōu)質(zhì)發(fā)展研究提供參考。
二、 氫動(dòng)力船舶發(fā)展現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)布局研判
（一）氫動(dòng)力船舶發(fā)展現(xiàn)狀
1. 氫動(dòng)力船舶
氫及氫基燃料是航運(yùn)行業(yè)碳減排及脫碳的良好解決方案，其應(yīng)用范圍將隨著燃料應(yīng)用技術(shù)的成熟、配套設(shè)施的完善而逐步擴(kuò)大。氫動(dòng)力船舶通常用于湖泊、內(nèi)河、近海等場(chǎng)景，以客船、渡船、內(nèi)河貨船、拖輪等類(lèi)型為主；海上工程船、海上滾裝船、超級(jí)游艇等大型氫動(dòng)力船舶研制是當(dāng)前的國(guó)際趨勢(shì)，潛艇采用氫燃料電池動(dòng)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(dòng)力，也可作為大型船舶的輔助動(dòng)力；以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）類(lèi)型為主，功率等級(jí)相比傳統(tǒng)柴油機(jī)動(dòng)力有較大差距。發(fā)達(dá)國(guó)家已成功研制不同類(lèi)型氫動(dòng)力船舶并取得示范應(yīng)用效果，如德國(guó)“Alsterwasser”游船、日本燃料電池漁船、法國(guó)“Energy Observer”游艇、美國(guó)“Water-Go-Round”渡船、韓國(guó)“Gold Green Hygen”氫動(dòng)力旅游船等；后續(xù)將深化研究與應(yīng)用，如挪威“Ulstein SX190”海上工程船、“Topeka”滾裝船，意大利“ZEUS”試驗(yàn)船等（見(jiàn)圖1）。除燃料電池外，氫內(nèi)燃機(jī)也是船舶應(yīng)用氫能的重要途徑，如比利時(shí)、日本研制的氫內(nèi)燃機(jī)拖船“Hydrotug”、渡船“Hydro Bingo”。日本企業(yè)（如川崎重工業(yè)株式會(huì)社、洋馬株式會(huì)社等）積極研制氫內(nèi)燃機(jī)，正在開(kāi)發(fā)中速四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、中高速四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)、低速二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。
圖1 國(guó)內(nèi)外氫動(dòng)力船舶的產(chǎn)品情況
我國(guó)前期研制了“富原一號(hào)”“天翔1號(hào)”氫動(dòng)力實(shí)驗(yàn)船（見(jiàn)圖1），但船型、功率均較小。隨著陸上新能源汽車(chē)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(guó)氫動(dòng)力船舶提供了良好的發(fā)展機(jī)遇。2021年下水的“蠡湖號(hào)”游艇、“仙湖1號(hào)”游船，燃料電池功率分別為70 kW、30 kW；正在研制中的“綠色珠江號(hào)”內(nèi)河貨船、“三峽氫舟1號(hào)”公務(wù)船，燃料電池功率達(dá)到500千瓦級(jí)。盡管如此，國(guó)內(nèi)船型與國(guó)際先進(jìn)產(chǎn)品相比仍存有一定差距，同時(shí)我國(guó)氫動(dòng)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(dòng)力船舶用燃料電池的單組功率為百千瓦級(jí)，裝船使用時(shí)通常采用多組燃料電池級(jí)聯(lián)而成，如“Alsterwasser”游船配備了2組48 kW PEMFC、214型潛艇配備了2組120 kW PEMFC，“綠色珠江號(hào)”內(nèi)河貨船擬配備4組135 kW PEMFC。兆瓦級(jí)燃料電池系統(tǒng)作為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向，是實(shí)現(xiàn)燃料電池在船舶上廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)；“Topeka”滾裝船、“Ulstein SX190”海上工程船采用的燃料電池系統(tǒng)功率分別為3 MW、2 MW；巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司研制了200 kW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(kuò)展至1.2 MW。國(guó)產(chǎn)船用燃料電池功率等級(jí)與國(guó)外產(chǎn)品相比仍存在一定差距。2021年，武漢眾宇動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司取得船用燃料電池產(chǎn)品型式認(rèn)可證書(shū)，相應(yīng)的TWZFCSZ-80燃料電池裝置額定功率為80 kW，正在研制200 kW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(lái)對(duì)燃料電池輸出功率進(jìn)行“削峰填谷”，如“Alsterwasser”游船配置了201.6 kW·h蓄電池，“Water-Go-Round”渡船搭載了100 kW·h蓄電池，荷蘭“AQUA”概念游艇的蓄電池容量達(dá)到1.5 MW·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?xún)?yōu)化蓄電池配置。
3. 儲(chǔ)氫裝置
現(xiàn)有的氫動(dòng)力船舶較多采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船、“蠡湖號(hào)”游艇等；也有少量船舶采用金屬氫化物儲(chǔ)氫方式，如214型潛艇、“ZEUS”試驗(yàn)船等。鑒于高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式的儲(chǔ)氫密度較低、液氫相關(guān)技術(shù)成熟，發(fā)達(dá)國(guó)家的大型氫動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)方案多采用低溫液態(tài)儲(chǔ)氫方式，如“Topeka”滾裝船、“AQUA”概念游艇等。氫動(dòng)力船舶的續(xù)航里程與船載儲(chǔ)氫量密切相關(guān)。一般認(rèn)為受制于船載儲(chǔ)氫技術(shù)，氫動(dòng)力船舶僅適用于短距離航行，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船的設(shè)計(jì)續(xù)航時(shí)間分別為3 d、2 d。
氫動(dòng)力汽車(chē)相關(guān)的加氫技術(shù)快速成熟，為解決氫動(dòng)力船舶加注問(wèn)題確定了良好基礎(chǔ)。在“Alsterwasser”游船示范運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，德國(guó)林德集團(tuán)在搭建碼頭加氫站，為氫動(dòng)力船舶提供持續(xù)的氫源供應(yīng)；“Ulstein SX190”海上工程船配有可更換的儲(chǔ)氫模塊，通過(guò)“換罐”方式補(bǔ)充氫能，為氫動(dòng)力船舶的燃料補(bǔ)給提供了新思路。在我國(guó)，船用儲(chǔ)氫技術(shù)目前以高壓儲(chǔ)氫為主，后續(xù)朝著能量密度更高的儲(chǔ)氫技術(shù)路線方向發(fā)展。
（二）氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢(shì)
船舶產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的原材料及配套設(shè)施、中游的船舶總裝制造、下游的船舶服務(wù)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(yīng)、零部件配套等。國(guó)外船用燃料電池技術(shù)研發(fā)活動(dòng)開(kāi)展較早，巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司、豐田汽車(chē)公司等率先推出船用動(dòng)力系統(tǒng)，在包括氫氣設(shè)備開(kāi)發(fā)、船體設(shè)計(jì)與建造、運(yùn)營(yíng)管理、氫燃料供應(yīng)在內(nèi)的船舶價(jià)值鏈方面具有優(yōu)勢(shì)，尤其在船舶大功率燃料電池技術(shù)方面保持領(lǐng)先。
我國(guó)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(dòng)了膜電極產(chǎn)品的車(chē)載批量應(yīng)用。武漢眾宇動(dòng)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30 MPa船用儲(chǔ)氫瓶組已批量出口，都反映了國(guó)內(nèi)氫能與燃料電池行業(yè)的良好發(fā)展勢(shì)頭。也要清醒認(rèn)識(shí)到，我國(guó)船舶相關(guān)配套技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平仍有不小差距，部分核心配套設(shè)備依賴(lài)進(jìn)口的局面有待打破。
2. 中游環(huán)節(jié)
美國(guó)、歐盟、日本、韓國(guó)的相關(guān)航運(yùn)或燃料電池企業(yè)都在積極參與氫動(dòng)力船舶研發(fā)，所開(kāi)展的示范應(yīng)用體現(xiàn)出了良好的運(yùn)營(yíng)效果。
從綜合指標(biāo)看，我國(guó)部分船舶制造企業(yè)在規(guī)模上已進(jìn)入世界大型船舶企業(yè)集團(tuán)之列，但在新船型、高端船型的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)方面相比世界一流水平還存在差距。我國(guó)氫動(dòng)力船舶仍處于探索發(fā)展階段，已下水的“蠡湖號(hào)”“仙湖1號(hào)”船型較小，PEMFC系統(tǒng)輸出功率僅為數(shù)十千瓦；500千瓦級(jí)“綠色珠江號(hào)”“三峽氫舟1號(hào)”氫動(dòng)力船舶處于研制階段，應(yīng)用示范明顯滯后。
3. 下游環(huán)節(jié)
在美國(guó)、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(dòng)，如美國(guó)長(zhǎng)灘港、洛杉磯港開(kāi)展了氫燃料電池拖車(chē)與物流車(chē)的應(yīng)用試驗(yàn)，西班牙瓦倫西亞港通過(guò)H2Ports試點(diǎn)項(xiàng)目來(lái)示范應(yīng)用氫動(dòng)力正面吊。
著眼“雙碳”發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)港口正在開(kāi)展氫能應(yīng)用示范以推進(jìn)港口綠色化建設(shè)。例如，青島港以打造“中國(guó)氫港”為目標(biāo)，應(yīng)用了氫動(dòng)力自動(dòng)化軌道吊；寧波舟山港穿山港區(qū)正在開(kāi)展“風(fēng)、光、儲(chǔ)、氫”多能源融合示范項(xiàng)目，以風(fēng)光可再生資源發(fā)電、電解水制氫的形式為港區(qū)氫負(fù)荷（包括氫動(dòng)力集卡、叉車(chē)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(dòng)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(lái)，歐盟、日本、美國(guó)、加拿大等相繼發(fā)布了氫能發(fā)展戰(zhàn)略或路線圖。我國(guó)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)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(guó)共識(shí)，而交通領(lǐng)域?qū)⒙氏乳_(kāi)展氫能普及應(yīng)用。
在政策引導(dǎo)和支持下，我國(guó)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(chē)保有量約為8938輛，后續(xù)有望保持快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。因與氫動(dòng)力汽車(chē)在上游環(huán)節(jié)未有明顯分化，氫動(dòng)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(chē)用燃料電池為源頭的發(fā)展模式，而在應(yīng)用過(guò)程中需及時(shí)評(píng)估兩類(lèi)產(chǎn)品的差異性。同時(shí)，針對(duì)船舶功率需求，著重研制大功率燃料電池系統(tǒng)；針對(duì)船舶續(xù)航里程需求，著重研制大容量?jī)?chǔ)氫裝置。
2. 中游環(huán)節(jié)
目前，我國(guó)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(dòng)力船舶等類(lèi)型。為了加快氫動(dòng)力船舶的示范和推廣，氫動(dòng)力船舶的綜合定位及其領(lǐng)域發(fā)展頂層設(shè)計(jì)有待明確和細(xì)化。
傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造相關(guān)企業(yè)，均可與氫能企業(yè)積極開(kāi)展合作，結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)以拓展氫動(dòng)力船舶業(yè)務(wù)。例如，廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院與中船動(dòng)力研究院有限公司、廣船國(guó)際有限公司等聯(lián)合開(kāi)展了500千瓦級(jí)內(nèi)河氫燃料電池動(dòng)力貨船的研制工作，已獲得中國(guó)船級(jí)社的原理認(rèn)可證書(shū)。與此同時(shí)，船級(jí)社也需新增并完善氫動(dòng)力船舶相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和指南，為氫動(dòng)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(dòng)力船舶應(yīng)用必然要經(jīng)歷從示范應(yīng)用到擴(kuò)大部署再到商業(yè)化應(yīng)用的發(fā)展過(guò)程，預(yù)計(jì)2030年前的氫動(dòng)力船舶應(yīng)用率仍較低。目前我國(guó)水路交通相關(guān)的氫能基礎(chǔ)設(shè)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(chē)快速發(fā)展的勢(shì)頭，統(tǒng)籌考慮陸路交通、水路交通的氫能基礎(chǔ)設(shè)施布局與規(guī)劃，適度超前開(kāi)展港口、碼頭的加氫站建設(shè)布局，由此促進(jìn)氫動(dòng)力船舶的高效率發(fā)展。
利用陸海綜合制氫加氫站平臺(tái)，結(jié)合純氫管網(wǎng)，力爭(zhēng)同步解決港口氫動(dòng)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(yīng)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(shè)備、航運(yùn)應(yīng)用等問(wèn)題之外，宜進(jìn)一步發(fā)揮潛在優(yōu)勢(shì)，提前籌劃與內(nèi)部港口岸電、近海風(fēng)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(dòng)力船舶的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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?；茉粗茪浔M管將過(guò)渡到可再生能源電解水制氫，但在一定時(shí)間內(nèi)仍占重要地位。利用可再生能源實(shí)現(xiàn)低成本、高效率制氫是未來(lái)大規(guī)模制氫的發(fā)展方向，也是各國(guó)氫能領(lǐng)域支持的重點(diǎn)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(dá)到90%，因此控制綠氫成本關(guān)鍵在于降低可再生能源電價(jià)與電解槽成本。未來(lái)通過(guò)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?yīng)用促進(jìn)成本下降，我國(guó)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(dòng)力船舶的規(guī)?；瘧?yīng)用逐步提供了經(jīng)濟(jì)可行性。
氨燃料是另一種具有應(yīng)用前景的零碳燃料，還可作為儲(chǔ)氫載體，其能量密度較高、生產(chǎn)成本低、易于儲(chǔ)存和運(yùn)輸、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)完善，在船舶應(yīng)用方面具有優(yōu)勢(shì)。我國(guó)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?guó)能源體系碳中和路線圖》預(yù)測(cè)，在“雙碳”目標(biāo)背景下，我國(guó)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(yīng)用于航運(yùn)行業(yè)，至少滿足水運(yùn)行業(yè)40%的能源需求?？稍偕茉措娊馑茪湓俸铣砂钡某杀据^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(yù)計(jì)2020—2060年我國(guó)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(lái)，氫燃料電池成本降低了約60%。根據(jù)《中國(guó)氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)（2019版）》提出的目標(biāo)，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500 kW，則2050年單船燃料電池系統(tǒng)成本可控制在15萬(wàn)元左右。
隨著我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國(guó)產(chǎn)燃料電池的電堆功率、最低啟動(dòng)溫度、壽命等指標(biāo)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(zhǎng)期的降幅可達(dá)85%。我國(guó)企業(yè)積極布局雙極板、膜電極、空氣壓縮機(jī)、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(gè)核心一級(jí)零部件全部實(shí)現(xiàn)國(guó)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(jìn)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(shì)頭（3000~4000元/kW），甚至部分產(chǎn)品報(bào)價(jià)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(yīng)用的關(guān)鍵，仍待持續(xù)優(yōu)化提升。
（三）氫內(nèi)燃機(jī)
現(xiàn)有氫內(nèi)燃機(jī)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(jī)的效率偏低，但功率可以達(dá)到高值（目前可達(dá)到兆瓦級(jí)），已用于拖船和渡船。在成本方面，氫內(nèi)燃機(jī)明顯低于PEMFC系統(tǒng)，以100 kW發(fā)電裝置為例，基于當(dāng)前技術(shù)的氫內(nèi)燃機(jī)成本僅為PEMFC系統(tǒng)的50%?？梢灶A(yù)判，隨著船舶儲(chǔ)氫技術(shù)的發(fā)展、氫能基礎(chǔ)設(shè)施的完善，氫內(nèi)燃機(jī)在船舶上可取得廣泛應(yīng)用。
（四）基礎(chǔ)設(shè)施
在我國(guó)，現(xiàn)有加氫技術(shù)與基礎(chǔ)設(shè)施以車(chē)輛應(yīng)用為主，而船舶應(yīng)用基本空白；主流的加氫站規(guī)模為500 kg/d、1000 kg/d，對(duì)應(yīng)的建設(shè)成本分別為1200~1500萬(wàn)元、2000~2500萬(wàn)元（不考慮土地成本），其中設(shè)備、土建成本占比超過(guò)70%。氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐（分為高壓儲(chǔ)氫罐和液氫儲(chǔ)罐）、加氫機(jī)是加氫站的核心裝備。在氫氣壓縮機(jī)方面，隔膜式壓縮機(jī)、液驅(qū)式壓縮機(jī)已實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，未來(lái)有望逐步占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，而離子式壓縮機(jī)需進(jìn)一步研制。加氫站儲(chǔ)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45 MPa大容積無(wú)縫鋼制儲(chǔ)氫氣瓶已實(shí)現(xiàn)出口，300 m3大型液氫儲(chǔ)罐完成了方案設(shè)計(jì)和小批量生產(chǎn)。35 MPa規(guī)格的加氫機(jī)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)，但加氫槍、流量計(jì)、閥件等核心零部件依賴(lài)進(jìn)口；國(guó)內(nèi)企業(yè)已掌握70 MPa加氫技術(shù)，但相關(guān)應(yīng)用落后于國(guó)外。
在氫動(dòng)力船舶發(fā)展初期，宜借助氫動(dòng)力汽車(chē)的良好發(fā)展勢(shì)頭，積累基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)技術(shù)；逐步開(kāi)展船舶領(lǐng)域的氫能應(yīng)用，以技術(shù)改進(jìn)與裝備更新的方式匹配氫動(dòng)力船舶的專(zhuān)有應(yīng)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(yùn)營(yíng)成本：前者分為主動(dòng)力系統(tǒng)成本、輔助動(dòng)力成本、燃料儲(chǔ)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(fèi)等。由于氫動(dòng)力船舶仍處于研制與小規(guī)模應(yīng)用階段，相關(guān)的TCO分析依然不夠充分。針對(duì)15 000 TEU氨氫動(dòng)力集裝箱船開(kāi)展的TCO分析表明，假定配備1臺(tái)51 MW氨發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，2臺(tái)4 MW、2臺(tái)2 MW氫燃料電池系統(tǒng)作為輔助動(dòng)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(dòng)力船舶經(jīng)濟(jì)性能的重要參數(shù)。
四、氫動(dòng)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(dāng)前，氫氣主要利用化石能源來(lái)獲得，約占世界氫氣生產(chǎn)量的95%，生產(chǎn)過(guò)程排放CO2；利用可再生能源獲得的電能來(lái)進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)模級(jí)別的電解水制氫，生產(chǎn)過(guò)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(yīng)用于傳統(tǒng)的化石能源制氫過(guò)程以降低碳排放量，但考慮現(xiàn)有技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施的成熟度，預(yù)計(jì)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(lái)氫氣制取的發(fā)展趨勢(shì)。
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(rèn)為是當(dāng)前可實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)：前者在我國(guó)已經(jīng)工業(yè)化，國(guó)產(chǎn)設(shè)備的生產(chǎn)率達(dá)到1000 Nm3/h；后者正處于從研發(fā)走向工業(yè)化的前期階段。近年來(lái)，我國(guó)電解水制氫設(shè)備的裝機(jī)容量顯著提升，2020年裝機(jī)容量為18 MW，約占世界增量的1/4。在“雙碳”目標(biāo)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(guó)電解水制氫設(shè)備裝機(jī)容量將分別達(dá)到25 GW、750 GW，分別占世界總量的15%、40%。
（二）大規(guī)模低成本的氫氣運(yùn)輸技術(shù)
可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；\(yùn)輸氫氣的方式主要有高壓氣氫長(zhǎng)管拖車(chē)、低溫液氫槽車(chē)、氫氣管道。高壓氣氫長(zhǎng)管拖車(chē)方式技術(shù)成熟，適用于運(yùn)輸距離較近、輸送量較低、氫氣日用量為噸級(jí)的用戶，與當(dāng)前的氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模相適應(yīng)。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)管拖車(chē)氫氣瓶的工作壓力多為20 MPa，TT11-2140-H2-20-I型集裝箱束箱每次可充裝氫氣約347 kg。高壓氣氫長(zhǎng)管拖車(chē)適用于200 km以?xún)?nèi)的運(yùn)輸， 200 km距離的運(yùn)輸成本約為7.72 ~8.82元/kg。
低溫液氫槽車(chē)的運(yùn)氫能力強(qiáng)（是高壓氣氫長(zhǎng)管拖車(chē)的10倍以上），在200 km以上距離的運(yùn)輸成本僅為高壓氣氫長(zhǎng)管拖車(chē)的1/5~1/8，但氫氣液化能耗較高，如20 MPa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(wèn)題后，液氫罐車(chē)在中遠(yuǎn)距離的輸氫領(lǐng)域?qū)⒂辛己玫膽?yīng)用前景。近期，液氫海運(yùn)船受到廣泛關(guān)注，有可能成為新興的液氫運(yùn)輸方式，如日本“Suiso Frotier”液氫運(yùn)輸船。
基于氣態(tài)氫的管道運(yùn)輸分為兩類(lèi)：純氫的管道運(yùn)輸、天然氣摻氫的管道運(yùn)輸。管道運(yùn)輸適用于大規(guī)模、長(zhǎng)距離的氫氣運(yùn)輸，但前期投資較大。當(dāng)氫氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施尚不完善時(shí)，將氫氣摻入天然氣中并利用天然氣管道進(jìn)行運(yùn)輸，是一種兼顧技術(shù)與成本的大規(guī)模運(yùn)氫方式（當(dāng)摻氫天然氣的含氫量約為15%時(shí)，僅需對(duì)原有管道進(jìn)行適當(dāng)改造即可），主要涉及天然氣運(yùn)輸管道與氫氣的相容性、氫氣泄漏與檢測(cè)、終端氫氣分離等。隨著氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大、應(yīng)用需求的增加，具有運(yùn)輸規(guī)模優(yōu)勢(shì)的管道輸氫將成為優(yōu)選方式。
（三）船舶大容量?jī)?chǔ)氫技術(shù)
儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出“低儲(chǔ)氫密度—高儲(chǔ)氫密度”的趨勢(shì)。高密度儲(chǔ)氫技術(shù)仍不成熟，技術(shù)路線仍在進(jìn)行多方案探索，包括超高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液化儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫、液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫等。
高壓儲(chǔ)氫是當(dāng)前船舶適用的方式，儲(chǔ)氫瓶有35 MPa、70 MPa兩種規(guī)格，對(duì)應(yīng)的體積儲(chǔ)氫密度分別為25 g/L、41 g/L。國(guó)外的70 MPa高壓儲(chǔ)氫技術(shù)基本成熟并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，如豐田Mirai氫燃料電池汽車(chē)即采用70 MPa儲(chǔ)氫瓶。我國(guó)的35 MPa高壓儲(chǔ)氫瓶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)成熟，國(guó)產(chǎn)氫燃料電池汽車(chē)較多采用；正在研發(fā)70 MPa高壓氣瓶，已接近商業(yè)應(yīng)用階段。因此，我國(guó)氫動(dòng)力船舶，如“綠色珠江號(hào)”內(nèi)河貨船先期采用了35 MPa高壓氣瓶?jī)?chǔ)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70.8 g/L，在儲(chǔ)存密度上較高壓儲(chǔ)氫有明顯優(yōu)勢(shì)；隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，低溫液態(tài)儲(chǔ)氫將逐步擴(kuò)大民用范圍，有望成為未來(lái)的主流儲(chǔ)氫方式。考慮到現(xiàn)有高壓儲(chǔ)氫技術(shù)的儲(chǔ)存密度較低，無(wú)法滿足未來(lái)船舶續(xù)航力的要求，船舶儲(chǔ)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(jì)劃采用低溫液態(tài)儲(chǔ)氫方式。金屬氫化物儲(chǔ)氫方式具有儲(chǔ)氫體積密度大、壓力低、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在潛艇上具有良好應(yīng)用前景，推廣應(yīng)用過(guò)程需著力解決成本、吸脫氫溫度、反應(yīng)速率等問(wèn)題。
理論上氨的儲(chǔ)氫密度約為17.6%，液氨的體積儲(chǔ)氫密度是液氫的1.5倍，加之氨的液化、儲(chǔ)存、運(yùn)輸技術(shù)成熟，使得以氨為載體的儲(chǔ)氫方式成為極具潛力的大容量?jī)?chǔ)氫解決方案。氨的裂化分解是以氨為載體的儲(chǔ)氫系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)低壓、低溫、高活性、低成本的催化劑是后續(xù)研究重點(diǎn)。甲醇具有較高的儲(chǔ)氫密度且自身含氫量達(dá)12.5%，可作為綠氫的載體來(lái)實(shí)現(xiàn)高效儲(chǔ)存和運(yùn)輸，當(dāng)距離大于200 km時(shí)較直接運(yùn)氫具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。考慮到甲醇制氫會(huì)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(dòng)力船舶儲(chǔ)氫方式多樣，相應(yīng)的加氫方式和耗時(shí)不盡相同。在“Alsterwasser”游船示范項(xiàng)目中，林德集團(tuán)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(chǔ)50 kg氫氣，單次加氫過(guò)程耗時(shí)約為12 min；德國(guó)212A型潛艇采用基于金屬氫化物儲(chǔ)氫方式，完成80%、100%加氫量分別耗時(shí)10 h、25 h。鑒于陸上車(chē)用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫及加氫技術(shù)相對(duì)成熟，在氫動(dòng)力船舶發(fā)展初期采用車(chē)用方案是可行的發(fā)展模式。
與車(chē)用加氫相比，船舶加氫具有加注量大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，加注設(shè)備應(yīng)采用更加可靠的加注連接方式，同時(shí)應(yīng)具有船岸之間緊急切斷的聯(lián)動(dòng)功能以滿足緊急脫開(kāi)需要。船舶在碼頭進(jìn)行燃料加注時(shí)一般不允許船舶斷電，因而既保證加氫時(shí)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(wèn)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(shì)。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(jìn)行產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展，力求實(shí)現(xiàn)價(jià)格更低、壽命更長(zhǎng)、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(shì)，更適合船舶應(yīng)用，也是未來(lái)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(dòng)力或大型船舶的輔助動(dòng)力。在現(xiàn)有的氫動(dòng)力船舶示范項(xiàng)目中，PEMFC系統(tǒng)輸出功率基本為百千瓦級(jí)。為了拓寬氫動(dòng)力船舶的適用場(chǎng)景，未來(lái)PEMFC系統(tǒng)的輸出功率應(yīng)提高至兆瓦級(jí)，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(jī)技術(shù)
氫氣燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、放熱集中，因而氫?nèi)燃機(jī)相對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)具有更高的熱效率。普通內(nèi)燃機(jī)熱效率約為30%~40%，而德國(guó)企業(yè)研制的氫內(nèi)燃機(jī)驗(yàn)證機(jī)熱效率最高達(dá)到42%，我國(guó)正在研發(fā)的氫內(nèi)燃機(jī)熱效率有望達(dá)到44%。也要注意到，氫內(nèi)燃機(jī)雖然具有輸出功率高、熱效率高、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，但存在爆燃、早燃、回火等技術(shù)難題，也會(huì)產(chǎn)生NO，因而提升動(dòng)力系統(tǒng)性能、降低NO排放是后續(xù)氫內(nèi)燃機(jī)研究亟待攻關(guān)的方面。
氫內(nèi)燃機(jī)相比PEMFC系統(tǒng)具有輸出功率優(yōu)勢(shì)，待攻克相關(guān)技術(shù)難題后，將在船舶領(lǐng)域獲得廣闊應(yīng)用。2017年，比利時(shí)海事集團(tuán)推出了世界首制柴氫雙燃料客船，搭載的Behydro發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率為1000~2670 kW。目前我國(guó)的氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)集中在汽車(chē)領(lǐng)域而尚未開(kāi)展船舶應(yīng)用研究，相較國(guó)際先進(jìn)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(jī)并以燃用輕 / 重柴油為主，部分采用柴油發(fā)電機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)用能形式，能源結(jié)構(gòu)相對(duì)單一。船舶供能形式的多樣化是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，如“Energy Observer”游艇搭載了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)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(jí)環(huán)保船（NYK Super Eco-ship）設(shè)計(jì)方案中，動(dòng)力系統(tǒng)將采用LNG燃料電池、太陽(yáng)能電池、風(fēng)力助推等。
在船舶能源供給趨于多樣化的形勢(shì)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(lái)氫動(dòng)力船舶的動(dòng)力系統(tǒng)涉及燃料電池、蓄電池（或超級(jí)電容）、變流裝置、推進(jìn)電機(jī)等設(shè)備，這就需要利用多能源協(xié)同控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行各類(lèi)設(shè)備之間的優(yōu)化匹配與協(xié)同控制，保障動(dòng)力系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。
（八）船舶氫應(yīng)用安全技術(shù)
船舶航行環(huán)境復(fù)雜，易受氣象、水文、航道等因素的影響；船舶系統(tǒng)相對(duì)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(yīng)用過(guò)程中，需將與燃料相關(guān)的火災(zāi)、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)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(jī) / 輔機(jī)具有同等安全水平?，F(xiàn)有氫動(dòng)力船舶相關(guān)的安全規(guī)范及應(yīng)急措施有待進(jìn)一步完善。氫應(yīng)用安全技術(shù)是氫動(dòng)力船舶安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬方法預(yù)測(cè)船舶氫氣泄漏擴(kuò)散及其風(fēng)險(xiǎn)演變規(guī)律，是制定相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施的有效途徑。
（九）氫動(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范
在陸上領(lǐng)域，氫能及燃料電池技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本成熟，我國(guó)發(fā)布的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)多達(dá)91項(xiàng)。然而氫動(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范尚不成熟，相關(guān)燃料電池系統(tǒng)以及儲(chǔ)氫、加氫系統(tǒng)主要沿用陸上標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際海事組織正在開(kāi)展《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》關(guān)于納入船舶應(yīng)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(chǔ)、供應(yīng)系統(tǒng)。氫動(dòng)力船舶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題在于：規(guī)范法規(guī)缺項(xiàng)、操作規(guī)范缺項(xiàng)、安全研究不足。例如，船用氫氣加注標(biāo)準(zhǔn)（包括液氫加注和金屬氫化物的船舶加氫技術(shù)）、70 MPa儲(chǔ)氫瓶上船標(biāo)準(zhǔn)、船舶重整制氫標(biāo)準(zhǔn)等均處于缺失狀態(tài)。
面向氫動(dòng)力船舶快速發(fā)展需求，相關(guān)船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范需要盡快進(jìn)行補(bǔ)充完善：① 船用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)研究驗(yàn)證，船舶功率需求較大，對(duì)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(chē)用系統(tǒng)；② 氫燃料電池動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析與船用燃料電池及其處所安全防護(hù)專(zhuān)項(xiàng)研究驗(yàn)證，高鹽霧腐蝕和潮濕的海上環(huán)境、船舶振動(dòng)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(guó)港口或錨地尚無(wú)船用氫燃料加注設(shè)施，相關(guān)技術(shù)與規(guī)范需深入研究；④ 船用儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)專(zhuān)項(xiàng)研究驗(yàn)證，及時(shí)制定并持續(xù)完善氫燃料電池動(dòng)力船舶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。
五、我國(guó)氫動(dòng)力船舶的發(fā)展目標(biāo)與建設(shè)路徑
（一）我國(guó)氫動(dòng)力船舶的發(fā)展目標(biāo)
應(yīng)對(duì)“雙碳”發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)乃至全世界在航運(yùn)業(yè)碳減排問(wèn)題上都面臨著巨大壓力。發(fā)展氫動(dòng)力船舶，全面牽引水路交通領(lǐng)域從氫能基礎(chǔ)設(shè)施到終端應(yīng)用的建設(shè)，革新水路交通運(yùn)輸裝備的用能構(gòu)成，支持實(shí)現(xiàn)清潔能源轉(zhuǎn)型。圍繞交通強(qiáng)國(guó)、《中國(guó)制造2025》等行動(dòng)綱領(lǐng)，推動(dòng)傳統(tǒng)船舶制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型與升級(jí)，催生新型船舶設(shè)計(jì)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(shí)施大功率燃料電池、大容量?jī)?chǔ)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(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，完善氫能配套設(shè)施，推動(dòng)多類(lèi)型氫動(dòng)力船舶的示范應(yīng)用。
至2025年為技術(shù)積累階段。借助燃料電池汽車(chē)技術(shù)進(jìn)展，重點(diǎn)突破船用氫燃料電池等關(guān)鍵技術(shù)，制定氫動(dòng)力船舶標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范；完成氫動(dòng)力船舶裝備研發(fā)，在內(nèi)河 / 湖泊等場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力船舶示范應(yīng)用。
2025—2030年為完善產(chǎn)業(yè)階段。構(gòu)建氫動(dòng)力船舶設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、測(cè)試、功能驗(yàn)證、性能評(píng)估體系，建立配套的氫氣“制儲(chǔ)運(yùn)”基礎(chǔ)設(shè)施；擴(kuò)大內(nèi)河/湖泊等場(chǎng)景的氫動(dòng)力船舶示范應(yīng)用規(guī)模，完善水路交通相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)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(chǔ)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(yùn)裝備技術(shù)和產(chǎn)業(yè)體系，在近海場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)氫動(dòng)力船舶應(yīng)用示范。
2035—2060年為推廣應(yīng)用階段。優(yōu)化氫動(dòng)力船舶的綜合性能，推廣本土商業(yè)化應(yīng)用；與綠氨、碳中和LNG / 甲醇等動(dòng)力形式船舶協(xié)同，完成我國(guó)水路交通運(yùn)輸裝備領(lǐng)域碳中和目標(biāo)；在國(guó)際航線上開(kāi)展氫動(dòng)力船舶應(yīng)用示范，提升我國(guó)氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
（二）我國(guó)氫動(dòng)力船舶的建設(shè)路徑
1. 面向碳中和的氫動(dòng)力船舶總體路線圖
LNG船舶應(yīng)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(shí)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(yīng)用空間，而在中短途運(yùn)輸領(lǐng)域未有廣泛應(yīng)用。氫燃料是實(shí)現(xiàn)船舶零排放的重點(diǎn)發(fā)展方向，近期將在內(nèi)河及近海船上開(kāi)展應(yīng)用研究。在制氫方面，目前化石能源制氫是主要方式，未來(lái)占比將逐步下降，可在CCUS技術(shù)成熟后引入以進(jìn)一步降低碳排放；可再生能源制氫是未來(lái)主要的制氫途徑。在儲(chǔ)氫方面，為滿足國(guó)際遠(yuǎn)洋航行船舶的續(xù)航要求，需進(jìn)一步發(fā)展包括液氫儲(chǔ)氫在內(nèi)的高效儲(chǔ)氫技術(shù)，甲醇重整制氫、氨分解制氫等現(xiàn)場(chǎng)制氫技術(shù)。
氫的最佳應(yīng)用載體是燃料電池，PEMFC受限于功率等級(jí)較低以及氫氣純度要求高，將主要應(yīng)用于內(nèi)河及近海船舶，未來(lái)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(lài)純氫，采用余熱利用技術(shù)可進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率，功率等級(jí)有望達(dá)到兆瓦級(jí)，在遠(yuǎn)期是適用于遠(yuǎn)洋船舶的技術(shù)路線。氫內(nèi)燃機(jī)是另一種氫能動(dòng)力系統(tǒng)，隨著船載儲(chǔ)氫技術(shù)發(fā)展表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，將在水路交通“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
氫動(dòng)力船舶發(fā)展路徑與氫燃料電池、氫內(nèi)燃機(jī)、儲(chǔ)氫等技術(shù)以及氫能基礎(chǔ)設(shè)施緊密相關(guān)，按照先內(nèi)河 / 內(nèi)湖、再近海、最后遠(yuǎn)洋的路線分步實(shí)施（見(jiàn)表2）：湖泊區(qū)域的游船 / 渡船等，可采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)；內(nèi)河干線小型船舶（8000 t以下）可采用氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)，內(nèi)河干線大型船舶（8000 t以上）可采用基于氫、氨、甲醇等燃料的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)；近海、遠(yuǎn)洋船舶可采用混合動(dòng)力系統(tǒng)。
表2 氫動(dòng)力船舶發(fā)展進(jìn)度
2. 氫燃料供應(yīng)體系建設(shè)路徑
在近期，化石能源制氫仍占據(jù)主導(dǎo)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(shì)，就生產(chǎn)潛力而言完全可以滿足氫能發(fā)展需要；在更強(qiáng)調(diào)清潔低碳的背景下，CCUS技術(shù)應(yīng)用會(huì)對(duì)煤制氫路線產(chǎn)生重要影響。在中期，可再生能源制氫比重將逐步提高，與碳捕獲技術(shù)結(jié)合生產(chǎn)藍(lán)氫也將形成一定的規(guī)模。在遠(yuǎn)期，利用可再生能源發(fā)電，再通過(guò)水電解制氫將是重要的制氫方式（見(jiàn)圖3）。
圖3 我國(guó)氫動(dòng)力船舶的氫燃料供應(yīng)體系建設(shè)路徑
適合大規(guī)模工程化應(yīng)用的氫氣運(yùn)輸方式主要有高壓氣氫長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸、低溫液氫槽車(chē)運(yùn)輸。目前以高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)為主，后續(xù)將逐步過(guò)渡到低溫液氫儲(chǔ)運(yùn)為主、以高壓氣氫儲(chǔ)運(yùn)為輔。未來(lái)隨著氫氣的廣泛應(yīng)用及規(guī)?；a(chǎn)，涉及純氫的管道運(yùn)輸、天然氣摻氫的管道運(yùn)輸?shù)妮敋涔芫W(wǎng)建設(shè)（或改造）將是能源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)重點(diǎn)。
在內(nèi)河航運(yùn)領(lǐng)域加大氫能利用范圍與規(guī)模，形成以船舶為重點(diǎn)、以港口為中心的航運(yùn)氫能產(chǎn)業(yè)生態(tài)，將支撐水路交通綠色化發(fā)展。積極拓展氫能的港口應(yīng)用，探索在途氫燃料補(bǔ)給模式，既是制氫產(chǎn)業(yè)綠色化發(fā)展的需要，也可支持氫動(dòng)力船舶應(yīng)用并完善水路交通氫能生態(tài)鏈。
我國(guó)沿江經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、化工園區(qū)集中，工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能多臨近港口，氫能來(lái)源較豐富；氫源附近的港口可就地集中消納氫能，同時(shí)利用航運(yùn)在供需港口間進(jìn)行遠(yuǎn)距離的氫能運(yùn)輸，以氫氣規(guī)?；\(yùn)輸來(lái)降低運(yùn)氫成本。加氫站布局可考慮與現(xiàn)有油氣加注站合建，充裕的工業(yè)用地和遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的區(qū)位也為加氫站建設(shè)審批提供便利條件，還可考慮更加靈活的移動(dòng)式加氫站。
海上風(fēng)電制氫指直接通過(guò)水電解制氫設(shè)備將海上風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)化為氫氣，再以氫為能源載體實(shí)現(xiàn)清潔能源的長(zhǎng)期存儲(chǔ)，這就為氫動(dòng)力船舶的海上補(bǔ)充氫燃料提供了可能性。發(fā)達(dá)國(guó)家積極布局海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目，認(rèn)為未來(lái)的樞紐設(shè)施可由設(shè)置在海上風(fēng)電場(chǎng)周邊的氫燃料中心組成；我國(guó)能源體系規(guī)劃鼓勵(lì)建設(shè)海上風(fēng)電基地，推動(dòng)海上風(fēng)電場(chǎng)向深水遠(yuǎn)岸區(qū)域布局。開(kāi)展海上風(fēng)電制氫項(xiàng)目具有一定的趨勢(shì)性，海上綠氫生產(chǎn)基地有望成為氫燃料供應(yīng)體系的重要組成部分。
六、推動(dòng)我國(guó)氫動(dòng)力船舶發(fā)展的建議
（一）明晰應(yīng)用場(chǎng)景
針對(duì)氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)演變趨勢(shì)，借鑒先發(fā)國(guó)家的氫動(dòng)力船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)氫能戰(zhàn)略規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)布局，明晰適應(yīng)國(guó)情的氫動(dòng)力船舶應(yīng)用場(chǎng)景。可按照先內(nèi)河 / 湖泊、再近海、最后遠(yuǎn)洋的發(fā)展次序，制定產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，梯次推進(jìn)技術(shù)攻關(guān)、裝備研制、應(yīng)用示范、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。
（二）突破關(guān)鍵技術(shù)
發(fā)揮宏觀戰(zhàn)略的引導(dǎo)作用，兼顧自主創(chuàng)新與對(duì)外合作，系統(tǒng)發(fā)揮企業(yè)、科研院所、高校的差異化優(yōu)勢(shì)，以企業(yè)為主體實(shí)施氫動(dòng)力船舶裝備創(chuàng)新。著力突破氫動(dòng)力船舶研發(fā)、示范、推廣面臨的關(guān)鍵核心技術(shù)，如高效低碳的氫氣制取技術(shù)、船舶大容量?jī)?chǔ)氫技術(shù)、大功率燃料電池技術(shù)等；促進(jìn)水路交通載運(yùn)工具氫能應(yīng)用水平盡快達(dá)到國(guó)際先進(jìn)，為更大規(guī)模的氫動(dòng)力船舶應(yīng)用示范筑牢基礎(chǔ)。
（三）完善配套設(shè)施
建議在國(guó)家層面開(kāi)展交通領(lǐng)域能源需求演變態(tài)勢(shì)論證，統(tǒng)籌“水陸空”交通的氫能綜合應(yīng)用格局，研究提出燃料供應(yīng)體系、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃。鼓勵(lì)各地區(qū)結(jié)合自有能源與技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展低成本、少污染、高可靠的制氫項(xiàng)目并開(kāi)展應(yīng)用示范，以試驗(yàn)試用積累工程化經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)的大規(guī)模氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供依托。
（四）創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)體系
針對(duì)氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用存在的前期投資大、回報(bào)周期長(zhǎng)的客觀實(shí)際，積極配套政策、資金等資源支持，鼓勵(lì)各類(lèi)企業(yè)依托自身優(yōu)勢(shì)提前布局氫動(dòng)力船舶市場(chǎng)，以示范運(yùn)營(yíng)支持新型運(yùn)營(yíng)模式探索；同步支持傳統(tǒng)船舶下游環(huán)節(jié)積極開(kāi)拓針對(duì)氫動(dòng)力載運(yùn)裝備的檢測(cè)、維修、培訓(xùn)等業(yè)務(wù)。以產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同模式探索建立我國(guó)氫動(dòng)力船舶創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)體系。
