氢燃料动力船舶在三峡河段的应用

2022-11-24周引平陶如豪胡志芳

船电技术 2022年6期

周引平，陶如豪，胡志芳，尚桦

氢燃料动力船舶在三峡河段的应用

周引平，陶如豪，胡志芳，尚桦

（长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002）

本文结合三峡河段氢燃料动力船建造工程实施中遇到的实际问题，开展了氢燃料船应用的有关探索，从国内外氢燃料动力船发展现状入手，进行了氢燃料动力船应用特性分析和安全分析，并结合三峡河段的特征开展了氢燃料船的应用分析，就其安全应用和管理提出了有关建议。

氢燃料动力船三峡河段应用

0 引言

随着全世界对控制温室气体排放的需求越来越迫切，氢能作为一种来源广泛、清洁无碳、灵活高效、可持续的二次能源，被视为二十一世纪最具发展潜力的清洁能源，欧盟、日本、韩国等国家高度重视，相继制定了多样化的氢能发展政策。2020年欧盟委员会发布了《欧盟氢能战略》和《欧盟能源系统整合策略》，韩国在2018年发布《创新发展战略投资计划》，将氢能产业列为三大战略投资方向之一。

2019年3月，日本政府公布《氢能利用进度表》，明确至2030年氢能应用的关键目标。我国政府也相继出台多项政策，已制定《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，提出了氢工业、先进燃料电池和燃料电池分布式发电等3个战略发展方向；2019年首次将推动充电、加氢等设施建设写入《政府工作报告》，截止2020年6月，全国范围内省及直辖市级的氢能产业规划超过10个，地级市及区县级的氢能专项规划超过30个。

与此同时，由于船舶碳排放形成的温室效应占比越来越高，船舶废气排放对空气造成的污染和碳排放问题越来越引起各方重视。当前，全球约55000条商船承担了世界近90%的贸易运输，航运业引发的环境污染问题正日益成为国际社会关注的焦点。根据国际环保组织自然资源保护协会（NRDC）的《船舶港口空气污染防治白皮书》提供的资料显示，一艘使用3.5%含硫量的燃料油的中大型集装箱船，以最大功率的70%负荷运行，一天排放的PM2.5相当于50万辆使用国四油品的货车一天的排放量。因此，在船舶动力领域寻找各种替代燃料的努力已经越来越迫切，中国船舶集团712、704国家重点科研院所和大企业等相关单位也在大力推进新型节能、环保、能源在船舶动力领域的探索与应用，其中，氢燃料动力船、纯电池动力船等应用需求迫在眉睫。

三峡河段地处内陆腹地湖北宜昌，是长江黄金水道中的咽喉要道。随着经济发展和科技进步，船舶货运量逐年上升，有力促进了沿江省市经济社会发展。如重庆市水运量由2004年的0.19亿吨增加到2018年的1.95亿吨，其90％以上的外贸物资运输依靠内河航运，60%以上的社会运输周转量依赖水运完成。此外，宜昌本地有设施完备的制氢加氢站和大量的磷化工企业，氢燃料供应条件完备，从而使得氢燃料动力船在三峡河段应用条件十分充分，而且影响广泛。特别是由于三峡河段自身区位的特殊性和敏感性，将对船舶新能源应用产生非常显著的示范效应。

1 国内外氢燃料动力船发展现状

2000年以来，随着节能减排需求的日益增长和燃料电池技术的发展，氢燃料动力船舶受到越来越多的重视。世界上许多氢燃料动力船舶项目相继开始进行，诸如泰晤士河氢能生态项目、三星重工氢燃料动力船舶以及乌斯坦集团和Nedstack燃料电池技术公司共同打造的SX190 DP2氢燃料动力海船等。截止2021年，世界上先后有近十艘氢燃料动力船（含混动）建成或即将建成。其中，2018年7月，美国在旧金山开工建造了首艘氢燃料电池客船“Water-Go-Round”，该船最高航速可达22 km/h，可装载84名乘客。

我国这方面虽然研究起步较晚，但发展很快，在第20届中国国际海事展期间，中国船舶集团公布了其自主研发的氢燃料动力内河自卸货船。该船长70.5 m，设计航速13 km/h，续航力140 km，采用4×125 kWPEMFC燃料电池和4×250 kWh锂电池组作为船舶动力源。2021年大连化物所负责建成中国第一艘燃料电池游艇“蠡湖”号。该船长13.9 m，采用70 kW氢燃料电池电堆和86 kWh的锂电池组成混合动力，设计船速18 km/h，续航189 km。

2 氢燃料动力船应用特性分析

由于氢燃料电池有许多优点：能量转化效率高、安装地点灵活、排放少、噪音低、易安装维护、操作性能及运行可靠性高等，氢燃料电池相关技术目前已经应用到了相关船舶上。但是由于目前氢燃料动力发展技术尚不成熟，还存在一定的不足和局限性：

2.1 氢燃料动力船能提供的船舶动力

氢燃料动力船能提供的船舶动力有限：一是续航能力有限。由于全球加氢站分布密度不够，且目前的技术需要储存氢燃料的装置通风要求高，储存容量有限（《船舶应用燃料电池发电装置指南》规定氢气瓶瓶组总容积不得大于3000 L），导致其续航里程不高，一般只能达到数百公里。二是其航行速度有限。目前，成熟的氢燃料动力装置最大功率是560 kW，船艇实际最大航行速度一般20 km/h左右，还不能满足大型船舶和快速船舶的动力需求。

2.2 氢燃料动力船本身动力电网供电

氢燃料动力船本身动力电网供电可靠性有限，必须配备锂电池组配合使用才能确保船舶动力电网供电能够正常平稳运行。配置锂电池组的主要作用是对船舶动力电网供电进行“削峰填谷”。当船舶处于逆流航行或高航速、高负荷运行工况时，船舶动力系统对电力需求会非常大，仅仅依靠氢燃料电池发电就远远不能满足需求。此时就需要船舶配置额外的电源对电网进行补充供电。另外，当船舶处于顺流航行或低航速、轻负载工况时，动力系统对电力需求相对较少，此时氢燃料电池提供的电量完全能够满足船舶动力的需求，甚至会有剩余电量。此时就需要船上配置有储能设备将多余的电量储存起来。

2.3 氢燃料动力船防火防爆要求

燃料动力系统通风要求高。可靠的通风系统是氢燃料动力船舶燃料动力系统的必要安全保障，应保证通风系统的正常工作，燃料电池所处的通风率应足以在因技术故障而导致的所有最大可能泄漏情况下，将平均气体/蒸汽浓度稀释到可燃范围的25%以下，且至少保证每小时30次换气的通风能力。

3 氢燃料动力船安全分析

氢气具有易燃性、爆炸性、泄漏性、扩散性和氢脆等五大特性导致其有一定的安全隐患。与常规燃油动力船舶相比，氢燃料动力船燃料主要的风险由氢燃料的特性带来。氢燃料动力船舶燃料动力系统一般包括燃料电池发电模块、供氢装置、监控装置和辅助装置。氢燃料动力船舶的安全风险也就主要集中在氢燃料储存装置、氢燃料输送管、燃料电池模块。

3.1 氢燃料储存装置

目前氢燃料一般采用铝内胆碳纤维缠绕复合气瓶。其主要风险在于：一是由于内罐疲劳现象、氢脆或腐蚀造成内罐失效；二是航行中船舶高能碰撞造成罐体损坏，氢气泄漏，释放到燃料罐存放空间，可能发生自然引起火灾和爆炸；三是储氢罐超压造成罐体损坏，氢气泄漏，释放到燃料罐存放空间，可能发生自燃，引起火灾和爆炸。

3.2 氢燃料输送管

氢燃料输送管主要将气态氢从储氢罐输送至燃料电池模块。其主要风险为：气态氢输送过程中，输送管由于疲劳、氢脆或腐蚀失效，导致氢气泄露和扩散。

3.3 燃料电池模块

氢燃料与空气进入燃料电池模块反应，产生电能。其主要风险包括：一是由于氢脆、腐蚀或连接不严密等造成氢燃料向外部泄漏，与空气混合，可能引起火灾或爆炸；二是由于板材破裂，造成反应堆内部泄漏，高温反应堆逐步内部氧化甚至引发火灾；三是由于燃料电池控制系统故障，燃料与空气配比失调，系统性能下降。

4 氢燃料动力船在三峡河段应用

理论上，氢燃料电池系统可用于包括游艇、公务船、渔船、货轮、军船等各种类型船舶，尤其适用于对航速要求不高，航行于近岸水域，对生态保护要求高的船舶。其污染小、零排放特性对保护长江、控制污染物排放、保护环境等方面具有深远意义。

4.1 三峡河段船舶航行自然环境特性分析

三峡河段中三峡-葛洲坝水域全长约59 km，主要由三部分阶梯航道组成，分别是三峡大坝以上库区航道、三峡－葛洲坝两坝间航道、葛洲坝以下航道。目前对航运有明显影响的自然环境因素包括：大雾、大风、流量、水位、航道条件等。经过常年的统计，辖区出现大雾天气主要在春冬两季及初夏季节，平均每月起雾影响通航7天。大风天气主要发生于三峡坝上水域，多年平均最大风速9.5 m/s，平均每年出现大于8级风的天数为6.1 d。水域流量一般在5000 m3/s至45000 m3/s之间，其中，当三峡下泄流量达到20000 m3/s时，两坝间开始出现不良流态，水势紊乱，部分河床水域内出现泡水、漩水，局部水域表面流速达到2.0 m/s；三峡下泄流量达到30000 m3/s时，两坝间水流条件急剧恶化，全水域范围内遍布泡水、漩水，表面流速约为2.5 m/s，；三峡下泄流量35000 m3/s～45000 m3/s时，两坝间全河段水流条件普遍恶劣，表面流速大约3.0 m/s。辖区每年水位变幅较大，其中三峡大坝库区航道由于防洪发电的需要，全年水位落差较大变幅平均在30 m左右。

4.2 氢燃料动力船在三峡河段应用安全防护建议

三峡河段水域不长，具有政治敏感度高、安全风险度高、民生关联度高、社会关注度高的特征，氢燃料动力船的应用要格外重视其安全管理工作。根据目前氢燃料动力船的技术现状和相关特性要求，结合三峡河段水域特点和通航管理规范，建议氢燃料动力船在三峡河段应用要做好。以下几个方面的防护措施：

4.2.1 加强船舶在辖区停泊、运行的防火防爆管理

按照危险品船的防护要求进行锚地靠泊管理和船闸进出闸运行管理，尽可能安排单独靠泊和过闸运行，受条件限制必须与其他船舶同步运行时一般与危险品船一起运行，严禁与客船同时运行。并在氢燃料船上加装醒目的提醒标志，严禁在作业区滞留。

4.2.2 提高氢燃料动力船的动力可靠性

由于三峡河段水域流态复杂，汛期流量大，流速快，船舶动力不足会造成船舶失控的安全隐患，在船舶设计建造时应充足考虑辖区适航的航速和动力要求，建议在配备锂电池组满足对船舶电网的“削峰填谷”功能的同时增大锂电池组配备容量，增加抵消水域复杂流速流态的相关动力需求。

4.2.3 提高氢燃料动力船燃料系统的冷却可靠性

氢燃料动力船的燃料电池在运行温度范围内才能正常工作，其冷却主要依靠循环水设备完成，循环水设备根据层级分为一级循环水管道、二级循环水管道。一级循环水管道主要用于燃料电池发电模块中的燃料电池电堆冷却，二级循环水管道主要用于一级循环水管道散热，还用于燃料电池发电模块中的空压机和中冷器散热。由于三峡水域两坝库区漂流物较多，容易堵塞船艇冷却水

进水管。为避免出现杂物堵塞，造成系统冷却温度升高带来的安全风险，需要将冷却水进水隔栅采用圆孔筛网设计以减少堵塞；加装配套监控告警设备，及时发现和处置冷却设备的异常；在汛期漂流物增加时要定期对该船进水总管滤网进行检查清理。

4.2.4 加强氢燃料船的安全监控管理和防碰撞管理

由于氢燃料储存装置存在船舶高能碰撞造成罐体损坏，氢气泄漏，可能发生火灾和爆炸的安全隐患。而三峡水域流态复杂、流速大、船舶众多，船舶碰撞的风险加大，需要特别加强船舶防撞管理。一是加强船舶防撞监控；二是加固加强加装船舶防撞设施；三是禁止在超过30000 m3/s流量航行；四是定期检查船舶设施自动保护功能，如燃料供应阀等相关阀件自动或手动关闭的功能正常，一旦船舶发生碰撞时能及时切断管路的燃料供应。

4.2.5 合理规划加氢码头的选址

根据氢燃料动力船运行特点，建议加氢码头选址避开落差大的三峡大坝上游库区和人员密集的葛洲坝下游市区，尽可能在两坝间航道区域范围内选择公路交通便利、人员稀少、水流条件相对较好的地方进行选址建设。