氢燃料电池动力船舶标准研究回顾与展望.pdf
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1、 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.001 氢燃料电池动力船舶标准研究回顾与展望 陈立剑,官文锋,赵 奕(中国船级社武汉规范研究所,湖北 武汉 430022)摘要:从风险控制角度来说,船舶使用氢燃料和燃料电池存在低闪点燃料泄漏导致的燃爆风险。国际海事组织(IMO)于 2016 年开始制定燃料电池船舶安全临时导则,以期将这类风险降低到与传统燃油动力船舶相当的水平。本文梳理了氢能船舶技术发展现状和发展环境,总结了国内外最新标准的发布使用情况,通过目标型船舶建造规范(GBS)研究方法,采用风险评估的方法对诸多风险因素进行了识别,并针对高风险项进行了专项研究,完
2、成了氢燃料电池动力船舶规范标准的研发。同时,以燃料电池处所为例,依据安全原则对防爆抑爆原理进行了深入探讨,阐明了三种不同的防爆抑爆机理,总结了燃料电池处所技术要求,并对后续工作进行展望。关键词:交通碳排放;技术标准;风险评价;燃料电池船;危险区域划分;防爆抑爆 中图分类号:U662.1 文献标识码:A 文章编号:1673-6478(2023)04-0001-06 Review and Prospect of Standard Research for Hydrogen Fuel Cell Powered Ships CHEN Lijian,GUAN Wenfeng,ZHAO Yi(China
3、Classification Society Wuhan Rules and Research Institute,Wuhan Hubei 430022,China)Abstract:From the perspective of risk control,the use of hydrogen fuel and fuel cell in ships has the risk of combustion and explosion caused by low flash point fuel leakage.The International Maritime Organization(IMO
4、)began developing interim safety guidelines for fuel cell ships in 2016,with a view to reducing such risks to levels comparable to those of conventional petroleum-powered ships.The development status and environment of hydrogen ship technology are reviewed,and the latest standards domestic and inter
5、national are summarized.Through the research method of Goal-Based Ship Construction Standards(GBS),several risk factors are identified through the risk assessment method,and high risk projects are specially studied to complete the research and formulation of hydrogen fuel cell powered ship specifica
6、tions and standards.At the same time,taking the fuel cell building as an example,according to the safety principle,the explosion-proof principle is deeply discussed,three different explosion-proof and explosion-proof mechanism are expounded,and the technical requirements of the fuel cell building ar
7、e summarized,and the possible follow-up work is also proposed.Key words:transportation carbon emission;technical standard;risk assessment;hydrogen fuel cell powered ships;classification of hazardous area;explosion prevention and suppression 0 引言 在车用领域,氢燃料电池历经 10 余年的商业化 收稿日期:2023-03-31 基金项目:工业和信息化部高技
8、术船舶科研项目(远洋运输船舶混合动力系统研制 CB03N20)作者简介:陈立剑(1982-),男,湖北武汉人,硕士,高级工程师,研究方向为船舶电气及新能源应用.()应用,已具备较好的技术基础和应用经验,相比而言,氢燃料电池船舶的应用,国内外均处于研究阶段。着眼于氢燃料电池动力技术在船舶领域安全高2 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 效的发展,国内外研究学者针对氢能的船用化技术开展了一系列研究并取得了卓越成果,其中安全技术是学者们研究的主要方向。陈立剑等1以“三峡氢舟 1”为例,研究了氢燃料船舶电力推进系统的设计方法和典型涉氢区域的防爆抑爆方法,计算发现通过合适的通风,并对特定释放源外壳
9、作气密性设计,能够显著降低这些典型涉氢区域的氢泄漏危害风险。官文锋等2研究了氢气在不同直径和方向泄漏的扩散规律和浓度分布,通过计算流体动力学工具FLACS 软件预测了氢气浓度随时间的变化,为氢气探测器布置位置的确定提供了指导。鉴于氢气燃爆的危害性,本研究针对亟须制定的氢燃料电池船舶的技术标准开展安全分析与评估,研究的范围和对象从船舶燃料加注站一直包括到燃料电池装置,以及随之配套的换气设备、电气设备、控制设备和安全装置等。1 船舶低碳转型需求及氢燃料电池船舶发展 船舶的传统动力推进装置通过消耗柴油来产生动力,燃料能量转换效率低,振动噪声等级高,燃烧产生大量温室气体、氮氧化物、硫氧化物和颗粒物,造
10、成严重的生态环境污染。因此,研究清洁、高效、可持续发展的氢能动力技术已经成为绿色船舶的重要发展方向。氢燃料电池是 21 世纪绿色动力能源技术制高点,是一种将氢燃料与氧化剂中的化学能经电化学反应直接转化为电能的发电装置,具有能量转化效率高、能量密度高、振动噪声低和零排放等优点,不仅减少了温室气体和有害气体排放,还提高了能量利用效率,有助于船舶符合日益严格的排放法规。当前绿色发展已成全球主流趋势,绿色技术创新正成为全球新一轮工业革命和科技竞赛的重要新兴领域。碳达峰、碳中和目标的提出更是要求我国加快向清洁、绿色能源转型,发展绿色船舶制造和绿色航运,构建绿色海洋也成为未来绿色可持续发展的重要方向。氢能
11、作为清洁、高效、灵活的二次能源,是我国实现深度脱碳的重要路径。根据国际海事组织(IMO)数据,全球航运业温室气体排放量约占世界总排放量的 2.5%,若不加以控制,预计 2050 年将增至 17%。航运业的污染治理和向可持续能源转型的压力越来越大。2021 年 6 月,IMO 通过了降低国际航运碳强度的技术和营运措施,并计划到 2030 年,现有船队的碳强度降低 40%。氢及其衍生物氨、甲醇等作为未来最具可能的零碳船舶动力替代燃料,将有效缓解航运业迫在眉睫的碳减排需求,发展氢能也将是长远应对航运业深度脱碳需求的关键举措。在氢燃料电池船舶领域,目前国外已进入商业化运营阶段,欧洲已开展示范运行十余年
12、,日美近几年发展迅速。该领域发展趋势为:船型适用面越来越广,从内河船舶到沿海船舶到远洋船舶;功率越来越高,由百千瓦到数兆瓦;燃料电池和氢燃料种类越来越多,燃料电池包括 PEMFC 和 SOFC,氢燃料包括高压储氢、低温液氢、固态储氢、重整类制氢、LNG/甲醇/氨等含氢燃料。早期燃料电池船舶项目致力于对船舶使用燃料电池作动力的性能和安全性进行验证,2006 年启动的ZEMSHIPS 项目,是世界上第一个在商业客轮上使用燃料电池的项目(如图 1 所示),该船使用了两个峰值功率 48kW 的燃料电池和 560V 的铅蓄电池。该船长 25.5m,宽 5.25m,可运送 100 名乘客。图 1 ZEMS
13、HIPS 项目 Fig.1 ZEMSHIPS Project 后续的燃料电池船舶项目则更多的关注燃料电池技术与其他新能源技术的融合,例如重整技术等。在 FELLOWSHIP 项目中,使用了 LNG 作为燃料,并使用了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)技术,电池工作温度 650,使得重整反应在燃料电池内部完成(如图 2 所示)。燃料电池额定功率 320kW,实船测试满载堆效率达到 52.1%。图 2 FELLOWSHIP 项目 Fig.2 FELLOWSHIP Project 我国在燃料电池船舶领域起步稍晚,目前仅有数艘氢燃料电池试验船在开展示范运行,主要采用PEMFC 和高压储氢。国内首艘入级 C
14、CS 的氢燃料电池动力公务船“三峡氢舟 1”于 2022 年 5 月正式开工建造,已于 2023 年 3 月 22 日下水(如图 3 所示)。该船总长 49.9m,型宽 10.4m,型深 3.2m,氢燃料电池组额定输出功率 500kW,最高航速达 28km/h,巡航第 4 期 陈立剑等,氢燃料电池动力船舶标准研究回顾与展望 3 航速 20km/h 时续航里程可达 200km。设项目最大特点就是全产业链零碳排放:利用三峡水力发电,电解水制氢,然后通过燃料电池将氢气转化为电能、热能和水,为船舶提供动力。真正实现能源“从水中来,还到水中去”的循环可持续利用。图 3 氢舟 1 号项目 Fig.3 Hy
15、drogen boat 1 project 随着氢能船舶技术的高速发展,早期氢燃料电池船舶已有标准与实际标准需求还有较大差距。中国船级社(CCS)着眼于氢燃料电池动力技术在节能、环保、安全、高效船舶领域的市场需求和发展趋势,以突破船舶应用氢燃料动力电池技术为重点,开展氢燃料电池动力船舶总体设计和燃料电池系统规范标准的研发,针对亟须的氢能船舶建造规范和产品检验指南开展研究、编制和修订,将安全、绿色、环保的理念贯穿始终。2 氢燃料电池船舶标准研究历程 2.1 国际规则研究历程 航运业是一个国际性的产业,船舶是国际贸易的主要载体,为保障水上人身财产安全,防止船舶造成污染,船舶的法定检验是强制性的,船
16、舶航行和用于船上的重要产品必须依据国际公约和船旗国政府要求进行检验,IMO 负责起草、讨论、批准、发布和维护国际航行船舶的环境和安全有关规则。通常情况下,船舶只使用闪点温度为 60及以上的燃料。如今,氢能源和其他新能源技术能够适应当前船舶环保需求,符合环保法规的要求,并可以推动行业减排走向转折点,而使用新能源的巨大优势也伴随着在船舶上储存和使用方面的一系列担忧。为此,IMO 于 2016年 6 月通过了使用气体或低闪点燃料船舶国际安全规则(IGF Code),为国际航行的低闪点燃料动力船舶的发展奠定了法规和框架。这一国际规则第一阶段仅针对天然气制定了特定的技术要求,而 IMO 货物和集装箱运输
17、分委会(CCC)也意识到船舶使用其他低闪点燃料(如氢燃料)还缺乏对应的国际规则,并计划在第二阶段的工作中制定使用甲醇/乙醇作为燃料和船舶使用燃料电池的技术条款。燃料电池技术条款最初计划写入 IGF Code 中的 A-1 部分,适用于以天然气作为燃料的电池。在这之后,2016 年 CCC 第3 次会议审议决定扩大其适用范围,将燃料电池技术条款写入 IGF Code 中的 E 部分,意味着任何气体或其他低闪点燃料都可以被用于燃料电池的燃料,以使得无论燃料种类和燃料电池类型如何,船舶应用燃料电池系统的安全性、可用性和可靠性应与常规以燃油为燃料的主机和辅机相当。经过 4 年的编制过程,通信组最终提交
18、船舶应用燃料电池发电装置安全临时导则 草案,并在海上安全委员会第 105 届会议(2022年 4 月 20 日至 29 日)上审议通过,批准了船舶应用燃料电池发电装置安全临时导则。应当注意的是,这一临时导则仅包括燃料电池,而不包括燃料存储和供应系统,如果燃料电池使用天然气以外的其他气体或低闪点燃料,则燃料存储和供应系统需按照 IGF Code 中 A 部分的替代设计方法进行应用,直到每一种低闪点燃料都由 IMO 制定了具体的规定为止。2.2 国内法规研究历程 近年来,中国航运业减排和引入替代燃料的政策已逐步成为重要发展方向,我国 2018 年底对于原排放控制区政策进行了扩容升级,扩大了排放控制
19、区的覆盖范围。控制区域方面,由原来的长三角、珠三角和环渤海水域扩展至全国沿海水域及海南水域,同时将长江干线和西江干线纳入内河排放控制区。控制要求方面,分水域、分船型对燃油含硫量限值进行了明确规定,同时在 NOx排放、岸电使用等方面也提出新要求。在早期氢能船舶技术法规存在缺口时,中国交通运输部海事局就氢燃料电池在船上应用相关问题开展了多次研讨,在进行实船应用之前,组织行业就氢燃料电池船先期开展了七个专项技术研究。针对船用氢燃料电池动力系统及氢系统进行了安全性试验与仿真研究,并开展了船舶加氢方式、安全操作规程和监管方式、船用氢燃料技术标准及设计方案风险评估等研究工作。基于七个专项技术项目的开展,2
20、020 年交通运输部海事局委托中国船级社编制氢燃料电池动力船舶技术与检验暂行规则,并于 2022 年 3 月正式生效实施。这一法规在制定之初就充分考虑了氢燃料电池动力船舶技术发展现状,可操作性强,能够满足水上交通运输和环保需要,并立即在氢燃料电池动力公务船“三峡氢舟 1”得到应用,对促进国家减排和航运新技术发展有重要意义。4 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 2.3 船级社规范和指南 在氢燃料电池船舶方面,各家船级社都陆续推出了相关的规范和指南,以明确这类船舶的设计、制造和检验。表 1 给出了各船级社氢燃料电池船舶规范和指南的生效情况。表 1 各船级社氢燃料电池船舶规范和指南概览 Ta
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