船厂氢能技术应用前景探讨

船厂氢能技术应用前景探讨

周锦文  ,陈浩

中船第九设计研究院工程有限公司   上海市    200063

摘要：随着经济的持续发展，我国已成为能源消耗大国。而造船企业作为高能耗的劳动密集型企业，如何进一步做好节能减排工作是一个重要课题。氢能作为一种比较容易获得的清洁能源，是传统能源的替代方案之一。若能有效利用，可以很大程度上减少碳排放。本文对船厂氢能技术应用前景进行了分析总结，同时对基础设施之一的加氢站建设技术进行了探讨，认为在船厂内可在多个方面推广氢能应用技术，为我国早日实现碳达峰、碳中和目标奠定坚实基础。

关键词：船厂 氢能技术 清洁能源 前景展望

前言

煤、石油、天然气等化石能源是当今社会的能源消耗主体，随着消费总量的不断提高，正面临储量减少，开采难度加大，生产边际成本上升的困境。全球变暖和环境污染对能源的使用提出了新的要求，由其导致的极端天气时有发生，控制温室气体和污染物的排放已迫在眉睫。

氢能，是公认的清洁能源。本文将围绕氢能的利用展开，讨论了氢作为清洁能源在船厂中的应用方向，结合目前国内外氢能的利用现状，总结并同时提出目前船厂内氢能利用的优势及存在问题。

1  船厂特种车辆氢能利用技术

1.1  氢能叉车

1.1.1  国内及国际现状

当前美国的氢能叉车保有量已近4万辆，到2022年将实现氢能叉车5万台，2030年达30万台；2020年，美国普拉格能源在全球累计销售超过3.2万辆氢燃料电池叉车，全球市场占有率达95%。

2022年2月，上海市青浦区首批氢燃料电池叉车示范应用运仪式在综保区举行。

2022年2月，新氢动力在国内首发H2X-TANK氢能燃料电池重型叉车、H2X-STAR 氢能燃料电池2吨级前移式叉车。整车由杭叉集团研发生产，最大起重量10吨，最大起升高度3米，覆盖6-10吨重型叉车起重/起升需要。

1.1.2  氢能叉车性能特点

氢燃料电池叉车具有以下特点[1]：

（1）无碳排放，运行噪音小；

（2）燃料加注时间相对电动叉车较短，输出效率及工作环境要求相对电动叉车有优势；

（3）转弯半径小，转向方便，机动灵活；

（4）多种速度选择功能，适应不同场合和工况的操作；

（5）ZAPI行走和起升控制器，MOS管控方式，大幅提升整车作业效率；

（6）转弯自动减速功能；

（7）优化设计的液压系统，整车能耗大幅降低；

1.1.3  船厂采用氢能叉车的优势及潜在风险

据调研，以国内某大型船厂为例，该船厂内配置叉车数量大约为50~60台，吨位在1~10t不等，目前均以柴油作为驱动动力。按每台叉车平均运行4小时，每小时油耗为3.5升计算，该船厂内燃叉车每年的碳排放就高达818吨。若能全部替换为氢能叉车，将为节能减排做出巨大贡献。

氢气需要二次制取，运氢、储氢、加氢各环节成本较高，引发人们对氢能经济性的质疑，产业规模化是降低氢能成本的关键。当前，可再生能源制氢成本高达3-7.5美元/千克，但随着可再生能源成本的下降和氢气产量扩大，到2030年利用可再生能源制氢的成本可以在目前的基础上下降30%。目前车用氢燃料电池的成本为230美元/千瓦，预计近期可以降到180美元/千瓦，远期下降到50-75美元/千瓦。

近年来，随着氢燃料电池成本的不断下降，其应用领域和数量在不断拓展和上升，已初步形成良好的良性循环。可以预见，随着成本的进一步下降，氢燃料电池在国内将会进入更多的应用领域，促使其成本加速下降[2]。

1.2 氢能大巴

氢燃料电池大巴车可为船厂班车提供能源供给方案。

氢动力科技为北京2022冬奥会、冬残奥会北京赛区、延庆赛区、张家口赛区三大赛区提供氢能交通保障服务，累计投入200辆国家电投氢能源大巴。2022年3月14日氢动力科技所属参加北京冬残奥会闭幕式人员接驳的87辆氢能大巴安全返回驻地。赛时，氢动力科技累计发送7205车次、接驳160697人次，累积里程888599公里，累计减排二氧化碳700余吨。

1.3  氢能重卡

氢燃料电池重卡可为船厂厂区外货物搬运提供能源供给方案。

2021年下半年，羚牛与长三角某港口企业达成战略合作，共同打造绿色氢能港口运力，该港口年运输量近300万TUE，地处华东，气源丰富，具有较高的示范意义。该示范运营点位于长三角，运行时间为2021年6月至今，运行车辆类别为49吨燃料电池重卡，搭载燃料电池110kW，储氢量39.6kg。

2船厂氢能燃烧技术

2.1  国内及国际现状

日本三菱日立动力系统有限公司将体积分数为30%的掺氢天然气通入大型烧燃气轮机中进行测试。结果表明，专用燃烧器燃烧掺氢天然气可以实现烧燃气轮机稳定运行，与单纯燃烧天然气相比，CO2的排放量可以减少10%，发电效率大于63%，且除燃烧器外，其他部件可以不用改动，减少了改造的成本。

2021年11月，国家电投上线了国内首个绿氢掺入天然气示范项目，将可再生能源电解水制取的绿氢与天然气掺混后供民用燃气锅炉使用。

2.2天然气掺氢技术优势

研究表明，可以利用氢气替代部分天然气提供热能和电能，同时降低碳排放，但掺氢后会引起燃烧温度升高，NOx排放量升高。氢气掺入摩尔分数在0%~20%之间可以得到较好的综合排放效果[3]。

另一方面，充分利用现有的天然气主干管网和庞大的支线管网掺氢运输，实现低成本的氢气大规模、大范围运输，从而降低氢气价格。

2.3天然气掺氢技术措施

加氢装置设备包括混气撬、反应设备、压缩设备、冷换设备、加氢高压分离器、加氢高压换热器等。在加氢反应前应根据加氢工艺的需要确定合适的反应器数量并进行配置，反应器内设置三个床层，并在床层间设置喷射盘和再分配盘。

2.4天然气掺氢存在风险

由于天然气掺氢产业在国内尚处于起步阶段，仍面临安全隐患不明晰、标准规范缺乏、行政审批难、终端用户设备适用性待考等难题。氢气会导致管道发生氢脆，加速管道失效时间，降低其服役寿命，造成安全隐患。故船厂原有天然气管道系统是否适合天然气掺氢还待进一步研究验证。

3船厂氢能分布式能源应用技术

分布式发电一般是指靠近最终用户或者就在最终用户处（工厂、商业企业、公共建筑、街区、私人住户）的集成或者单机的小型发电装置。目前，以燃料电池为主的分布式发电已在欧美日韩等发达国家和地区开始初步商业化。在我国，国家能源局于2014年4月下发豁免部分发电项目电力业务许可证的通知，为包括分布式发电等在内的分布式能源、清洁能源发展创造了相对宽松的环境，可有效推动国内燃料电池分布式发电的发展。

4结论

（1）船厂在特种车辆利用氢能作为能源利用具有可行性，以氢能叉车为主，可有效减少温室气体的排放。但目前成本较高，需待相关政策补贴支持以及氢能产业规模化以后降低氢能成本。

（2）船厂可以利用氢气替代部分天然气提供热能和电能，同时降低碳排放。但面临安全隐患不明晰、标准规范缺乏、行政审批难、终端用户设备适用性待考等难题。如何解决管道氢脆是最核心，最关键的问题。

（3）船厂可通过以燃料电池为主的分布式发电技术解决有稳定冷、热、电负荷部位的供能问题。

参考文献

[1] 贾雪峰. 浅谈电动叉车的优势.青年科学, 2009,07: 255

[2] 刘绍军, 马建新等. 小型加氢站网络的成本分析. 天然气化工, 2006, 31(5): 44～48

[3] 马凡华, 孙宁. 天然气掺氢燃烧及排放性能的元素势能法分析. 车用发动机, 2005, 10(5): 28～30