液氫運輸船技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

時光志

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300457)

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 液氫運輸船

2017年2月2日日本在大阪灣內(nèi)成功進行了首艘長50 m，總重449 t的“Fukae-maru”訓(xùn)練船運輸液氫的實驗，用以測試液氫在海上的晃動和蒸發(fā)特性。目前世界范圍內(nèi)僅有日本川崎重工下水了一艘單個液氫罐容1 250 m，名為“Suiso Frontier”的2 500 m液氫運輸船(見圖1)，該船用于從澳大利亞到日本遠距離運輸液氫，設(shè)計船長116 m，型寬19 m，型深10.6 m，為了適應(yīng)液氫-253°的低溫環(huán)境，該船采用真空穹頂、雙層不銹鋼絕熱殼體等特殊設(shè)計，還對柴電推進系統(tǒng)、通風(fēng)管道等多方面進行了優(yōu)化設(shè)計。

圖1 “Suiso Frontier”號運輸船

此外，川崎重工瞄準不斷增長的氫能運輸市場，決定在2026年建造全球首艘大型液氫運輸船，該船設(shè)計全長300 m，寬約50 m，與13萬t級LNG運輸船規(guī)模相當(dāng)(見圖2)，船上計劃安裝4個液氫儲罐，每個儲罐可以儲存4萬 m液氫。同時，川崎重工計劃對液氫運輸船推進系統(tǒng)進行升級，參考早期LNG運輸船的推進方案，計劃研究利用燃燒氫氣產(chǎn)生的蒸汽帶動渦輪機的推進方式。

圖2 川崎重工大型液化氫運輸船概念

2020年10月22日，現(xiàn)代重工集團旗下現(xiàn)代尾浦造船的20 000 m液化氫運輸船設(shè)計已經(jīng)獲得了原則性批準(AIP)。

此外，Moss Maritime、Equinor、Wilhelmsen和DNV-GL合作開發(fā)了一款船用液化氫(LH)燃料容器，正在計劃開展一艘容積為9 000 m的液氫運輸船的設(shè)計工作(見圖3)，該船擬用于為氫動力船舶提供液氫燃料加注服務(wù)，同時可進行液氫的遠洋運輸業(yè)務(wù)。

圖3 挪威聯(lián)合設(shè)計液氫運輸船概念

我國目前普遍采用20 MPa氣態(tài)高壓儲氫與集束管車運輸?shù)姆绞?，在一定的儲運距離內(nèi)有較高的經(jīng)濟性，但存在氫密度低、壓縮能耗較高，以及儲氫罐安全設(shè)計冗余帶來的附加成本較高等缺點，不適于氫的長距離、大規(guī)模運輸。

液氫在20、30、70 MPa壓力下密度分別是氣氫密度的4.9、3.4、1.8倍，以公路運輸為例，液氫運輸槽車與20 MPa氣氫拖車運輸相比可使單次儲運量提高約9倍，充載時間減少約1倍，因此液氫運輸是氫氣大規(guī)模、長距離儲運的新方向。液氫的低溫特性導(dǎo)致其存儲密度和蒸發(fā)率與液氫儲罐的容積密不可分，在同等絕熱條件下隨著儲氫罐罐容的增大，液氫的蒸發(fā)率會有所降低，當(dāng)液氫生產(chǎn)廠到用戶的距離較遠時，船舶運輸液氫成為高效、經(jīng)濟的運輸方式，具有成本低、貨量大及可進行遠程運輸?shù)戎T多優(yōu)點，是目前世界范圍內(nèi)進行氫能再分配的全新趨勢之一。

1.2 氫燃料船用動力系統(tǒng)

液氫運輸船的設(shè)計離不開與之匹配的氫燃料發(fā)動機，目前市場還沒有成熟技術(shù)的大功率氫燃料船舶主、輔機。2021年4月27日，日本川崎重工(Kawasaki)、洋馬發(fā)動機公司(Yanmar)和日本發(fā)動機公司(J-ENG)等聯(lián)合宣布組成日本發(fā)動機聯(lián)盟，共同開發(fā)用于遠洋和沿海船舶的氫燃料船用發(fā)動機，以確立氫發(fā)動機技術(shù)的世界領(lǐng)先地位。3家公司將尋求氫燃料價值鏈中的核心技術(shù)，對氫燃料、材料、密封技術(shù)，以及船級社要求等共同的核心基礎(chǔ)技術(shù)進行合作實驗和分析，各公司都計劃于2025年推出氫燃料船用發(fā)動機。其中川崎重工將開發(fā)中速四沖程發(fā)動機主要用于中小型船舶推進主機和大中型船舶大功率發(fā)電機；洋馬將開發(fā)中高速四沖程發(fā)動機主要用于中小功率船舶發(fā)電機；而日本發(fā)動機公司將專注于開發(fā)低速二沖程發(fā)動機用于大中型船舶推進主機。布局幾乎涵蓋了所有大中小型船舶主、輔機。

2020年5月12日，洋馬宣布開發(fā)基于汽車燃料電池技術(shù)的船用氫燃料電池系統(tǒng)， 作為提供環(huán)保動力總成解決方案努力的一部分，其氫燃料電池單元和高壓儲能罐見圖4。

圖4 洋馬基于汽車燃料電池技術(shù)的 船用氫燃料電池布置示意

我國712所已于2019年第20屆海事會展上發(fā)布了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的全國首臺500 kW級用燃料電池系統(tǒng)解決方案，可用作包括游艇、公務(wù)船、漁船等中小型船舶動力。中船動力也已完成500 kW功率船用氫燃料電池系統(tǒng)的方案設(shè)計。

2 技術(shù)發(fā)展方向

液氫運輸船設(shè)計很多方面都可以借鑒LNG運輸船的相關(guān)經(jīng)驗，但是與LNG運輸船相比，液氫運輸船也有很多不同的特點，對于液氫運輸船的貨物圍護系統(tǒng)，氫的某些特性例如，-253 ℃的低溫和氫脆等現(xiàn)象會對罐體的設(shè)計造成影響。液氫溫度比LNG溫度低約90 ℃，使得液氫的蒸發(fā)速率是LNG的10倍以上。因此，為了提高液氫運輸?shù)倪\輸效率，提高液氫運輸?shù)慕?jīng)濟實用性，液氫運輸船的設(shè)計應(yīng)考慮使用大型儲罐并使用航速較快的船型，在船型開發(fā)設(shè)計過程中應(yīng)結(jié)合貨物特性及綠色安全高效低成本的運輸要求進行多目標優(yōu)化設(shè)計。

2.1 液氫運輸船儲罐系統(tǒng)

與LNG貨物圍護系統(tǒng)相比，液氫儲罐在保溫絕熱方面需要進行更加嚴格的設(shè)計，采用絕熱效率更高的技術(shù)方案以保證將外界環(huán)境對液貨的影響降至最低；并且，在運輸過程中，液氫較LNG更低的溫度使得液氫儲罐本身物理結(jié)構(gòu)發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象會更為明顯，勢必會增加其結(jié)構(gòu)上的設(shè)計難度。因此，開展對液氫絕熱系統(tǒng)和儲罐支撐系統(tǒng)的研究對于液氫運輸船未來的發(fā)展十分重要。

液氫儲罐低溫絕熱系統(tǒng)是液氫運輸船保證貨物安全，降低BOG的重要技術(shù)手段，常見的低溫絕熱技術(shù)可分為被動絕熱技術(shù)和主動絕熱技術(shù)。主要的區(qū)分依據(jù)是看該技術(shù)是否有外界主動供能以提高其絕熱效果。被動絕熱技術(shù)是通過對儲罐絕熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行改進，盡可能減少外部熱量通過絕熱系統(tǒng)進入儲罐內(nèi)，從而降低冷損，提高保溫絕熱效率，現(xiàn)已廣泛運用到各種低溫設(shè)備的絕熱系統(tǒng)中。主動絕熱技術(shù)絕熱是由外部主動供能輔助進行保溫絕熱，甚至可以做到“零蒸發(fā)”，但是由于其需要外界提供能量，大大增加了液氫儲罐低溫絕熱系統(tǒng)的復(fù)雜程度，使得經(jīng)濟性大為降低。

常見的被動絕熱技術(shù)主要有以下幾種。

1)堆積絕熱技術(shù)。在液氫儲罐罐體表面包覆一定厚度的保溫絕熱材料以達到保溫絕熱的目的，常見的包覆材料主要有以下幾種類型：粉末型、纖維型以及固體泡沫型。該技術(shù)優(yōu)點在于成本低，對不規(guī)則罐體形狀適用性好；但由于技術(shù)較為簡單，保溫絕熱性能遜色于其他被動絕熱技術(shù)。

2)高真空絕熱技術(shù)。通過在儲罐罐體上進行改進，使用雙壁夾層作為絕熱空間，并要求該空間內(nèi)的壓強保持在1.33×10Pa以下，通過這種設(shè)計來消除氣體導(dǎo)熱效應(yīng)和氣體對流傳熱對罐內(nèi)貨物溫度的影響。

3)真空粉末(或纖維)絕熱技術(shù)。原理是在儲罐的絕熱空間中填充絕熱材料并抽至一定的真空來進行對罐體的絕熱保護，常用的填充材料多為多孔性絕熱材料，壓力約1～10 Pa，是堆積絕熱與真空絕熱相結(jié)合的一種絕熱型式。

4)高真空多層絕熱技術(shù)。在罐體真空絕熱空間中將具有低導(dǎo)熱率的材料平行于冷壁輻射屏布置所組成的較為高效的保溫絕熱技術(shù)。該技術(shù)保溫絕熱性能較好，重量輕，但制造成本較高，工藝較為復(fù)雜，對復(fù)雜形狀的罐體適應(yīng)性差。

5)高真空多屏絕熱。對多層絕熱技術(shù)改進，將多層絕熱技術(shù)與蒸汽冷屏相結(jié)合產(chǎn)生的一種新型絕熱結(jié)構(gòu)，絕熱性能十分優(yōu)越，一般適用于液氫、液氮的小量貯存容器中。

液氫儲罐所采用的保溫絕熱技術(shù)需根據(jù)儲罐容積的大小、移動或固定形式等工況可選擇多種絕熱結(jié)構(gòu)型式，對于液氫貯罐，常采用高真空多層絕熱技術(shù)作為罐體保溫絕熱措施。

主動絕熱技術(shù)的特點是主動轉(zhuǎn)移熱量，盡可能避免熱量傳導(dǎo)至液氫儲罐。為了達到轉(zhuǎn)移熱量的目的，通常采用外加制冷機主動耗能提供冷量的方式來實現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)更好的絕熱效果。零蒸發(fā)儲存(zero boil-off， ZBO)就是在被動絕熱基礎(chǔ)上，主動進行熱量轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)低溫液體“零蒸發(fā)”。ZBO概念的可行性驗證實驗原理見圖5。

圖5 ZBO概念的可行性驗證實驗原理示意

ZBO技術(shù)可分為逆布雷頓式及分離式2種不同類型，二者的主要區(qū)別在于使用的制冷機不同。由于分離式ZBO技術(shù)制冷機的冷指一般較小，很難與較大的儲罐集成; 而逆布雷頓式ZBO技術(shù)可通過壓縮機提供動力，與分離式相比，冷量在冷屏上的分布更為均勻，且由于冷屏中的介質(zhì)與逆布雷頓式ZBO技術(shù)的制冷機工質(zhì)相同，無需額外的換熱器。

2007年，大面積冷卻屏絕熱技術(shù)(board-area-cooled，BAC)被提出，該技術(shù)是通過在液氫儲罐外再布置一個面積較大的氣體冷卻屏來減少液氫的蒸發(fā)量，該氣體冷卻屏由多根氣體管路纏繞而成，冷屏與布雷頓制冷機相結(jié)合組成儲罐的制冷回路，用來給液氫提供冷量，制冷回路中的循環(huán)工質(zhì)為低溫氦氣，BAC絕熱技術(shù)相比于以往將換熱器布置在儲罐內(nèi)部的方法更有效，溫度梯度大大減少。技術(shù)流程見圖6。

圖6 BAC技術(shù)示意

2.2 儲罐支撐系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1 球形儲罐

由于液氫的溫度遠低于LNG溫度，這就使得存儲液氫的儲罐的冷收縮程度遠大于存儲LNG的儲罐，對液氫儲罐而言，如何降低通過儲罐支撐結(jié)構(gòu)自身無法避免的導(dǎo)熱效應(yīng)傳遞到罐內(nèi)的熱量是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提。為解決此問題，可考慮對支撐結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計，采取類似懸掛支撐的特殊支撐形式。

2.2.2 菱形儲罐

由于菱形儲罐允許罐體進行自由收縮，且不需要顧及到罐體收縮量的大小，菱形儲罐垂直和側(cè)向支撐均是由可滑動支撐塊體進行支撐，支撐塊的排列方式采用中心線式排列。由于船體和儲罐之間沒有任何金屬塊的連接，使得罐體可以收縮運動，不會有熱應(yīng)力產(chǎn)生。

考慮到液氫儲罐對運輸船航行穩(wěn)定性等方面的影響，若采用球形液氫儲罐的支撐形式，可采用4個儲罐組成1個貨物圍護系統(tǒng)進行設(shè)計；若采用菱形液氫儲罐的支撐形式，可采用2個儲罐組成1個系統(tǒng)進行設(shè)計,見圖7。

圖7 不同儲罐支撐結(jié)構(gòu)的儲罐布局

2.3 液氫運輸船船型的優(yōu)化設(shè)計

為使液氫運輸船具備良好的機動性，需保持一定的吃水線。由于液氫密度僅為LNG的1/6，這就使得運輸相同體積的貨物時所裝載的液氫質(zhì)量要比LNG小很多，這就給液氫運輸船的船體設(shè)計帶來了困難。

因此需要在船型設(shè)計開發(fā)階段，采用有效的決策理論與方法，分析多目標因素，綜合考慮船舶浮態(tài)、穩(wěn)性、抗沉性、快速性及波浪中橫搖運動等性能，提出全新的總體概念設(shè)計方案并付諸設(shè)計驗證；基于采用貨物蒸發(fā)氣作為船舶主燃料，結(jié)合工業(yè)氫燃料技術(shù)發(fā)展，選擇合適的推進系統(tǒng)，如氫燃料電池或氫燃氣輪機等；基于液氫圍護系統(tǒng)蒸發(fā)率預(yù)報和驗證成果，實現(xiàn)服務(wù)航速與設(shè)計蒸發(fā)率的最優(yōu)匹配，降低運輸過程中的能耗和貨物損耗，提高船舶全生命周期運營的經(jīng)濟性。

3 液氫商業(yè)運輸產(chǎn)業(yè)鏈分析

目前全球大約有100個大型氫項目，主要在歐洲、亞太和澳洲等地區(qū)。選取有關(guān)氫商業(yè)運輸產(chǎn)業(yè)鏈的2個典型項目，簡要分析其各自的液氫運輸關(guān)鍵點。

1)澳大利亞至日本氫能源供應(yīng)鏈項目(hydrogen energy supply chain project, HESC)。澳大利亞維多利亞州擁有全球已知褐煤含量的1/4，但褐煤能量含量較低，被認為是最低等級的煤，該項目由日本川崎重工主導(dǎo)，通過煤與氧氣和蒸汽在高溫高壓下反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生的二氧化碳通過一個平行項目注入海底，氫氣經(jīng)液化后運輸至日本，其供應(yīng)鏈見圖8。這個項目的關(guān)鍵點是液氫運輸船，前述川崎重工的液氫運輸船計劃即為這個項目的關(guān)鍵點。

圖8 日本氫能源供應(yīng)鏈HESC

2)沙特阿拉伯大氫氣計劃(BIG HPLNAS)。沙特阿拉伯國際電力和水務(wù)公司(ACWA Power)與歐洲有關(guān)國家合作，實施世界上最大的綠色氫能源計劃(BIG HPLANS)；流程見圖9。

圖9 BIG H2 PLANS流程

該計劃充分利用沙特豐富的風(fēng)能和太陽能發(fā)電用于電解海水產(chǎn)生氫氣，將氫氣與氮氣合成氨(NH)，再將液氨通過船運至全球各用戶目的地(主要在歐洲)，從液氨中還原出氫和氮氣，最后將壓縮氫氣分配給終端用戶(如氫動力汽車等)使用。這個計劃的關(guān)鍵點是繞開了直接運輸液氫的技術(shù)瓶頸，轉(zhuǎn)而利用現(xiàn)有相對成熟的技術(shù)運輸液氨。

由此可見，目前國際上液氫商業(yè)運輸?shù)母拍罨旧隙荚谄鸩诫A段。我國LNG運輸船的設(shè)計和建造基本上是從引進國外成熟技術(shù)起步的，對于整個LNG商業(yè)運輸產(chǎn)業(yè)鏈中的很多重要技術(shù)，我國相關(guān)企業(yè)長期以來一直需向國外相關(guān)企業(yè)支付可觀的專利費。而液氫商業(yè)運輸是一個全新概念，目前還沒有形成比較成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，從某種程度講世界各國差不多都在同一起跑線上，應(yīng)該是我國突破液氫商業(yè)運輸?shù)暮诵漠a(chǎn)業(yè)鏈的專利技術(shù)的時間窗口。無論是液氫運輸圍護系統(tǒng)或液氫運輸船型本身，甚至氫燃料發(fā)動機，都需要調(diào)動行業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀的資源和力量，突破常規(guī)思路，敢于創(chuàng)新，形成我國特色的液氫商業(yè)運輸產(chǎn)業(yè)鏈。