碳减排背景下氢燃料电池船舶发展现状及监管建议

2022-03-01向元京郭婵婵东莞海事局广东东莞523000

中国海事 2022年2期

向元京，郭婵婵（东莞海事局，广东东莞 523000）

一、引言

随着气候变化问题日益严重，如何减少温室气体排放已成为各国经济发展中亟需考虑的问题。为减少船舶污染物排放对环境的威胁，国际海事组织（IMO）2018年要求：2050年全球船舶CO2及温室气体排放量要控制在2008年水平的50%以下。而我国也在第75届联合国大会一般性辩论、气候雄心峰会上宣布了碳达峰碳中和目标：中国CO2排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和。

在此背景下，航运业必须加快产业低碳转型，寻找更为清洁环保的船舶替代燃料。英国造船和航运市场分析机构克拉克森研究所（Clarkson Research）预测(见图1)，2030年LNG将位居船舶替代能源的首位，而到2050年，氢燃料船舶将成为占比最大的替代能源船舶，占比达到40%[1]。

图1 替代燃料船舶占比预测

二、国内氢燃料电池船舶应用现状和技术规范

（一）应用现状

目前国内燃料电池船舶大体上仍处在理论研究阶段，工程化应用较少。2002年，北京富原燃料电池公司研发了“富原1”号，是国内第一艘燃料电池游艇，额定功率400 W，航速7 km/h。2005年，上海海事大学研制“天翔 1”号氢燃料电池试验船，电池功率2 kW，航速约13 km/h，续航3小时，可搭载2人。2019年，中船集团研发的500 kW级氢燃料试点船舶设计方案获得中国船级社（CCS）原理认可（AIP）证书。该船为2 100吨级内河自卸货船，船长70．5 m，设计吃水3．1 m，采用4x135 kW氢燃料电池作为主动力，以锂电池组进行调峰补偿，载有35 MPa高压氢气瓶，航速13 km/h，将用于广东省“绿色珠江”专项工程。

（二）技术规范

技术规范方面，2017年CCS发布《船舶应用替代燃料指南》，根据氢燃料电池系统构成及各系统设备在船舶上的应用特点，提出了燃料电池船舶布置、系统与管路设计、燃料储存、燃料加注等安全技术指标。2021年5月CCS发布《船舶应用燃料电池发电装置指南（征求意见稿）》，2021年7月交通运输部海事局制定《氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则（征求意见稿）》，为保障氢燃料动力船舶的安全提供了技术标准。

三、氢燃料电池船舶的优势

目前船舶替代燃料主要有LNG、LPG、氨能、氢能等。氢能在温室气体排放、燃烧热值等方面具有显著优势。

温室气体排放量指标除统计CO2外，还应考虑CH4、N2O、黑炭等的影响。目前船舶替代燃料以LNG为主，但其在减少温室气体排放方面的效果有限。LNG的主要成分为甲烷，使用中易产生甲烷逃逸尾气，据统计，每立方米的甲烷所造成的温室效应约为CO2的20—25倍[2]；而氨能燃烧会产生氮氧化物，因此使用LNG和氨能仍会产生大气污染物排放。

碳减排效果方面，IMO船舶温室气体减排第7次会间工作组会议ISWG-GHG 7/5/2研究报告[3]显示，从LNG生产-存储-运输-加注-船上使用整个供应链来看，在100年的时间框架内LNG对比燃油最多只能减少15%的碳排放，且只有使用高压双燃料（HPDF，high-pressure dual fuel）发动机时才可实现，而目前仅有12%的LNG动力船舶使用这种发动机。IMO ISWG-GHG 7/5/8研究报告[4]分析了各类型燃料碳排放值和燃烧热值（见图2），由于氢能燃烧仅生成水和热，可以实现真正意义上的零碳排放。

图2 各类型船用燃料的燃烧热值对比

燃烧热值方面，由图2可见替代燃料中仅氢和氨能够实现零碳排放，但氢燃烧的热值远高于氨，位居各燃料之首。每千克氢燃烧可产生120 000 kJ热量，约为氨的6．5倍、重燃料油的3倍、LNG的2．5倍。

此外，氢能还具有来源广、噪声低、振动小等优点。氢元素在地壳、大气和水中广泛存在，约占宇宙质量的75%，是宇宙中含量最多的元素，可通过电解水制氢、天然气制氢、煤制氢、工业副产制氢等技术获取。氢燃料电池内部没有机械运转，仅有来自外围辅助部件的轻微噪音和振动，可改善船上生活环境。因此，零排放、无污染的氢能是最具发展前景的船用清洁替代燃料。

四、氢燃料电池船舶发展面临的挑战

氢燃料电池船舶是实现IMO碳减排目标和我国碳达峰碳中和承诺的重要途径，但其在推广过程中仍面临着诸多问题。

（一）成本高昂

在实现碳达峰碳中和进程中，能源成本承受能力是必须考虑的因素。国际能源机构（IEA）数据显示，氢燃料价格约为天然气的9倍。据测算，氢燃料电池船的建造成本可达到同类内燃机船舶的2倍以上[5]。这主要由于氢能产业链尚不成熟，制氢、储运氢需要大量的基础设施设备，前期投入很高。但近年来，随着先进技术的应用以及氢能产业链的逐步搭建，氢燃料电池的成本正逐渐降低。

（二）加氢站基础设施缺乏

加氢站是保障氢燃料电池船舶正常使用的重要配套设施。截至2021年6月，我国累计建成141座加氢站，其中119座已投入运营。现有加氢站主要提供燃料电池汽车的加注服务，大多选址在非港口地区，无法直接为船舶提供加注服务。

（三）安全性有待提升

目前船用氢燃料电池在稳定性、技术性能、寿命等方面仍有待改进。稳定性方面，相比氢燃料电池汽车，船舶的运行环境更为复杂，多维摇摆、高湿、高盐的工作环境对燃料电池长期稳定地运行将是严峻的考验。此外，由于技术制约，目前氢燃料电池的功率较小，一般约几百千瓦，但大型船舶通常需要几千至上万千瓦功率推进，氢燃料电池现有功率还不足以支撑。寿命方面，目前燃料电池寿命不超过5 000小时，对需要长时间航行的远洋船舶续航时间明显不足。

另外，氢气具有燃点低、爆炸极限范围宽和扩散系数大等特点，用作氢燃料电池后如何确保船舶的安全是未来业界需要进一步解决的问题。

（四）国内氢燃料电池船舶相关海事法规尚不完善

目前国内氢燃料电池船舶相关海事法规尚处于起步阶段，已发布的《船舶应用替代燃料指南》《船舶应用燃料电池发电装置指南（征求意见稿）》以及《氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则（征求意见稿）》，主要提出氢燃料电池船舶的技术标准，对于船员培训、通航安全等其他方面涉及较少。如何结合氢燃料电池船舶的特性，建立相应的船舶规范、船员培训、航运公司管理等安全监管体系，是海事管理机构亟待解决的问题。

五、氢燃料电池船舶的海事监管建议

针对氢燃料电池船舶发展面临的挑战，从海事管理机构的角度提出以下监管建议：

（一）完善氢能船舶规范

建议借鉴LNG动力船舶和氢燃料电池汽车的经验，建立系统全面的标准和氢能源安全管理制度，联合政府相关职能部门在船舶制氢、储氢、运氢、用氢等方面制定严格的标准体系。目前CCS《船舶应用替代燃料指南》第2篇主要适用于高压气瓶储氢技术，建议对液氢等多种形式的储氢技术进行规范。

（二）协调推进技术攻关

目前氢燃料电池船舶主要采用高压气瓶储氢技术和质子交换膜燃料电池，储氢密度和电池功率较低，建议协调有关部门推进高能量密度储氢技术（如液氢、金属氢化物储氢）和大功率燃料电池技术（如高温燃料电池）船用化技术攻关工作。此外，建议依托CCS、科研院校对船用燃料电池动力系统、氢气管路系统、储氢系统、氢燃料加注等开展风险评估和技术研究。

（三）加强船员培训和航运公司管理

建议单独设立氢燃料电池船船员特殊培训项目，增设氢燃料理化特性、燃料储存、燃料电池运行监控等培训内容。营运氢燃料电池船舶的航运公司，需制定相应的船员操作须知，加强氢燃料电池船舶安全营运管理。

（四）制定安全监督管理规定和安全操作指南

根据氢燃料电池船舶示范运行情况，适时出台《氢燃料电池船舶安全监督管理规定》，明确氢燃料电池船舶在通航安全（如是否需要设立移动安全区）、氢燃料加注补给（如选用船-船加注还是车-船加注方式更为安全、加注的最高速率限制等）、货运安全（如储氢处所与货物的隔离要求）、营运船种（如是否有必要将氢能船作为一种新的船舶种类进行分类）等方面的规定，针对氢燃料动力船舶进出港、靠泊期间可能出现的氢燃料泄漏、压缩氢气燃料罐处所火灾、爆炸等险情事故，进一步完善应急预案，明确应急响应等级，建立健全应急处置流程。此外，建议根据氢燃料船舶检验规则，制定《氢燃料电池船舶安全操作指南》，明确船员进行船舶操作、维护、应急等工作的安全操作规程。

（五）开展示范运行

鼓励长三角、珠三角等有条件的地区先行先试，率先设立氢燃料电池动力船舶的示范应用项目。考虑到现有氢燃料电池功率较小，建议逐步采用内河-近海-远洋进行示范推广。建议以“绿色珠江”工程2 100吨级氢燃料试点船舶项目为抓手，搭建氢燃料电池船舶示范基地，围绕船员特殊培训、船公司管理、应急处置等进行积极探索，形成一套可推广、可复制的氢燃料电池船舶海事监管模式。