本文旨在爲船用氫燃料的使用提供一些指導,並針對業界當前關于航運替代燃料和減少航運業(碳)排放足迹的討論給出相關觀點;簡而言之,本文主要探究如何結合新型航運燃料和技術滿足各種監管目標和機制。
無論是國際海事組織(IMO)、《IGF規則》還是船級社內部,關于船用氫燃料的法規、指南和通告仍在制定階段,而且從廣泛推廣使用方面來看,船用氫燃料的實際應用還處于起步階段,尤其是對于遠洋海運。與此同時,歐洲議會等機構紛紛表示,可再生氫能是“歐洲能源轉型的關鍵”以及“化石燃料制氫應盡快淘汰”——這其中也涉及航運業。那麽,脫節點在哪裏?船用氫燃料發展現狀如何?
1. 氫燃料供應(鏈)
目前,氫燃料市場總規模估計約爲1.12億噸或約3.2億噸石油當量。氫氣主要用于煉化(對汽油成分進行重整)以及合成氨等産業,2020年這兩大産業的氫氣需求量占比分別爲37%和28%。剩余氫氣應用于多種場景,其中少量用作氫燃料。過去十年中,全球氫氣需求量增長了28%,2020/2021年氫氣領域的投資更是實現了GW級別的指數增長。盡管全球氫氣需求增長強勁,但交通出行等新興應用領域仍僅占當前全球需求的一小部分(不到總需求量的0.1%),而這其中航空航天領域對于氫氣的需求最大。目前,約90%的氫氣爲現場生産,並通過有限的輸氫管道進行輸送。目前,全球輸氫管道全長約爲4500公裏,其中2600公裏管道位于美國(如德克薩斯海灣沿岸的煉油中心)。要想擴大輸氫基礎設施,比較可行的方案是對現有天然氣輸送管道進行改造,或者將氫氣混合入天然氣再進行管道輸送。
目前,使用可再生能源(比如電能)制取的氫氣僅占氫氣産量的1%;天然氣是制取灰氫的主要能源,天然氣制氫量約占氫氣年産量的73%,其余爲通過煤炭氣化制取的棕氫。在中國以外地區,灰氫制取成本最低,2020年平均成本爲1.27美元/千克。對于資本性支出幾乎沒有壓縮空間的成熟行業,成本在很大程度上取決于原料價格——灰氫和棕氫成本與化石燃料價格密切相關,而兩者均有上漲趨勢。
相對而言,藍氫(灰氫+CCS)目前仍處于起步階段,而碳捕捉與封存(CCS)技術是影響藍氫發展的主要因素。由于産能有限,綠氫僅占全球氫産量的0.6%(63%的綠氫産自歐洲),因此距離商業應用推廣還有很長的路要走。隨著可再生能源成本的迅速降低、支持性政策的出台和監管體系的完善,以及日益增長的需求進一步拉動投資,預計綠氫將得到更廣泛的應用。截至2020年第二季度,全球範圍內已正式宣布啓動15GW的綠氫項目。
如果無法大幅降低CCS成本,藍氫在中期的平均溢價將比灰氫高約50%(即2020年爲1.96美元/千克)。目前,綠氫成本居高不下,主要原因在于可再生能源成本相對較高以及較低的利用小時數。挪威船級社(DNV)相關數據顯示,綠氫成本(目前爲6.08美元/千克,是2020年灰氫成本的2-5倍,是船用輕柴油(MGO)成本的3-6倍),並將達到極低硫燃料油(VLSFO)價格的4-8倍左右。隨著灰氫成本不斷上漲,以及可再生能源成本的持續下降,預計到2030-2040年,綠氫將成爲灰氫的有力競爭者。
目前尚沒有可供遠洋船舶使用的氫燃料加注船或加氫燃料碼頭,僅有一艘液態氫燃料運輸船(從澳大利亞航行至日本的棕氫燃料船)。目前,所有船用氫燃料都是依靠卡車/拖車通過定制供應鏈供應。影響船用氫燃料補給設施開發(和氫燃料供應商積極性)的決定性因素包括航運市場對燃料價格的敏感度以及面向其他客戶群(包括陸用和電力)的業務利潤更高。由于可以通過電解水制取氫氣,因此理論上不存在嚴重影響氫氣生産能力進而影響航運業氫燃料供應的限制因素。此外,現有航運業船用燃料供應商和能源企業、新興大型公用事業/電力公司以及工業氣體生産商正加速提高氫氣産量,這一現象也從側面印證了上述觀點。
部分港口開始著手建設氫燃料補給設施。例如,鹿特丹已經計劃向德國魯爾區和漢堡的鋼鐵廠供應氫燃料,建造大型電解槽,以便爲港口和城市的衆多工業和運輸業客戶提供氫燃料;新加坡也有意開發液態氫基礎設施。
2. 氫作爲船用燃料
氫氣是可通過電解法制取的最簡單、最基本的可再生燃料。作爲運輸業用燃料時,氫氣以多種顔色和狀態存在,包括以金屬氫化物、液體有機氫載體(LOHC)、壓縮氫(CH2)、液態氫(LH2)或以氨(NH3)爲載體。目前,我們認爲隨著能源需求的增長,液態氫將成爲近海/遠洋航運燃料的領跑者,這一點在市場趨勢上也有所體現。氫氣的低位熱值(LHV)很高,液態氫約爲120MJ/kg,而燃油約爲40MJ/kg(甲烷爲50MJ/kg)。然而,由于燃油的密度遠大于氫氣,一噸燃油體積爲1123升,而一噸液態氫體積爲14125升,因此需要更大的儲存艙。
氫燃料的使用目前主要集中在排放控制區域內的近海和短距離運輸(和內陸水道運輸),以及用于輔機和/或非推進負載。這種現象的主要原因在于航線、氫燃料的可用性以及當地法規/要求和資金配套問題。因此,與二沖程遠洋運輸相比,氫燃料目前更常用于四沖程(中/高速)近海運輸。而且目前大多數項目和政府資金都投注于四沖程(中/高速)近海運輸領域。
3. 氫氣燃燒——內燃機(ICE)
部分企業和財團著手開發氫燃料船舶內燃機。然而,MAN在氫氣燃燒領域有著30年的豐富經驗,更是在20世紀90年代初便啓動了奧托循環發動機的早期氫燃料研究工作,並在90年代後期率先將氫燃料用于公共汽車柴油發動機。但是,當時的政策體系在一定程度上阻礙了MAN進一步開發氫燃料的進程,而如今,這種情況正在發生改變。
人們普遍認爲,氫氣的抗爆震性不如液化天然氣(LNG)或壓縮天然氣(CNG),因此氫燃料面臨的主要挑戰在于其甲烷值低、點火能量低和火焰傳播速度快(=壓力增幅較大)。在廢氣後處理方面,氮氧化物排放量等于或低于現有雙燃料發動機的排放量,並且可以通過MAN SCR解決方案進一步降低,以確保未來排放達標。在航運應用方面,我們的研發部門目前正在深入研究兩種發動機概念。航運應用的第一階段是雙燃料(DF)低壓發動機,可在有限的氫燃料能量占比和降功率的情況下運行氫燃料。該發動機可以在確保靈活性的同時,最大限度地降低氫燃料供應或系統問題的風險,並且將柴油或液化天然氣作爲後備解決方案,非常具有經濟優勢。它可以用于傳統的DF發動機,並且滿足IMOTierIII標准,在氫氣燃燒階段不會排放硫氧化物和二氧化碳。這款發動機可能會在2023年上市,具體取決于市場需求。
航運應用第二階段的雙燃料氫氣發動機,采取缸內直噴方式,重點關注氫氣模式下的效率和全功率。這款發動機非常靈活,只需要引燃燃料,可使用綠色、合成(費托合成)柴油。這款發動機可能會在2026年上市,屆時氫氣供應將更加充足,具體取決于市場需求。我們將內燃機技術與燃氣輪機和質子交換膜(PEM)/固體氧化物(SOFC)燃料電池的一系列參數進行了比較,並且認爲,與燃料電池相比,不論從成本、功率密度、燃料靈活性還是可靠性來看,氫氣內燃機都更具優勢。根據過往經驗,內燃機使用壽命可超過30年(需定期維護),遠超燃料電池堆壽命。我們認爲燃料電池適用于低功率應用場景,但無法成爲近海/遠洋船只的主要推進解決方案。
氫轉化成功因素
4. 液化氫儲存和燃料氣體供應系統(FGSS)
由于氫氣沸點低(在一個標准大氣壓下的沸點約爲﹣253℃),因此液化氫的低溫儲存非常困難,幾乎沒有太多企業和制造商具備相關能力。但是,MAN Cryo具備這方面的能力。基于在低溫領域60年的應用經驗,如真空絕熱低溫液體儲罐、盤管蒸發器和管道系統(主要爲液化天然氣管道系統),2020年,MAN Cryo開發了一款應用于航運領域的液化氫氣體燃料供應系統和真空絕熱多層儲罐。該設備配有一個儲罐連接空間(TCS)、加注站和再氣化裝置,並于2021年5月交付。設備的設計符合《IGF規則》,已獲得相關船級標准認可,並且正在申請其他船級社的認可。
液化氫燃料氣體供應系統體積在50-300m3的範圍內,一個總體積175m3的空儲罐,包括儲罐連接間的重量約爲70噸。根據IGF相關標准,基于9bar的設計壓力,目前最大充裝比爲69%,出于冷卻目的,MAN不建議將儲罐排空至5%以下。因此可用比例僅爲64%。MAN正在與船級社探討如何將當前可充裝比例提升至69%以上。MAN始終采取達到最高標准的安全防範措施。因此,公司部署了雙殼儲罐(外殼被視爲第二層屏障)、雙管道、氫氣檢測和自動控制措施。15天的保壓時間符合《IGF規則》相關要求。各種加注方式均不存在熱沖擊,如車到船、船到船、港到船。
安全
目前,在航運業、運輸領域或社會中引入新的燃料或能源載體會面臨各種各樣的挑戰,與過去從燃煤蒸汽機向碳氫化合物推進系統過渡相比,我們必須克服更多障礙。我們必須對安全性和可持續性給予前所未有的重視。那麽,氫氣的安全性如何呢?首先,讓我們看一下氫氣有哪些特點。氫氣不會在露天存放時發生爆轟,不會分解、自燃、致癌(非致癌物質)。此外,氫氣不會發生氧化,無毒、無腐蝕性、無放射性,不屬于傳染媒介,不會造成水汙染。
氫氣跟同體積的空氣相比,質量約爲空氣的1/14,能夠迅速向上擴散,擴散系數高(是甲烷的4倍),並且可迅速融于空氣。氫氣在空氣中的爆轟極限範圍要比爆炸極限範圍窄得多——當提前點火時,它會在達到爆轟極限範圍之前燃燒。氫氣燃燒時,肉眼無法看到火焰,並且輻射的熱量很少。氫氣無色無味;從技術層面看無法添加氣味劑。
但是,氫分子非常小,極易從密閉空間逃逸。逃逸出的氫氣可能達到可燃燒濃度或使人發生窒息,因此需要適當的通風並配備檢測傳感器。當以液態儲存時,若發生泄漏,可能會導致低溫傷害或肺部損傷。
以上所有這些風險都可以進行管控,MAN Cryo在包括液化天然氣和近期的液化氫在內的各類氣體燃料管理方面有著長期而豐富的經驗,可確保高度安全性。
氫氣發動機概念
-基于已通過海事認證的雙燃料發動機
作者:Alexander Feindt, Man Energy Solutions