氫燃料動力船舶在三峽河段的應用

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，開展了氫燃料船應用的有關探索，從國內外氫燃料動力船發展現狀入手，進行了氫燃料動力船應用特性分析和安全分析，并結合三峽河段的特征開展了氫燃料船的應用分析，就其安全應用和管理提出了有關建議。

氫燃料動力船 三峽河段 應用

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、可持續的二次能源，被視為二十一世紀最具發展潛力的清潔能源，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展政策。2020年歐盟委員會發布了《歐盟氫能戰略》和《歐盟能源系統整合策略》，韓國在2018年發布《創新發展戰略投資計劃》，將氫能產業列為三大戰略投資方向之一。

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

與此同時，由于船舶碳排放形成的溫室效應占比越來越高，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。當前，全球約55000條商船承擔了世界近90%的貿易運輸，航運業引發的環境污染問題正日益成為國際社會關注的焦點。根據國際環保組織自然資源保護協會（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，在船舶動力領域尋找各種替代燃料的努力已經越來越迫切，中國船舶集團712、704國家重點科研院所和大企業等相關單位也在大力推進新型節能、環保、能源在船舶動力領域的探索與應用，其中，氫燃料動力船、純電池動力船等應用需求迫在眉睫。

三峽河段地處內陸腹地湖北宜昌，是長江黃金水道中的咽喉要道。隨著經濟發展和科技進步，船舶貨運量逐年上升，有力促進了沿江省市經濟社會發展。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％以上的外貿物資運輸依靠內河航運，60%以上的社會運輸周轉量依賴水運完成。此外，宜昌本地有設施完備的制氫加氫站和大量的磷化工企業，氫燃料供應條件完備，從而使得氫燃料動力船在三峽河段應用條件十分充分，而且影響廣泛。特別是由于三峽河段自身區位的特殊性和敏感性，將對船舶新能源應用產生非常顯著的示范效應。

1 國內外氫燃料動力船發展現狀

2000年以來，隨著節能減排需求的日益增長和燃料電池技術的發展，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的氫燃料動力內河自卸貨船。該船長70.5 m，設計航速13 km/h，續航力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，設計船速18 km/h，續航189 km。

2 氫燃料動力船應用特性分析

由于氫燃料電池有許多優點：能量轉化效率高、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，氫燃料電池相關技術目前已經應用到了相關船舶上。但是由于目前氫燃料動力發展技術尚不成熟，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：一是續航能力有限。由于全球加氫站分布密度不夠，且目前的技術需要儲存氫燃料的裝置通風要求高，儲存容量有限（《船舶應用燃料電池發電裝置指南》規定氫氣瓶瓶組總容積不得大于3000 L），導致其續航里程不高，一般只能達到數百公里。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供電

氫燃料動力船本身動力電網供電可靠性有限，必須配備鋰電池組配合使用才能確保船舶動力電網供電能夠正常平穩運行。配置鋰電池組的主要作用是對船舶動力電網供電進行“削峰填谷”。當船舶處于逆流航行或高航速、高負荷運行工況時，船舶動力系統對電力需求會非常大，僅僅依靠氫燃料電池發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進行補充供電。另外，當船舶處于順流航行或低航速、輕負載工況時，動力系統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，甚至會有剩余電量。此時就需要船上配置有儲能設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

燃料動力系統通風要求高。可靠的通風系統是氫燃料動力船舶燃料動力系統的必要安全保障，應保證通風系統的正常工作，燃料電池所處的通風率應足以在因技術故障而導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致其有一定的安全隱患。與常規燃油動力船舶相比，氫燃料動力船燃料主要的風險由氫燃料的特性帶來。氫燃料動力船舶燃料動力系統一般包括燃料電池發電模塊、供氫裝置、監控裝置和輔助裝置。氫燃料動力船舶的安全風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膽碳纖維纏繞復合氣瓶。其主要風險在于：一是由于內罐疲勞現象、氫脆或腐蝕造成內罐失效；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，可能發生自然引起火災和爆炸；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，可能發生自燃，引起火災和爆炸。

3.2 氫燃料輸送管

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

3.3 燃料電池模塊

氫燃料與空氣進入燃料電池模塊反應，產生電能。其主要風險包括：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，可能引起火災或爆炸；二是由于板材破裂，造成反應堆內部泄漏，高溫反應堆逐步內部氧化甚至引發火災；三是由于燃料電池控制系統故障，燃料與空氣配比失調，系統性能下降。

4 氫燃料動力船在三峽河段應用

理論上，氫燃料電池系統可用于包括游艇、公務船、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、保護環境等方面具有深遠意義。

4.1 三峽河段船舶航行自然環境特性分析

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境因素包括：大霧、大風、流量、水位、航道條件等。經過常年的統計，轄區出現大霧天氣主要在春冬兩季及初夏季節，平均每月起霧影響通航7天。大風天氣主要發生于三峽壩上水域，多年平均最大風速9.5 m/s，平均每年出現大于8級風的天數為6.1 d。水域流量一般在5000 m3/s至45000 m3/s之間，其中，當三峽下泄流量達到20000 m3/s時，兩壩間開始出現不良流態，水勢紊亂，部分河床水域內出現泡水、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。轄區每年水位變幅較大，其中三峽大壩庫區航道由于防洪發電的需要，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、安全風險度高、民生關聯度高、社會關注度高的特征，氫燃料動力船的應用要格外重視其安全管理工作。根據目前氫燃料動力船的技術現狀和相關特性要求，結合三峽河段水域特點和通航管理規范，建議氫燃料動力船在三峽河段應用要做好。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志，嚴禁在作業區滯留。

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復雜，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，在船舶設計建造時應充足考慮轄區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，增加抵消水域復雜流速流態的相關動力需求。

4.2.3 提高氫燃料動力船燃料系統的冷卻可靠性

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

進水管。為避免出現雜物堵塞，造成系統冷卻溫度升高帶來的安全風險，需要將冷卻水進水隔柵采用圓孔篩網設計以減少堵塞；加裝配套監控告警設備，及時發現和處置冷卻設備的異常；在汛期漂流物增加時要定期對該船進水總管濾網進行檢查清理。

4.2.4 加強氫燃料船的安全監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，可能發生火災和爆炸的安全隱患。而三峽水域流態復雜、流速大、船舶眾多，船舶碰撞的風險加大，需要特別加強船舶防撞管理。一是加強船舶防撞監控；二是加固加強加裝船舶防撞設施；三是禁止在超過30000 m3/s流量航行；四是定期檢查船舶設施自動保護功能，如燃料供應閥等相關閥件自動或手動關閉的功能正常，一旦船舶發生碰撞時能及時切斷管路的燃料供應。

4.2.5 合理規劃加氫碼頭的選址

根據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和人員密集的葛洲壩下游市區，盡可能在兩壩間航道區域范圍內選擇公路交通便利、人員稀少、水流條件相對較好的地方進行選址建設。

5 結束語

根據國家戰略和氫能發展趨勢，在三峽河段水域發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“雙碳”目標具有較大的示范效益。隨著未來技術發展和進步，氫燃料船現有的一些不足將會有效克服，氫燃料動力船的應用前景將十分廣闊。

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

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

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

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[5] GB50516. 《加氣站技術規范》[S]. 中國: 中華人民共和國國家標準, 2010.

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[8] 中國船級社. 船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第一、二階段）實施指南（Rev.l）[J]. 船舶標準化工程師, 2018, 51(6): 12.

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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