氫燃料動力船舶在三峽河段的應(yīng)用

周引平，陶如豪，胡志芳，尚 樺

氫燃料動力船舶在三峽河段的應(yīng)用

周引平，陶如豪，胡志芳，尚 樺

（長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443002）

本文結(jié)合三峽河段氫燃料動力船建造工程實施中遇到的實際問題，開展了氫燃料船應(yīng)用的有關(guān)探索，從國內(nèi)外氫燃料動力船發(fā)展現(xiàn)狀入手，進行了氫燃料動力船應(yīng)用特性分析和安全分析，并結(jié)合三峽河段的特征開展了氫燃料船的應(yīng)用分析，就其安全應(yīng)用和管理提出了有關(guān)建議。

氫燃料動力船 三峽河段 應(yīng)用

0 引言

隨著全世界對控制溫室氣體排放的需求越來越迫切，氫能作為一種來源廣泛、清潔無碳、靈活高效、可持續(xù)的二次能源，被視為二十一世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，歐盟、日本、韓國等國家高度重視，相繼制定了多樣化的氫能發(fā)展政策。2020年歐盟委員會發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》和《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》，韓國在2018年發(fā)布《創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略投資計劃》，將氫能產(chǎn)業(yè)列為三大戰(zhàn)略投資方向之一。

2019年3月，日本政府公布《氫能利用進度表》，明確至2030年氫能應(yīng)用的關(guān)鍵目標(biāo)。我國政府也相繼出臺多項政策，已制定《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》，提出了氫工業(yè)、先進燃料電池和燃料電池分布式發(fā)電等3個戰(zhàn)略發(fā)展方向；2019年首次將推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)寫入《政府工作報告》，截止2020年6月，全國范圍內(nèi)省及直轄市級的氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃超過10個，地級市及區(qū)縣級的氫能專項規(guī)劃超過30個。

與此同時，由于船舶碳排放形成的溫室效應(yīng)占比越來越高，船舶廢氣排放對空氣造成的污染和碳排放問題越來越引起各方重視。當(dāng)前，全球約55000條商船承擔(dān)了世界近90%的貿(mào)易運輸，航運業(yè)引發(fā)的環(huán)境污染問題正日益成為國際社會關(guān)注的焦點。根據(jù)國際環(huán)保組織自然資源保護協(xié)會（NRDC）的《船舶港口空氣污染防治白皮書》提供的資料顯示，一艘使用3.5%含硫量的燃料油的中大型集裝箱船，以最大功率的70%負荷運行，一天排放的PM2.5相當(dāng)于50萬輛使用國四油品的貨車一天的排放量。因此，在船舶動力領(lǐng)域?qū)ふ腋鞣N替代燃料的努力已經(jīng)越來越迫切，中國船舶集團712、704國家重點科研院所和大企業(yè)等相關(guān)單位也在大力推進新型節(jié)能、環(huán)保、能源在船舶動力領(lǐng)域的探索與應(yīng)用，其中，氫燃料動力船、純電池動力船等應(yīng)用需求迫在眉睫。

三峽河段地處內(nèi)陸腹地湖北宜昌，是長江黃金水道中的咽喉要道。隨著經(jīng)濟發(fā)展和科技進步，船舶貨運量逐年上升，有力促進了沿江省市經(jīng)濟社會發(fā)展。如重慶市水運量由2004年的0.19億噸增加到2018年的1.95億噸，其90％以上的外貿(mào)物資運輸依靠內(nèi)河航運，60%以上的社會運輸周轉(zhuǎn)量依賴水運完成。此外，宜昌本地有設(shè)施完備的制氫加氫站和大量的磷化工企業(yè)，氫燃料供應(yīng)條件完備，從而使得氫燃料動力船在三峽河段應(yīng)用條件十分充分，而且影響廣泛。特別是由于三峽河段自身區(qū)位的特殊性和敏感性，將對船舶新能源應(yīng)用產(chǎn)生非常顯著的示范效應(yīng)。

1 國內(nèi)外氫燃料動力船發(fā)展現(xiàn)狀

2000年以來，隨著節(jié)能減排需求的日益增長和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，氫燃料動力船舶受到越來越多的重視。世界上許多氫燃料動力船舶項目相繼開始進行，諸如泰晤士河氫能生態(tài)項目、三星重工氫燃料動力船舶以及烏斯坦集團和Nedstack燃料電池技術(shù)公司共同打造的SX190 DP2氫燃料動力海船等。截止2021年，世界上先后有近十艘氫燃料動力船（含混動）建成或即將建成。其中，2018年7月，美國在舊金山開工建造了首艘氫燃料電池客船“Water-Go-Round”，該船最高航速可達22 km/h，可裝載84名乘客。

我國這方面雖然研究起步較晚，但發(fā)展很快，在第20屆中國國際海事展期間，中國船舶集團公布了其自主研發(fā)的氫燃料動力內(nèi)河自卸貨船。該船長70.5 m，設(shè)計航速13 km/h，續(xù)航力140 km，采用4×125 kWPEMFC燃料電池和4×250 kWh鋰電池組作為船舶動力源。2021年大連化物所負責(zé)建成中國第一艘燃料電池游艇“蠡湖”號。該船長13.9 m，采用70 kW氫燃料電池電堆和86 kWh的鋰電池組成混合動力，設(shè)計船速18 km/h，續(xù)航189 km。

2 氫燃料動力船應(yīng)用特性分析

由于氫燃料電池有許多優(yōu)點：能量轉(zhuǎn)化效率高、安裝地點靈活、排放少、噪音低、易安裝維護、操作性能及運行可靠性高等，氫燃料電池相關(guān)技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用到了相關(guān)船舶上。但是由于目前氫燃料動力發(fā)展技術(shù)尚不成熟，還存在一定的不足和局限性：

2.1 氫燃料動力船能提供的船舶動力

氫燃料動力船能提供的船舶動力有限：一是續(xù)航能力有限。由于全球加氫站分布密度不夠，且目前的技術(shù)需要儲存氫燃料的裝置通風(fēng)要求高，儲存容量有限（《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》規(guī)定氫氣瓶瓶組總?cè)莘e不得大于3000 L），導(dǎo)致其續(xù)航里程不高，一般只能達到數(shù)百公里。二是其航行速度有限。目前，成熟的氫燃料動力裝置最大功率是560 kW，船艇實際最大航行速度一般20 km/h左右，還不能滿足大型船舶和快速船舶的動力需求。

2.2 氫燃料動力船本身動力電網(wǎng)供電

氫燃料動力船本身動力電網(wǎng)供電可靠性有限，必須配備鋰電池組配合使用才能確保船舶動力電網(wǎng)供電能夠正常平穩(wěn)運行。配置鋰電池組的主要作用是對船舶動力電網(wǎng)供電進行“削峰填谷”。當(dāng)船舶處于逆流航行或高航速、高負荷運行工況時，船舶動力系統(tǒng)對電力需求會非常大，僅僅依靠氫燃料電池發(fā)電就遠遠不能滿足需求。此時就需要船舶配置額外的電源對電網(wǎng)進行補充供電。另外，當(dāng)船舶處于順流航行或低航速、輕負載工況時，動力系統(tǒng)對電力需求相對較少，此時氫燃料電池提供的電量完全能夠滿足船舶動力的需求，甚至?xí)惺Ｓ嚯娏?。此時就需要船上配置有儲能設(shè)備將多余的電量儲存起來。

2.3 氫燃料動力船防火防爆要求

燃料動力系統(tǒng)通風(fēng)要求高。可靠的通風(fēng)系統(tǒng)是氫燃料動力船舶燃料動力系統(tǒng)的必要安全保障，應(yīng)保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常工作，燃料電池所處的通風(fēng)率應(yīng)足以在因技術(shù)故障而導(dǎo)致的所有最大可能泄漏情況下，將平均氣體/蒸汽濃度稀釋到可燃范圍的25%以下，且至少保證每小時30次換氣的通風(fēng)能力。

3 氫燃料動力船安全分析

氫氣具有易燃性、爆炸性、泄漏性、擴散性和氫脆等五大特性導(dǎo)致其有一定的安全隱患。與常規(guī)燃油動力船舶相比，氫燃料動力船燃料主要的風(fēng)險由氫燃料的特性帶來。氫燃料動力船舶燃料動力系統(tǒng)一般包括燃料電池發(fā)電模塊、供氫裝置、監(jiān)控裝置和輔助裝置。氫燃料動力船舶的安全風(fēng)險也就主要集中在氫燃料儲存裝置、氫燃料輸送管、燃料電池模塊。

3.1 氫燃料儲存裝置

目前氫燃料一般采用鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞復(fù)合氣瓶。其主要風(fēng)險在于：一是由于內(nèi)罐疲勞現(xiàn)象、氫脆或腐蝕造成內(nèi)罐失效；二是航行中船舶高能碰撞造成罐體損壞，氫氣泄漏，釋放到燃料罐存放空間，可能發(fā)生自然引起火災(zāi)和爆炸；三是儲氫罐超壓造成罐體損壞，氫氣泄漏，釋放到燃料罐存放空間，可能發(fā)生自燃，引起火災(zāi)和爆炸。

3.2 氫燃料輸送管

氫燃料輸送管主要將氣態(tài)氫從儲氫罐輸送至燃料電池模塊。其主要風(fēng)險為：氣態(tài)氫輸送過程中，輸送管由于疲勞、氫脆或腐蝕失效，導(dǎo)致氫氣泄露和擴散。

3.3 燃料電池模塊

氫燃料與空氣進入燃料電池模塊反應(yīng)，產(chǎn)生電能。其主要風(fēng)險包括：一是由于氫脆、腐蝕或連接不嚴密等造成氫燃料向外部泄漏，與空氣混合，可能引起火災(zāi)或爆炸；二是由于板材破裂，造成反應(yīng)堆內(nèi)部泄漏，高溫反應(yīng)堆逐步內(nèi)部氧化甚至引發(fā)火災(zāi)；三是由于燃料電池控制系統(tǒng)故障，燃料與空氣配比失調(diào)，系統(tǒng)性能下降。

4 氫燃料動力船在三峽河段應(yīng)用

理論上，氫燃料電池系統(tǒng)可用于包括游艇、公務(wù)船、漁船、貨輪、軍船等各種類型船舶，尤其適用于對航速要求不高，航行于近岸水域，對生態(tài)保護要求高的船舶。其污染小、零排放特性對保護長江、控制污染物排放、保護環(huán)境等方面具有深遠意義。

4.1 三峽河段船舶航行自然環(huán)境特性分析

三峽河段中三峽-葛洲壩水域全長約59 km，主要由三部分階梯航道組成，分別是三峽大壩以上庫區(qū)航道、三峽－葛洲壩兩壩間航道、葛洲壩以下航道。目前對航運有明顯影響的自然環(huán)境因素包括：大霧、大風(fēng)、流量、水位、航道條件等。經(jīng)過常年的統(tǒng)計，轄區(qū)出現(xiàn)大霧天氣主要在春冬兩季及初夏季節(jié)，平均每月起霧影響通航7天。大風(fēng)天氣主要發(fā)生于三峽壩上水域，多年平均最大風(fēng)速9.5 m/s，平均每年出現(xiàn)大于8級風(fēng)的天數(shù)為6.1 d。水域流量一般在5000 m3/s至45000 m3/s之間，其中，當(dāng)三峽下泄流量達到20000 m3/s時，兩壩間開始出現(xiàn)不良流態(tài)，水勢紊亂，部分河床水域內(nèi)出現(xiàn)泡水、漩水，局部水域表面流速達到2.0 m/s；三峽下泄流量達到30000 m3/s時，兩壩間水流條件急劇惡化，全水域范圍內(nèi)遍布泡水、漩水，表面流速約為2.5 m/s，；三峽下泄流量35000 m3/s～45000 m3/s時，兩壩間全河段水流條件普遍惡劣，表面流速大約3.0 m/s。轄區(qū)每年水位變幅較大，其中三峽大壩庫區(qū)航道由于防洪發(fā)電的需要，全年水位落差較大變幅平均在30 m左右。

4.2 氫燃料動力船在三峽河段應(yīng)用安全防護建議

三峽河段水域不長，具有政治敏感度高、安全風(fēng)險度高、民生關(guān)聯(lián)度高、社會關(guān)注度高的特征，氫燃料動力船的應(yīng)用要格外重視其安全管理工作。根據(jù)目前氫燃料動力船的技術(shù)現(xiàn)狀和相關(guān)特性要求，結(jié)合三峽河段水域特點和通航管理規(guī)范，建議氫燃料動力船在三峽河段應(yīng)用要做好。以下幾個方面的防護措施：

4.2.1 加強船舶在轄區(qū)停泊、運行的防火防爆管理

按照危險品船的防護要求進行錨地靠泊管理和船閘進出閘運行管理，盡可能安排單獨靠泊和過閘運行，受條件限制必須與其他船舶同步運行時一般與危險品船一起運行，嚴禁與客船同時運行。并在氫燃料船上加裝醒目的提醒標(biāo)志，嚴禁在作業(yè)區(qū)滯留。

4.2.2 提高氫燃料動力船的動力可靠性

由于三峽河段水域流態(tài)復(fù)雜，汛期流量大，流速快，船舶動力不足會造成船舶失控的安全隱患，在船舶設(shè)計建造時應(yīng)充足考慮轄區(qū)適航的航速和動力要求，建議在配備鋰電池組滿足對船舶電網(wǎng)的“削峰填谷”功能的同時增大鋰電池組配備容量，增加抵消水域復(fù)雜流速流態(tài)的相關(guān)動力需求。

4.2.3 提高氫燃料動力船燃料系統(tǒng)的冷卻可靠性

氫燃料動力船的燃料電池在運行溫度范圍內(nèi)才能正常工作，其冷卻主要依靠循環(huán)水設(shè)備完成，循環(huán)水設(shè)備根據(jù)層級分為一級循環(huán)水管道、二級循環(huán)水管道。一級循環(huán)水管道主要用于燃料電池發(fā)電模塊中的燃料電池電堆冷卻，二級循環(huán)水管道主要用于一級循環(huán)水管道散熱，還用于燃料電池發(fā)電模塊中的空壓機和中冷器散熱。由于三峽水域兩壩庫區(qū)漂流物較多，容易堵塞船艇冷卻水

進水管。為避免出現(xiàn)雜物堵塞，造成系統(tǒng)冷卻溫度升高帶來的安全風(fēng)險，需要將冷卻水進水隔柵采用圓孔篩網(wǎng)設(shè)計以減少堵塞；加裝配套監(jiān)控告警設(shè)備，及時發(fā)現(xiàn)和處置冷卻設(shè)備的異常；在汛期漂流物增加時要定期對該船進水總管濾網(wǎng)進行檢查清理。

4.2.4 加強氫燃料船的安全監(jiān)控管理和防碰撞管理

由于氫燃料儲存裝置存在船舶高能碰撞造成罐體損壞，氫氣泄漏，可能發(fā)生火災(zāi)和爆炸的安全隱患。而三峽水域流態(tài)復(fù)雜、流速大、船舶眾多，船舶碰撞的風(fēng)險加大，需要特別加強船舶防撞管理。一是加強船舶防撞監(jiān)控；二是加固加強加裝船舶防撞設(shè)施；三是禁止在超過30000 m3/s流量航行；四是定期檢查船舶設(shè)施自動保護功能，如燃料供應(yīng)閥等相關(guān)閥件自動或手動關(guān)閉的功能正常，一旦船舶發(fā)生碰撞時能及時切斷管路的燃料供應(yīng)。

4.2.5 合理規(guī)劃加氫碼頭的選址

根據(jù)氫燃料動力船運行特點，建議加氫碼頭選址避開落差大的三峽大壩上游庫區(qū)和人員密集的葛洲壩下游市區(qū)，盡可能在兩壩間航道區(qū)域范圍內(nèi)選擇公路交通便利、人員稀少、水流條件相對較好的地方進行選址建設(shè)。

5 結(jié)束語

根據(jù)國家戰(zhàn)略和氫能發(fā)展趨勢，在三峽河段水域發(fā)展氫燃料動力船勢在必行，三峽河段水域有著世界上最大的三峽梯級船閘和升船機，使用推廣氫燃料船對促進長江大保護和實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有較大的示范效益。隨著未來技術(shù)發(fā)展和進步，氫燃料船現(xiàn)有的一些不足將會有效克服，氫燃料動力船的應(yīng)用前景將十分廣闊。

[1] 歐盟委員會. 《歐盟氫能戰(zhàn)略》[R]. 歐洲: 歐盟委員會出版社, 2020.

[2] 歐盟委員會. 《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》[R]. 歐洲: 歐盟委員會出版社, 2020.

[3] 國家發(fā)展改革委, 國家能源局. 《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》[R]. 北京: 發(fā)改能源, 2016.

[4] GB50177. 《氫氣站設(shè)計規(guī)范》[S]. 中國: 中華人民共和國國家標(biāo)準, 2005.

[5] GB50516. 《加氣站技術(shù)規(guī)范》[S]. 中國: 中華人民共和國國家標(biāo)準, 2010.

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[7] 馮運檀. 船體建造工藝學(xué)[M]. 哈爾濱: 船舶工程學(xué)院出版社, 1990.

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[9] 陳立新, 付銀河, 黃鑫. 基于大功率鋰電池電動船的電站設(shè)計研究[J]. 船舶, 2018, 29(6): 1-8.

Application of hydrogen fuel-powered ships in the Three Gorges Reach

Zhou Yingping, TaoRuhao, Hu Zhifang, Shang Hua

(Three Gorges Navigation Authority, Yichang 443002, China)

U664.1

A

1003-4862(2022)06-0009-04

2021-11-30

周引平（1968-），男，高級工程師。研究方向：通信及信息化管理和科技研究。E-mail：178811836@qq.com