根据国际海事组织（IMO）公布的数据，船舶产业每年的二氧化碳排放量约为10.76亿吨，占全球总量的2.89％。而且，这种排放量还在不断增加。随着IMO2020限制硫排放规定和双碳目标的出台，航运行业的绿色转型刻不容缓。氢燃料是被业界视作“零碳排放”的清洁能源之一，在实现脱碳革命中起着重要作用。因此，氢能船舶也成为了船舶业实现绿色转型的重要选择。
国际国内氢能发展前景及现状
作为一种高效绿色的二次能源，氢具有多个优点，包括能源来源广泛、燃烧效率高、环保无污染、使用方式灵活等。在能源转型的过程中，氢能有望扮演重要角色，以应对能源安全和环境保护等方面的压力。根据制氢过程中碳排放的不同，行业内一般将氢能分为灰氢、蓝氢及绿氢。三种氢的制取方式如下：灰氢是指通过燃烧煤、天然气等化石燃料制备氢气，制取过程中不对二氧化碳进行任何处理；蓝氢使用化石燃料制取氢气，同时对排放的二氧化碳进行捕捉和储存；绿氢则利用可再生能源发电进行电解或光解的方式制取。
当前，包括中国在内的全球范围内，制取氢气仍以使用化石能源为主流方法。根据数据，中国是全球最大的制氢国，每年制造约3300万吨的氢气产量。考虑到中国煤炭资源的丰富，煤制氢是最主要的氢气生产方法。与全球其他国家占比约18％的情况不同，国内煤制氢的比例可高达60％以上。其他次要的氢气生产方法包括工业副产氢、天然气制氢和电解水制氢。
随着国内能源结构向绿色低碳方向转型以及氢能产业不断发展，电解水制氢正逐渐受到重视。近年来，电解制氢的相关项目数量和规模也在迅速增长。一方面，可再生能源发电制氢可实现全周期内的零碳排放，实现真正的绿氢生产；另一方面，随着风电、光电等成本下降以及平价上网，制氢成本也将持续下降。此外，我国可再生能源装机量全球第一，在清洁低碳的氢能供给上具有巨大潜力。随着碳中和的推动，未来将会加大清洁能源项目与技术的投入力度。这使得低碳氢的经济性与规模性有望取得突破性进展。到那时，可再生能源电解制氢将逐步取代化石能源和工业副产制氢。
氢能船舶应用有哪些
氢作为能源在船舶中主要有两种动力装置的应用形式：一是应用在传统的内燃机上，其中包括使用纯氢的内燃机或与氨、甲醇等燃料混用的混燃内燃机；二是应用于新型的动力装置--燃料电池。
选择氢内燃机作为船只推进动力有着多方面的优势，如对船体结构变化小、使用寿命长、对氢气纯度要求低、成本低、便于产业化等等。不过，该技术也存在一定限制，受卡诺循环所制约，其热效率相较于燃料电池较低，并会产生一定的氮氧化物等有害气体排放。相较之下，氢燃料电池具有能量转换效率高、振动噪音低、技术成熟度高等优势，其效率可达50％~80％，排放产物只有水，因此目前在船用领域发展较为迅速。
多年以来，美国、英国、德国、韩国、日本等多个国家都一直在不断发展燃料电池技术，以作为船舶技术的一种储备。在上个世纪80年代初期，质子交换膜燃料电池引起了一些国家海军的关注，并首先被用于潜艇和军舰上。挪威海工船东EidesvikOffshore在2009年交付了他们制造的第一艘海洋工程供应船。该船配备了330kW的燃料电池系统，以LNG作为主燃料。这是全球首艘商业船只将燃料电池作为部分推进系统的例子之一。截至2012年，该船已累计运行26280小时，成为全球最环保的船舶之一。
国内应用氢能船舶的主要案例是在沿海和内河领域的游船，其中包括观光船、公务船等。就氢能船舶而言，国内在这一领域已经掌握了多项技术，如船舶燃料电池系统的设计、开发等，商业化应用潜力初显。在船舶上实现氢能应用并不容易。从技术角度来看，船舶需要的动力功率通常在数百千瓦至数千千瓦之间。而目前的氢燃料电池单堆最大只能提供约100千瓦的功率。氢燃料电池的输出特性较为柔和，瞬态响应较慢，不适合单独作为船舶主推进动力之用。因此完美的方案是将氢与其他能源相结合使用。虽然氢气的质量能量密度最高，但是其体积能量密度非常低。柴油的质量能量密度尽管不高，但体积能量密度最高。压缩氢气的体积能量密度仅相当于柴油的10％左右，其压缩程度为35MPa。因此，如果燃料电池取代柴油发动机作为动力供给，那么储存氢气所需的高压气瓶的体积将远远超过当前储存燃油所需的油舱。
此外，氢气的密度较小，容易泄漏，而且也易燃易爆。因此，将氢气作为燃料电池的燃料时，要求船舶燃料舱具备更高的安全性和更大的容积。中国海事局在2022年3月发布了《氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则（2022）》，同时中国船级社也发布了《氢燃料电池》、《氢气瓶》、《重整装置》等三份与船用氢燃料电池系统相关的产品检验指南。到了2022年7月，中国船级社（CCS）的《船舶应用燃料电池发电装置指南》（2022）正式生效，这一系列行动为氢能船的发展扫清了不少技术标准方面的障碍，预计将极大地缩短氢能船产业化落地及大规模示范应用的时间。
氢能船舶应用前景
在“双碳”背景下，2022年交通运输领域将深入进行去碳化工作，明确提出推进海运业向绿色智能技术转型，加强氢能等新能源在船舶动力领域的应用。国内领先的燃料电池企业正在积极推进氢能船舶系统的开发和应用，以引领“氢能上船”的发展。经过多年示范和实验，氢燃料电池船舶技术的有效性已逐步被证实，并开始进入商业化探索阶段。此外，全球20多个国家已纷纷制定氢能产业发展战略并逐渐提高对氢能船舶的认知和接受度，随着氢能汽车数量的不断增加，政府和社会对氢能船舶也越来越注重。国内相继出台多项政策，从技术研发、落地推广等角度推动氢燃料电池船舶的发展。
我国第一艘入级CCS氢燃料电池动力工作船——“三峡氢舟1号”，搭载中国船舶集团第七一二所的氢能源动力系统，于2022年正式开工建造。此举标志着该船正式进入建造阶段。这艘船的长度为49.9米，宽度为10.4米，最大航速可达28公里/小时，使用500千瓦级别的氢燃料电堆，以经济航速航行时最大续航里程可达200公里。这一示范应用的开展只是船舶领域电动化的一个缩影，近年来，无论是纯电动船舶还是氢能船舶，都开始从图纸走向码头，在实践中探讨其在技术、经济上的可行性。目前，纯电动船存在四个主要难题，包括充电速度、续航里程、寿命和成本。但只要锂电池充电技术或电池容量密度中有一项取得重大突破，就能够解决纯电动船在续航和电池更换成本方面的问题。燃料电池船舶从理论上没有上述问题，但需要时间、市场和模式的培育。近年来，燃料电池技术取得了显著的进展，其成本较5年前已经大幅降低。尽管锂电池和燃料电池在技术上有些类似，但它们适用的场合不一样。特别是，在船舶中，“可锂可氢”的跨界应用领域相对较少，因此，氢能船和纯电船将各自占据一席之地，并长期共存。与锂电池相比，氢燃料电池船舶有更快的加注时间、更长的续航里程和更高的功率密度等特点，因此在高功率、长航程等情况下，氢能船舶的优势更为显著。
总的来说，无论是纯电还是氢电两种技术路线，它们在船舶应用方面的起点差距并不大，而且各自都有适用的场景。氢能产业化拐点已经临近，相应技术的扩散正在加速。此外，国际产业舆论和政策发布对于氢能船的发展也非常有利。据交通运输部水运科学研究院的数据和专家预估，这些因素的叠加可能会大幅缩短氢能船示范应用的时间表。预计到2025年，将有约400艘现有船只进行氢燃料电池系统改装，同时还会建造大约200艘全新的氢燃料电池船舶。此外，氢燃料电池系统的市场规模将达到200亿元。据克拉克森预测，到2050年，使用氢燃料船舶替代传统能源船舶的比例将会增加至40％。
未来展望
将零排放的氢燃料电池技术应用于船舶是一种行之有效的解决方案。国内已有燃料电池船舶示范经验可供参考。从LNG动力船舶在国内的推广经验来看，政府最为关注的两个问题是技术成熟度和管理成熟度，这需要通过不断试错和迭代来实践。根据国内产业发展经验，应遵循产业发展的规律，即“项目示范、小规模示范应用、大规模示范推广、商业化推广”。因此，我们的首要工作是选择适合的场景和技术方案，同时不断积累相关数据，并进行技术迭代。作为造船和航运大国，中国必须与国际船舶电气化发展同步，抓住船舶电气化转型的机遇，快速推进燃料电池船舶实践项目，制定标准，探索产业化技术和模式，建立零碳排放、绿色氢能船舶大国的地位。
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