近日,工業和信息化部、國家發展改革委、財政部、生態環境部、交通運輸部五部委印發了《船舶制造業綠色發展行動綱要(2024—2030年)》的通知。文件中提到要加快綠色動力系統研發應用,推進甲醇、氨燃料等低碳零碳燃料船用發動機核心技術攻關。
氫燃料電池系統具有能量轉化率高、零排放、無污染的優勢,是船舶綠色轉型的理想動力源,而高效安全的儲運技術是氫能應用的關鍵。
目前儲氫技術分為物理儲氫和化學儲氫兩大類。物理儲氫中的高壓儲氫是目前氫燃料電池船舶應用較為廣泛的儲氫方式,但此種儲氫方式也受儲氫罐的體積和壓力限制。低溫液態儲氫技術仍處于研究階段,國外一些領先廠產商已經開始對船用液態儲氫技術技術展開研究,但國內液氫通常用于航空航天以及軍用領域,但由于液氫設備體積較大、耗能和日蒸發率高、安全性要求較高的特點,需要更穩定的應用場所。
此外,儲氫方式還包括利用有機液儲氫和固體材料儲氫等。而目前最具潛力的儲氫路線為有機液體儲氫、甲醇重整制氫、液氨儲氫、合金儲氫等。
其中有機液態儲氫和甲醇重整制氫的儲氫密度較高,可以滿足船舶的長續航需求。有機液體儲氫以分子材料作為儲氫載體,理論儲氫密度可達6.5wt%以上。其缺點為加氫、脫氫裝置成本較高,且脫氫時容易發生副反應導致氫氣純度不高。目前國內有機液體儲氫的研究方向為N-乙基咔唑、二甲基吲哚。國際上以以德國Hydrogenious Technologies(HT)公司、美國空氣化工公司、日本巖谷公司等為代表,對二芐基甲苯、N雜環類、甲基環己烷等不同儲氫有機物展開研究。
有教授指出,當前主流的氫儲運技術在能效、安全性和成本上尚存難點。利用有機液體儲氫技術,每千克氫的儲運成本最高可降低47%,在運輸環節具當前主流的氫儲運技術在能效、安全性和成本上尚存難點。利用有機液體儲氫技術,每千克氫的儲運成本最高可降低47%,在運輸環節具有規模大、高周轉等明顯優勢。有規模大、高周轉等明顯優勢。
甲醇自身含氫量達12.5%,其制氫路線包括甲醇整齊重整制氫、甲醇部分氧化重整制氫以及甲醇自熱重整制氫,其中甲醇蒸汽重整制氫具有H2產量高、CO產量低、成本低的優點,但船舶使用甲醇作為燃料在反應過程會產生CO2,應增加碳捕捉裝置。2022年,歐盟資助的HyMethShip項目,為甲醇重整制氫提出一個可行性方案,大致流程如下:
氨具有較高的氫密度,在常壓和400℃的條件下通過催化即可得到氫氣,作為一種成熟的化學品,氨在全球范圍內已經建立了生產、運輸、應用的產業鏈,為以氨為載體的儲氫方式提供解決方案。去年7月,Alma Clean Power的船用氨燃料電池首次進行了成功測試。
合金儲氫基礎成熟度高,響應快,安全性高,國際上已經實現應用,如2002年德國HDW造船廠研制了世界首艘裝備燃料電池的212A型潛艇,搭載了38個鈦鐵系合金儲氫罐,每個儲氫罐能儲存84 kg氫氣。意大利芬坎蒂尼集團(Fincantieri SI)在建的“ZEUS”號試驗船,配備了一個144千瓦的燃料電池系統,由8個金屬氫化物鋼瓶中含有的約50kg氫氣提供燃料。
但合金儲氫儲氫密度不夠高,近年來,國內已研發了儲氫率達到2.6wt%的釩系儲氫合金材料,但仍無法滿足長續航需求。
目前船用燃料電池領域儲氫方式有很多種,高壓儲氫是目前較為成熟的儲氫方式,低溫液態仍處于研究階段。有機液體儲氫穩定性高,性能好、成本低,具有良好的應用前景,但更適用于有高溫熱源的船舶。甲醇重整制氫產量高、成本低,但有CO2排放,適用于對碳排放要求不高的船舶。合金儲氫相較于其他儲氫方式更為安全,但缺點是質量儲氫密度偏低,其次還有現有材料放氫溫度過高,導致結構損壞的問題,合金儲氫適用于擁有較高配重的船舶。
儲運技術對推動氫燃料電池船舶發展具有重要作用,在安全、成本方面都有至關重要的影響。從長遠來看,開發低成本、高密度、高穩定性是船用氫燃料電池的主要發展方向,需要進一步開發儲氫供氫技術,以滿足船舶應用需求。