2022年是國內氫能船舶起跑之年，打破了此前僅處于喊口號的狀態(tài)，國內氫燃料電池車(chē)已經(jīng)在多個(gè)省市進(jìn)行了成熟的示范運營(yíng)，燃料電池技術(shù)也不斷突破，且車(chē)和船舶燃料電池的同步發(fā)展，具有產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應，現階段發(fā)展氫能船舶時(shí)機已經(jīng)基本成熟。

政策支持推動(dòng)著(zhù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。今年9月28日，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財政部、生態(tài)環(huán)境部、交通運輸部聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快內河船舶綠色智能發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》。文件制定了以2025年和2030年為節點(diǎn)的內河船舶發(fā)展目標，全面推動(dòng)綠色燃料船舶的發(fā)展，建立初步的產(chǎn)業(yè)體系，而其中氫燃料憑借其清潔、易獲取等特點(diǎn)，在綠色船舶的推廣中獨具優(yōu)勢。

從氫能船舶的標準法規發(fā)展情況來(lái)看，國內已經(jīng)啟動(dòng)7個(gè)氫能船舶專(zhuān)項驗證工作，再加上《氫燃料電池動(dòng)力船舶技術(shù)與檢驗暫行規則》和《船舶應用燃料電池發(fā)電裝置指南》等文件，初步形成了體系性的標準。

當前，國內已經(jīng)初步具備燃料電池船舶的概念評估、圖紙審核、產(chǎn)品檢驗和船舶檢驗能力，目前已經(jīng)有三款船用燃料電池系統和一款船用儲氫系統取得認證，為氫能在船舶領(lǐng)域的應用打下了堅實(shí)的基礎。

此外，今年國內在氫能船舶的示范項目也取得了新的進(jìn)展，例如今年5月份，國內首艘氫燃料電池動(dòng)力工作船“三峽氫舟1號”進(jìn)入建造階段，計劃2023年建造完工，2024年投入使用，主要用于三峽庫區及兩壩之間的交通、巡查等工作；8月份，國內首個(gè)內河氫燃料電池動(dòng)力船舶及加氫一體站開(kāi)建，計劃2024年建造完成。

不過(guò)氫能船舶發(fā)展依然存在部分問(wèn)題，一是在燃料電池技術(shù)發(fā)展初期階段，氫能船舶的成本依舊過(guò)高，目前船用燃料電池系統的成本比車(chē)用燃料電池系統高一倍，不過(guò)按照目前的發(fā)展預測，2030年車(chē)用燃料電池系統成本低于500元/KW的目標下，船用燃料電池系統的成本對比傳統船用動(dòng)力也能具備成本優(yōu)勢。第二個(gè)難點(diǎn)是加氫問(wèn)題，船舶加氫沒(méi)有可依的標準，并且在碼頭船舶加氫，船舶涉及到一個(gè)水位落差和傾斜搖擺的問(wèn)題，簡(jiǎn)單地用車(chē)用加氫方案是沒(méi)有辦法完成的，仍需要做一些突破和創(chuàng )新。

針對氫能船舶發(fā)展這個(gè)話(huà)題，近期，《中國工程院院刊》上發(fā)表的《我國氫動(dòng)力船舶創(chuàng )新發(fā)展研究》一文對氫動(dòng)力船舶發(fā)展現狀與產(chǎn)業(yè)布局作出研判，同時(shí)也對氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟可行性作出具體分析。

一、氫動(dòng)力船舶發(fā)展現狀與產(chǎn)業(yè)布局研判

（一）氫動(dòng)力船舶發(fā)展現狀

1. 氫動(dòng)力船舶

在現階段，氫燃料電池適用于多種內河船舶，可作為小型船舶的主動(dòng)力，也可作為大型船舶的輔助動(dòng)力；以質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）類(lèi)型為主，功率等級相比傳統柴油機動(dòng)力有較大差距。發(fā)達國家已成功研制不同類(lèi)型氫動(dòng)力船舶并取得示范應用效果，如德國“Alsterwasser”游船、日本燃料電池漁船、法國“Energy Observer”游艇、美國“Water-Go-Round”渡船、韓國“Gold Green Hygen”氫動(dòng)力旅游船等；后續將深化研究與應用，如挪威“Ulstein SX190”海上工程船、“Topeka”滾裝船，意大利“ZEUS”試驗船等（見(jiàn)圖1）。除燃料電池外，氫內燃機也是船舶應用氫能的重要途徑，如比利時(shí)、日本研制的氫內燃機拖船“Hydrotug”、渡船“Hydro Bingo”。日本企業(yè)（如川崎重工業(yè)株式會(huì )社、洋馬株式會(huì )社等）積極研制氫內燃機，正在開(kāi)發(fā)中速四沖程發(fā)動(dòng)機、中高速四沖程發(fā)動(dòng)機、低速二沖程發(fā)動(dòng)機。

圖1 國內外氫動(dòng)力船舶的產(chǎn)品情況

我國前期研制了“富原一號”“天翔1號”氫動(dòng)力實(shí)驗船（見(jiàn)圖1），但船型、功率均較小。隨著(zhù)陸上新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，氫能和燃料電池技術(shù)快速成熟，為我國氫動(dòng)力船舶提供了良好的發(fā)展機遇。2021年下水的“蠡湖號”游艇、“仙湖1號”游船，燃料電池功率分別為70 kW、30 kW；正在研制中的“綠色珠江號”內河貨船、“三峽氫舟1號”公務(wù)船，燃料電池功率達到500千瓦級。盡管如此，國內船型與國際先進(jìn)產(chǎn)品相比仍存有一定差距，同時(shí)我國氫動(dòng)力船舶的系統集成技術(shù)尚未完全成熟。

2. 燃料電池系統

目前，氫動(dòng)力船舶用燃料電池的單組功率為百千瓦級，裝船使用時(shí)通常采用多組燃料電池級聯(lián)而成，如“Alsterwasser”游船配備了2組48 kW PEMFC、214型潛艇配備了2組120 kW PEMFC，“綠色珠江號”內河貨船擬配備4組135 kW PEMFC。兆瓦級燃料電池系統作為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展方向，是實(shí)現燃料電池在船舶上廣泛應用的基礎；“Topeka”滾裝船、“Ulstein SX190”海上工程船采用的燃料電池系統功率分別為3 MW、2 MW；巴拉德動(dòng)力系統公司研制了200 kW船用燃料電池模塊，最多可6組使用，即燃料電池系統功率可擴展至1.2 MW。國產(chǎn)船用燃料電池功率等級與國外產(chǎn)品相比仍存在一定差距。2021年，武漢眾宇動(dòng)力系統科技有限公司取得船用燃料電池產(chǎn)品型式認可證書(shū)，相應的TWZFCSZ-80燃料電池裝置額定功率為80 kW，正在研制200 kW船用燃料電池系統。

船舶燃料電池系統通常配備一定容量的蓄電池來(lái)對燃料電池輸出功率進(jìn)行“削峰填谷”，如“Alsterwasser”游船配置了201.6 kW·h蓄電池，“Water-Go-Round”渡船搭載了100 kW·h蓄電池，荷蘭“AQUA”概念游艇的蓄電池容量達到1.5 MW·h?？筛鶕肮β市枨?，結合燃料電池和蓄電池供能特征，構建匹配的系統模型以?xún)?yōu)化蓄電池配置。

3. 儲氫裝置

現有的氫動(dòng)力船舶較多采用高壓氣態(tài)儲氫方式，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船、“蠡湖號”游艇等；也有少量船舶采用金屬氫化物儲氫方式，如214型潛艇、“ZEUS”試驗船等。鑒于高壓氣態(tài)儲氫方式的儲氫密度較低、液氫相關(guān)技術(shù)成熟，發(fā)達國家的大型氫動(dòng)力船舶設計方案多采用低溫液態(tài)儲氫方式，如“Topeka”滾裝船、“AQUA”概念游艇等。氫動(dòng)力船舶的續航里程與船載儲氫量密切相關(guān)。一般認為受制于船載儲氫技術(shù)，氫動(dòng)力船舶僅適用于短距離航行，如“Alsterwasser”游船、“Water-Go-Round”渡船的設計續航時(shí)間分別為3d、2d。

氫動(dòng)力汽車(chē)相關(guān)的加氫技術(shù)快速成熟，為解決氫動(dòng)力船舶加注問(wèn)題確定了良好基礎。在“Alsterwasser”游船示范運營(yíng)過(guò)程中，德國林德集團在搭建碼頭加氫站，為氫動(dòng)力船舶提供持續的氫源供應；“Ulstein SX190”海上工程船配有可更換的儲氫模塊，通過(guò)“換罐”方式補充氫能，為氫動(dòng)力船舶的燃料補給提供了新思路。在我國，船用儲氫技術(shù)目前以高壓儲氫為主，后續朝著(zhù)能量密度更高的儲氫技術(shù)路線(xiàn)方向發(fā)展。

（二）氫動(dòng)力船舶產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展態(tài)勢

船舶產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的原材料及配套設施、中游的船舶總裝制造、下游的船舶服務(wù)等環(huán)節。

1. 上游環(huán)節

船舶上游環(huán)節涉及原材料供應、零部件配套等。國外船用燃料電池技術(shù)研發(fā)活動(dòng)開(kāi)展較早，巴拉德動(dòng)力系統公司、豐田汽車(chē)公司等率先推出船用動(dòng)力系統，在包括氫氣設備開(kāi)發(fā)、船體設計與建造、運營(yíng)管理、氫燃料供應在內的船舶價(jià)值鏈方面具有優(yōu)勢，尤其在船舶大功率燃料電池技術(shù)方面保持領(lǐng)先。

我國企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)子交換膜（PEM）性能滿(mǎn)足商用需求且具備批量供貨能力，形成了自研和批量制備催化劑的能力，推動(dòng)了膜電極產(chǎn)品的車(chē)載批量應用。武漢眾宇動(dòng)力系統科技有限公司自主研制的船用燃料電池系統、中集安瑞科控股有限公司生產(chǎn)的30 MPa船用儲氫瓶組已批量出口，都反映了國內氫能與燃料電池行業(yè)的良好發(fā)展勢頭。也要清醒認識到，我國船舶相關(guān)配套技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平仍有不小差距，部分核心配套設備依賴(lài)進(jìn)口的局面有待打破。

2. 中游環(huán)節

美國、歐盟、日本、韓國的相關(guān)航運或燃料電池企業(yè)都在積極參與氫動(dòng)力船舶研發(fā)，所開(kāi)展的示范應用體現出了良好的運營(yíng)效果。

從綜合指標看，我國部分船舶制造企業(yè)在規模上已進(jìn)入世界大型船舶企業(yè)集團之列，但在新船型、高端船型的開(kāi)發(fā)與設計方面相比世界一流水平還存在差距。我國氫動(dòng)力船舶仍處于探索發(fā)展階段，已下水的“蠡湖號”“仙湖1號”船型較小，PEMFC系統輸出功率僅為數十千瓦；500千瓦級“綠色珠江號”“三峽氫舟1號”氫動(dòng)力船舶處于研制階段，應用示范明顯滯后。

3. 下游環(huán)節

在美國、歐盟，資源型或綜合型港口都積極參與氫能港口轉型行動(dòng)，如美國長(cháng)灘港、洛杉磯港開(kāi)展了氫燃料電池拖車(chē)與物流車(chē)的應用試驗，西班牙瓦倫西亞港通過(guò)H2Ports試點(diǎn)項目來(lái)示范應用氫動(dòng)力正面吊。

著(zhù)眼“雙碳”發(fā)展目標，我國港口正在開(kāi)展氫能應用示范以推進(jìn)港口綠色化建設。例如，青島港以打造“中國氫港”為目標，應用了氫動(dòng)力自動(dòng)化軌道吊；寧波舟山港穿山港區正在開(kāi)展“風(fēng)、光、儲、氫”多能源融合示范項目，以風(fēng)光可再生資源發(fā)電、電解水制氫的形式為港區氫負荷（包括氫動(dòng)力集卡、叉車(chē)等）提供穩定氫源，提高能源自洽率并降低碳排放水平。

二、發(fā)展氫動(dòng)力船舶的技術(shù)經(jīng)濟可行性

（一）氫和氨燃料

制氫技術(shù)分為化石能源制氫、工業(yè)副產(chǎn)制氫、電解水制氫等?；茉粗茪浔M管將過(guò)渡到可再生能源電解水制氫，但在一定時(shí)間內仍占重要地位。利用可再生能源實(shí)現低成本、高效率制氫是未來(lái)大規模制氫的發(fā)展方向，也是各國氫能領(lǐng)域支持的重點(diǎn)方面?，F階段綠氫成本依然偏高（約為32.2元/kg），其中可再生能源電力、電解槽的成本占比達到90%，因此控制綠氫成本關(guān)鍵在于降低可再生能源電價(jià)與電解槽成本。未來(lái)通過(guò)降低可再生能源發(fā)電成本、提升電解槽技術(shù)水平、以規?；瘧么龠M(jìn)成本下降，我國綠氫成本有望在2030年、2040年、2050年分別降至14.7元/kg、10元/kg、8元/kg，這就為氫動(dòng)力船舶的規?；瘧弥鸩教峁┝私?jīng)濟可行性。

氨燃料是另一種具有應用前景的零碳燃料，還可作為儲氫載體，其能量密度較高、生產(chǎn)成本低、易于儲存和運輸、產(chǎn)業(yè)基礎完善，在船舶應用方面具有優(yōu)勢。我國合成氨技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟，目前主要利用化石能源制氨，制造成本較低（約4000元/t）?！吨袊茉大w系碳中和路線(xiàn)圖》預測，在“雙碳”目標背景下，我國氨產(chǎn)量將由2020年的5.4×107 t增加至2060年的8×107 t，且2060年有2/3的氨燃料應用于航運行業(yè)，至少滿(mǎn)足水運行業(yè)40%的能源需求?？稍偕茉措娊馑茪湓俸铣砂钡某杀据^高，因而降低可再生能源制氫的成本是控制綠氨生產(chǎn)成本的關(guān)鍵，預計2020—2060年我國可再生能源電解水制氫再合成氨的成本將下降70%以上。

（二）氫燃料電池

2010年以來(lái)，氫燃料電池成本降低了約60%。根據《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書(shū)（2019版）》提出的目標，燃料電池系統的成本將從2019年的8000元/kW下降到2025年的4000元/kW、2035年的800元/kW、2050年的300元/kW；假定船舶燃料電池系統的功率為500 kW，則2050年單船燃料電池系統成本可控制在15萬(wàn)元左右。

隨著(zhù)我國氫能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，國產(chǎn)燃料電池的電堆功率、最低啟動(dòng)溫度、壽命等指標均得以大幅改善，自主化程度也在不斷提升。燃料電池電堆成本約占燃料電池系統成本的65%，電堆成本仍有下降空間，中長(cháng)期的降幅可達85%。我國企業(yè)積極布局雙極板、膜電極、空氣壓縮機、氫氣循環(huán)泵等燃料電池關(guān)鍵零部件研制，如上海捷氫科技股份有限公司生產(chǎn)的燃料電池電堆，58個(gè)核心一級零部件全部實(shí)現國產(chǎn)化，采用新型貴金屬涂層的金屬雙極板和優(yōu)化結構進(jìn)一步提升了燃料電池效率并降低了制造成本。2020年，燃料電池電堆的成本出現了明顯下降勢頭（3000~4000元/kW），甚至部分產(chǎn)品報價(jià)下降至2000元/kW。盡管如此，氫燃料電池電堆及系統的可靠性、耐久性是商業(yè)化應用的關(guān)鍵，仍待持續優(yōu)化提升。

（三）氫內燃機

現有氫內燃機的有效熱效率為35%~45%，而PEMFC系統的效率為50%~60%；雖然氫內燃機的效率偏低，但功率可以達到高值（目前可達到兆瓦級），已用于拖船和渡船。在成本方面，氫內燃機明顯低于PEMFC系統，以100 kW發(fā)電裝置為例，基于當前技術(shù)的氫內燃機成本僅為PEMFC系統的50% ?？梢灶A判，隨著(zhù)船舶儲氫技術(shù)的發(fā)展、氫能基礎設施的完善，氫內燃機在船舶上可取得廣泛應用。

（四）基礎設施

在我國，現有加氫技術(shù)與基礎設施以車(chē)輛應用為主，而船舶應用基本空白；主流的加氫站規模為500 kg/d、1000 kg/d，對應的建設成本分別為1200~1500萬(wàn)元、2000~2500萬(wàn)元（不考慮土地成本），其中設備、土建成本占比超過(guò)70%。氫氣壓縮機、儲氫罐（分為高壓儲氫罐和液氫儲罐）、加氫機是加氫站的核心裝備。在氫氣壓縮機方面，隔膜式壓縮機、液驅式壓縮機已實(shí)現國產(chǎn)化，未來(lái)有望逐步占據國內市場(chǎng)，而離子式壓縮機需進(jìn)一步研制。加氫站儲氫裝置已具備一定的自主化基礎，如中集安瑞科控股有限公司生產(chǎn)的45 MPa大容積無(wú)縫鋼制儲氫氣瓶已實(shí)現出口，300 m3大型液氫儲罐完成了方案設計和小批量生產(chǎn)。35 MPa規格的加氫機基本實(shí)現國產(chǎn)，但加氫槍、流量計、閥件等核心零部件依賴(lài)進(jìn)口；國內企業(yè)已掌握70 MPa加氫技術(shù)，但相關(guān)應用落后于國外。

在氫動(dòng)力船舶發(fā)展初期，宜借助氫動(dòng)力汽車(chē)的良好發(fā)展勢頭，積累基礎設施相關(guān)技術(shù)；逐步開(kāi)展船舶領(lǐng)域的氫能應用，以技術(shù)改進(jìn)與裝備更新的方式匹配氫動(dòng)力船舶的專(zhuān)有應用需求。

（五）船舶總擁有成本

船舶總擁有成本（TCO）包括建造成本、運營(yíng)成本：前者分為主動(dòng)力系統成本、輔助動(dòng)力成本、燃料儲罐成本、船身及其他零部件成本等，后者涵蓋燃料成本、維修成本、箱位損失、人員工資、保修費等。由于氫動(dòng)力船舶仍處于研制與小規模應用階段，相關(guān)的TCO分析依然不夠充分。針對15 000 TEU氨氫動(dòng)力集裝箱船開(kāi)展的TCO分析表明，假定配備1臺51 MW氨發(fā)動(dòng)機作為主動(dòng)力，2臺4 MW、2臺2 MW氫燃料電池系統作為輔助動(dòng)力，則TCO約是同等條件下傳統燃料船舶的2倍；燃料成本是影響氨氫動(dòng)力船舶經(jīng)濟性能的重要參數。

總而言之，今年，內河氫船迎來(lái)新的發(fā)展機遇。此前，國際海事組織（IMO）發(fā)布過(guò)碳減排目標，到2030年，全球海運領(lǐng)域二氧化碳排放平均排放量與2008年相比至少降低40%，2050年降低70%，而我國船舶工業(yè)是國家支柱產(chǎn)業(yè)，2021年，國內船舶工業(yè)GDP超過(guò)5000億人民幣，尾氣排放量超過(guò)220萬(wàn)噸，是碳排放較大領(lǐng)域，因此推動(dòng)綠色燃料船舶的發(fā)展較為緊迫。另外，船舶動(dòng)力系統的造價(jià)占船舶設備的35%，占全船總造價(jià)的25%，由此可見(jiàn)，與汽車(chē)領(lǐng)域類(lèi)似，氫能在船舶領(lǐng)域同樣具有廣闊的發(fā)展空間。