碳減排背景下氫燃料電池船舶發(fā)展現(xiàn)狀及監(jiān)管建議

向元京，郭嬋嬋（東莞海事局，廣東 東莞 523000）

一、引言

隨著氣候變化問(wèn)題日益嚴(yán)重，如何減少溫室氣體排放已成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中亟需考慮的問(wèn)題。為減少船舶污染物排放對(duì)環(huán)境的威脅，國(guó)際海事組織（IMO）2018年要求：2050年全球船舶CO2及溫室氣體排放量要控制在2008年水平的50%以下。而我國(guó)也在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論、氣候雄心峰會(huì)上宣布了碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)：中國(guó)CO2排放力爭(zhēng)2030年前達(dá)到峰值，力爭(zhēng)2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

在此背景下，航運(yùn)業(yè)必須加快產(chǎn)業(yè)低碳轉(zhuǎn)型，尋找更為清潔環(huán)保的船舶替代燃料。英國(guó)造船和航運(yùn)市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)克拉克森研究所（Clarkson Research）預(yù)測(cè)(見(jiàn)圖1)，2030年LNG將位居船舶替代能源的首位，而到2050年，氫燃料船舶將成為占比最大的替代能源船舶，占比達(dá)到40%[1]。

圖1 替代燃料船舶占比預(yù)測(cè)

二、國(guó)內(nèi)氫燃料電池船舶應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)規(guī)范

（一）應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)燃料電池船舶大體上仍處在理論研究階段，工程化應(yīng)用較少。2002年，北京富原燃料電池公司研發(fā)了“富原1”號(hào)，是國(guó)內(nèi)第一艘燃料電池游艇，額定功率400 W，航速7 km/h。2005年，上海海事大學(xué)研制“天翔 1”號(hào)氫燃料電池試驗(yàn)船，電池功率2 kW，航速約13 km/h，續(xù)航3小時(shí)，可搭載2人。2019年，中船集團(tuán)研發(fā)的500 kW級(jí)氫燃料試點(diǎn)船舶設(shè)計(jì)方案獲得中國(guó)船級(jí)社（CCS）原理認(rèn)可（AIP）證書。該船為2 100噸級(jí)內(nèi)河自卸貨船，船長(zhǎng)70．5 m，設(shè)計(jì)吃水3．1 m，采用4x135 kW氫燃料電池作為主動(dòng)力，以鋰電池組進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)償，載有35 MPa高壓氫氣瓶，航速13 km/h，將用于廣東省“綠色珠江”專項(xiàng)工程。

（二）技術(shù)規(guī)范

技術(shù)規(guī)范方面，2017年CCS發(fā)布《船舶應(yīng)用替代燃料指南》，根據(jù)氫燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成及各系統(tǒng)設(shè)備在船舶上的應(yīng)用特點(diǎn)，提出了燃料電池船舶布置、系統(tǒng)與管路設(shè)計(jì)、燃料儲(chǔ)存、燃料加注等安全技術(shù)指標(biāo)。2021年5月CCS發(fā)布《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南（征求意見(jiàn)稿）》，2021年7月交通運(yùn)輸部海事局制定《氫燃料動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則（征求意見(jiàn)稿）》，為保障氫燃料動(dòng)力船舶的安全提供了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

三、氫燃料電池船舶的優(yōu)勢(shì)

目前船舶替代燃料主要有LNG、LPG、氨能、氫能等。氫能在溫室氣體排放、燃燒熱值等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

溫室氣體排放量指標(biāo)除統(tǒng)計(jì)CO2外，還應(yīng)考慮CH4、N2O、黑炭等的影響。目前船舶替代燃料以LNG為主，但其在減少溫室氣體排放方面的效果有限。LNG的主要成分為甲烷，使用中易產(chǎn)生甲烷逃逸尾氣，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每立方米的甲烷所造成的溫室效應(yīng)約為CO2的20—25倍[2]；而氨能燃燒會(huì)產(chǎn)生氮氧化物，因此使用LNG和氨能仍會(huì)產(chǎn)生大氣污染物排放。

碳減排效果方面，IMO船舶溫室氣體減排第7次會(huì)間工作組會(huì)議ISWG-GHG 7/5/2研究報(bào)告[3]顯示，從LNG生產(chǎn)-存儲(chǔ)-運(yùn)輸-加注-船上使用整個(gè)供應(yīng)鏈來(lái)看，在100年的時(shí)間框架內(nèi)LNG對(duì)比燃油最多只能減少15%的碳排放，且只有使用高壓雙燃料（HPDF，high-pressure dual fuel）發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)才可實(shí)現(xiàn)，而目前僅有12%的LNG動(dòng)力船舶使用這種發(fā)動(dòng)機(jī)。IMO ISWG-GHG 7/5/8研究報(bào)告[4]分析了各類型燃料碳排放值和燃燒熱值（見(jiàn)圖2），由于氫能燃燒僅生成水和熱，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的零碳排放。

圖2 各類型船用燃料的燃燒熱值對(duì)比

燃燒熱值方面，由圖2可見(jiàn)替代燃料中僅氫和氨能夠?qū)崿F(xiàn)零碳排放，但氫燃燒的熱值遠(yuǎn)高于氨，位居各燃料之首。每千克氫燃燒可產(chǎn)生120 000 kJ熱量，約為氨的6．5倍、重燃料油的3倍、LNG的2．5倍。

此外，氫能還具有來(lái)源廣、噪聲低、振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。氫元素在地殼、大氣和水中廣泛存在，約占宇宙質(zhì)量的75%，是宇宙中含量最多的元素，可通過(guò)電解水制氫、天然氣制氫、煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫等技術(shù)獲取。氫燃料電池內(nèi)部沒(méi)有機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，僅有來(lái)自外圍輔助部件的輕微噪音和振動(dòng)，可改善船上生活環(huán)境。因此，零排放、無(wú)污染的氫能是最具發(fā)展前景的船用清潔替代燃料。

四、氫燃料電池船舶發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

氫燃料電池船舶是實(shí)現(xiàn)IMO碳減排目標(biāo)和我國(guó)碳達(dá)峰碳中和承諾的重要途徑，但其在推廣過(guò)程中仍面臨著諸多問(wèn)題。

（一）成本高昂

在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和進(jìn)程中，能源成本承受能力是必須考慮的因素。國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）數(shù)據(jù)顯示，氫燃料價(jià)格約為天然氣的9倍。據(jù)測(cè)算，氫燃料電池船的建造成本可達(dá)到同類內(nèi)燃機(jī)船舶的2倍以上[5]。這主要由于氫能產(chǎn)業(yè)鏈尚不成熟，制氫、儲(chǔ)運(yùn)氫需要大量的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，前期投入很高。但近年來(lái)，隨著先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用以及氫能產(chǎn)業(yè)鏈的逐步搭建，氫燃料電池的成本正逐漸降低。

（二）加氫站基礎(chǔ)設(shè)施缺乏

加氫站是保障氫燃料電池船舶正常使用的重要配套設(shè)施。截至2021年6月，我國(guó)累計(jì)建成141座加氫站，其中119座已投入運(yùn)營(yíng)?，F(xiàn)有加氫站主要提供燃料電池汽車的加注服務(wù)，大多選址在非港口地區(qū)，無(wú)法直接為船舶提供加注服務(wù)。

（三）安全性有待提升

目前船用氫燃料電池在穩(wěn)定性、技術(shù)性能、壽命等方面仍有待改進(jìn)。穩(wěn)定性方面，相比氫燃料電池汽車，船舶的運(yùn)行環(huán)境更為復(fù)雜，多維搖擺、高濕、高鹽的工作環(huán)境對(duì)燃料電池長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行將是嚴(yán)峻的考驗(yàn)。此外，由于技術(shù)制約，目前氫燃料電池的功率較小，一般約幾百千瓦，但大型船舶通常需要幾千至上萬(wàn)千瓦功率推進(jìn)，氫燃料電池現(xiàn)有功率還不足以支撐。壽命方面，目前燃料電池壽命不超過(guò)5 000小時(shí)，對(duì)需要長(zhǎng)時(shí)間航行的遠(yuǎn)洋船舶續(xù)航時(shí)間明顯不足。

另外，氫氣具有燃點(diǎn)低、爆炸極限范圍寬和擴(kuò)散系數(shù)大等特點(diǎn)，用作氫燃料電池后如何確保船舶的安全是未來(lái)業(yè)界需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。

（四）國(guó)內(nèi)氫燃料電池船舶相關(guān)海事法規(guī)尚不完善

目前國(guó)內(nèi)氫燃料電池船舶相關(guān)海事法規(guī)尚處于起步階段，已發(fā)布的《船舶應(yīng)用替代燃料指南》《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南（征求意見(jiàn)稿）》以及《氫燃料動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗(yàn)暫行規(guī)則（征求意見(jiàn)稿）》，主要提出氫燃料電池船舶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于船員培訓(xùn)、通航安全等其他方面涉及較少。如何結(jié)合氫燃料電池船舶的特性，建立相應(yīng)的船舶規(guī)范、船員培訓(xùn)、航運(yùn)公司管理等安全監(jiān)管體系，是海事管理機(jī)構(gòu)亟待解決的問(wèn)題。

五、氫燃料電池船舶的海事監(jiān)管建議

針對(duì)氫燃料電池船舶發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，從海事管理機(jī)構(gòu)的角度提出以下監(jiān)管建議：

（一）完善氫能船舶規(guī)范

建議借鑒LNG動(dòng)力船舶和氫燃料電池汽車的經(jīng)驗(yàn)，建立系統(tǒng)全面的標(biāo)準(zhǔn)和氫能源安全管理制度，聯(lián)合政府相關(guān)職能部門在船舶制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫、用氫等方面制定嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)體系。目前CCS《船舶應(yīng)用替代燃料指南》第2篇主要適用于高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫技術(shù)，建議對(duì)液氫等多種形式的儲(chǔ)氫技術(shù)進(jìn)行規(guī)范。

（二）協(xié)調(diào)推進(jìn)技術(shù)攻關(guān)

目前氫燃料電池船舶主要采用高壓氣瓶?jī)?chǔ)氫技術(shù)和質(zhì)子交換膜燃料電池，儲(chǔ)氫密度和電池功率較低，建議協(xié)調(diào)有關(guān)部門推進(jìn)高能量密度儲(chǔ)氫技術(shù)（如液氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫）和大功率燃料電池技術(shù)（如高溫燃料電池）船用化技術(shù)攻關(guān)工作。此外，建議依托CCS、科研院校對(duì)船用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、氫氣管路系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、氫燃料加注等開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和技術(shù)研究。

（三）加強(qiáng)船員培訓(xùn)和航運(yùn)公司管理

建議單獨(dú)設(shè)立氫燃料電池船船員特殊培訓(xùn)項(xiàng)目，增設(shè)氫燃料理化特性、燃料儲(chǔ)存、燃料電池運(yùn)行監(jiān)控等培訓(xùn)內(nèi)容。營(yíng)運(yùn)氫燃料電池船舶的航運(yùn)公司，需制定相應(yīng)的船員操作須知，加強(qiáng)氫燃料電池船舶安全營(yíng)運(yùn)管理。

（四）制定安全監(jiān)督管理規(guī)定和安全操作指南

根據(jù)氫燃料電池船舶示范運(yùn)行情況，適時(shí)出臺(tái)《氫燃料電池船舶安全監(jiān)督管理規(guī)定》，明確氫燃料電池船舶在通航安全（如是否需要設(shè)立移動(dòng)安全區(qū)）、氫燃料加注補(bǔ)給（如選用船-船加注還是車-船加注方式更為安全、加注的最高速率限制等）、貨運(yùn)安全（如儲(chǔ)氫處所與貨物的隔離要求）、營(yíng)運(yùn)船種（如是否有必要將氫能船作為一種新的船舶種類進(jìn)行分類）等方面的規(guī)定，針對(duì)氫燃料動(dòng)力船舶進(jìn)出港、靠泊期間可能出現(xiàn)的氫燃料泄漏、壓縮氫氣燃料罐處所火災(zāi)、爆炸等險(xiǎn)情事故，進(jìn)一步完善應(yīng)急預(yù)案，明確應(yīng)急響應(yīng)等級(jí)，建立健全應(yīng)急處置流程。此外，建議根據(jù)氫燃料船舶檢驗(yàn)規(guī)則，制定《氫燃料電池船舶安全操作指南》，明確船員進(jìn)行船舶操作、維護(hù)、應(yīng)急等工作的安全操作規(guī)程。

（五）開(kāi)展示范運(yùn)行

鼓勵(lì)長(zhǎng)三角、珠三角等有條件的地區(qū)先行先試，率先設(shè)立氫燃料電池動(dòng)力船舶的示范應(yīng)用項(xiàng)目?？紤]到現(xiàn)有氫燃料電池功率較小，建議逐步采用內(nèi)河-近海-遠(yuǎn)洋進(jìn)行示范推廣。建議以“綠色珠江”工程2 100噸級(jí)氫燃料試點(diǎn)船舶項(xiàng)目為抓手，搭建氫燃料電池船舶示范基地，圍繞船員特殊培訓(xùn)、船公司管理、應(yīng)急處置等進(jìn)行積極探索，形成一套可推廣、可復(fù)制的氫燃料電池船舶海事監(jiān)管模式。

六、結(jié)語(yǔ)

盡管氫能在船舶上的應(yīng)用目前仍處于起步探索階段，但隨著未來(lái)大功率氫燃料電池等技術(shù)的攻克，氫有望成為最具發(fā)展?jié)摿Φ拇昧闩欧盘娲剂?。海事管理機(jī)構(gòu)應(yīng)持續(xù)關(guān)注和研究相關(guān)國(guó)際公約規(guī)范的新進(jìn)展，建立健全相關(guān)法規(guī)規(guī)范，積極開(kāi)展示范運(yùn)行，助力水運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和承諾。