船舶发动机巨头MAN：氢燃料引领航运业未来

本文旨在为船用氢燃料的使用提供一些指导，并针对业界当前关于航运替代燃料和减少航运业（碳）排放足迹的讨论给出相关观点；简而言之，本文主要探究如何结合新型航运燃料和技术满足各种监管目标和机制。

无论是国际海事组织（IMO）、《IGF规则》还是船级社内部，关于船用氢燃料的法规、指南和通告仍在制定阶段，而且从广泛推广使用方面来看，船用氢燃料的实际应用还处于起步阶段，尤其是对于远洋海运。与此同时，欧洲议会等机构纷纷表示，可再生氢能是“欧洲能源转型的关键”以及“化石燃料制氢应尽快淘汰”——这其中也涉及航运业。那么，脱节点在哪里？船用氢燃料发展现状如何？

1. 氢燃料供应（链）

目前，氢燃料市场总规模估计约为1.12亿吨或约3.2亿吨石油当量。氢气主要用于炼化（对汽油成分进行重整）以及合成氨等产业，2020年这两大产业的氢气需求量占比分别为37%和28%。剩余氢气应用于多种场景，其中少量用作氢燃料。过去十年中，全球氢气需求量增长了28%，2020/2021年氢气领域的投资更是实现了GW级别的指数增长。尽管全球氢气需求增长强劲，但交通出行等新兴应用领域仍仅占当前全球需求的一小部分（不到总需求量的0.1%），而这其中航空航天领域对于氢气的需求最大。目前，约90%的氢气为现场生产，并通过有限的输氢管道进行输送。目前，全球输氢管道全长约为4500公里，其中2600公里管道位于美国（如德克萨斯海湾沿岸的炼油中心）。要想扩大输氢基础设施，比较可行的方案是对现有天然气输送管道进行改造，或者将氢气混合入天然气再进行管道输送。

目前，使用可再生能源（比如电能）制取的氢气仅占氢气产量的1%；天然气是制取灰氢的主要能源，天然气制氢量约占氢气年产量的73%，其余为通过煤炭气化制取的棕氢。在中国以外地区，灰氢制取成本最低，2020年平均成本为1.27美元/千克。对于资本性支出几乎没有压缩空间的成熟行业，成本在很大程度上取决于原料价格——灰氢和棕氢成本与化石燃料价格密切相关，而两者均有上涨趋势。

相对而言，蓝氢（灰氢＋CCS）目前仍处于起步阶段，而碳捕捉与封存（CCS）技术是影响蓝氢发展的主要因素。由于产能有限，绿氢仅占全球氢产量的0.6%（63%的绿氢产自欧洲），因此距离商业应用推广还有很长的路要走。随着可再生能源成本的迅速降低、支持性政策的出台和监管体系的完善，以及日益增长的需求进一步拉动投资，预计绿氢将得到更广泛的应用。截至2020年第二季度，全球范围内已正式宣布启动15GW的绿氢项目。

如果无法大幅降低CCS成本，蓝氢在中期的平均溢价将比灰氢高约50%（即2020年为1.96美元/千克）。目前，绿氢成本居高不下，主要原因在于可再生能源成本相对较高以及较低的利用小时数。挪威船级社（DNV）相关数据显示，绿氢成本（目前为6.08美元/千克，是2020年灰氢成本的2-5倍，是船用轻柴油（MGO）成本的3-6倍），并将达到极低硫燃料油（VLSFO）价格的4-8倍左右。随着灰氢成本不断上涨，以及可再生能源成本的持续下降，预计到2030-2040年，绿氢将成为灰氢的有力竞争者。

目前尚没有可供远洋船舶使用的氢燃料加注船或加氢燃料码头，仅有一艘液态氢燃料运输船（从澳大利亚航行至日本的棕氢燃料船）。目前，所有船用氢燃料都是依靠卡车/拖车通过定制供应链供应。影响船用氢燃料补给设施开发（和氢燃料供应商积极性）的决定性因素包括航运市场对燃料价格的敏感度以及面向其他客户群（包括陆用和电力）的业务利润更高。由于可以通过电解水制取氢气，因此理论上不存在严重影响氢气生产能力进而影响航运业氢燃料供应的限制因素。此外，现有航运业船用燃料供应商和能源企业、新兴大型公用事业/电力公司以及工业气体生产商正加速提高氢气产量，这一现象也从侧面印证了上述观点。

部分港口开始着手建设氢燃料补给设施。例如，鹿特丹已经计划向德国鲁尔区和汉堡的钢铁厂供应氢燃料，建造大型电解槽，以便为港口和城市的众多工业和运输业客户提供氢燃料；新加坡也有意开发液态氢基础设施。

2. 氢作为船用燃料

氢气是可通过电解法制取的最简单、最基本的可再生燃料。作为运输业用燃料时，氢气以多种颜色和状态存在，包括以金属氢化物、液体有机氢载体（LOHC）、压缩氢（CH2）、液态氢（LH2）或以氨（NH3）为载体。目前，我们认为随着能源需求的增长，液态氢将成为近海/远洋航运燃料的领跑者，这一点在市场趋势上也有所体现。氢气的低位热值（LHV）很高，液态氢约为120MJ/kg，而燃油约为40MJ/kg（甲烷为50MJ/kg）。然而，由于燃油的密度远大于氢气，一吨燃油体积为1123升，而一吨液态氢体积为14125升，因此需要更大的储存舱。

氢燃料的使用目前主要集中在排放控制区域内的近海和短距离运输（和内陆水道运输），以及用于辅机和/或非推进负载。这种现象的主要原因在于航线、氢燃料的可用性以及当地法规/要求和资金配套问题。因此，与二冲程远洋运输相比，氢燃料目前更常用于四冲程（中/高速）近海运输。而且目前大多数项目和政府资金都投注于四冲程（中/高速）近海运输领域。

3. 氢气燃烧——内燃机（ICE）

部分企业和财团着手开发氢燃料船舶内燃机。然而，MAN在氢气燃烧领域有着30年的丰富经验，更是在20世纪90年代初便启动了奥托循环发动机的早期氢燃料研究工作，并在90年代后期率先将氢燃料用于公共汽车柴油发动机。但是，当时的政策体系在一定程度上阻碍了MAN进一步开发氢燃料的进程，而如今，这种情况正在发生改变。

人们普遍认为，氢气的抗爆震性不如液化天然气（LNG）或压缩天然气（CNG），因此氢燃料面临的主要挑战在于其甲烷值低、点火能量低和火焰传播速度快（＝压力增幅较大）。在废气后处理方面，氮氧化物排放量等于或低于现有双燃料发动机的排放量，并且可以通过MAN SCR解决方案进一步降低，以确保未来排放达标。在航运应用方面，我们的研发部门目前正在深入研究两种发动机概念。航运应用的第一阶段是双燃料（DF）低压发动机，可在有限的氢燃料能量占比和降功率的情况下运行氢燃料。该发动机可以在确保灵活性的同时，最大限度地降低氢燃料供应或系统问题的风险，并且将柴油或液化天然气作为后备解决方案，非常具有经济优势。它可以用于传统的DF发动机，并且满足IMOTierIII标准，在氢气燃烧阶段不会排放硫氧化物和二氧化碳。这款发动机可能会在2023年上市，具体取决于市场需求。

航运应用第二阶段的双燃料氢气发动机，采取缸内直喷方式，重点关注氢气模式下的效率和全功率。这款发动机非常灵活，只需要引燃燃料，可使用绿色、合成（费托合成）柴油。这款发动机可能会在2026年上市，届时氢气供应将更加充足，具体取决于市场需求。我们将内燃机技术与燃气轮机和质子交换膜（PEM）/固体氧化物（SOFC）燃料电池的一系列参数进行了比较，并且认为，与燃料电池相比，不论从成本、功率密度、燃料灵活性还是可靠性来看，氢气内燃机都更具优势。根据过往经验，内燃机使用寿命可超过30年（需定期维护），远超燃料电池堆寿命。我们认为燃料电池适用于低功率应用场景，但无法成为近海/远洋船只的主要推进解决方案。

氢转化成功因素

4. 液化氢储存和燃料气体供应系统（FGSS）

由于氢气沸点低（在一个标准大气压下的沸点约为﹣253℃），因此液化氢的低温储存非常困难，几乎没有太多企业和制造商具备相关能力。但是，MAN Cryo具备这方面的能力。基于在低温领域60年的应用经验，如真空绝热低温液体储罐、盘管蒸发器和管道系统（主要为液化天然气管道系统），2020年，MAN Cryo开发了一款应用于航运领域的液化氢气体燃料供应系统和真空绝热多层储罐。该设备配有一个储罐连接空间（TCS）、加注站和再气化装置，并于2021年5月交付。设备的设计符合《IGF规则》，已获得相关船级标准认可，并且正在申请其他船级社的认可。

液化氢燃料气体供应系统体积在50-300m3的范围内，一个总体积175m3的空储罐，包括储罐连接间的重量约为70吨。根据IGF相关标准，基于9bar的设计压力，目前最大充装比为69%，出于冷却目的，MAN不建议将储罐排空至5%以下。因此可用比例仅为64%。MAN正在与船级社探讨如何将当前可充装比例提升至69%以上。MAN始终采取达到最高标准的安全防范措施。因此，公司部署了双壳储罐（外壳被视为第二层屏障）、双管道、氢气检测和自动控制措施。15天的保压时间符合《IGF规则》相关要求。各种加注方式均不存在热冲击，如车到船、船到船、港到船。

安全

目前，在航运业、运输领域或社会中引入新的燃料或能源载体会面临各种各样的挑战，与过去从燃煤蒸汽机向碳氢化合物推进系统过渡相比，我们必须克服更多障碍。我们必须对安全性和可持续性给予前所未有的重视。那么，氢气的安全性如何呢？首先，让我们看一下氢气有哪些特点。氢气不会在露天存放时发生爆轰，不会分解、自燃、致癌（非致癌物质）。此外，氢气不会发生氧化，无毒、无腐蚀性、无放射性，不属于传染媒介，不会造成水污染。

氢气跟同体积的空气相比，质量约为空气的1／14，能够迅速向上扩散，扩散系数高（是甲烷的4倍），并且可迅速融于空气。氢气在空气中的爆轰极限范围要比爆炸极限范围窄得多——当提前点火时，它会在达到爆轰极限范围之前燃烧。氢气燃烧时，肉眼无法看到火焰，并且辐射的热量很少。氢气无色无味；从技术层面看无法添加气味剂。

但是，氢分子非常小，极易从密闭空间逃逸。逃逸出的氢气可能达到可燃烧浓度或使人发生窒息，因此需要适当的通风并配备检测传感器。当以液态储存时，若发生泄漏，可能会导致低温伤害或肺部损伤。

以上所有这些风险都可以进行管控，MAN Cryo在包括液化天然气和近期的液化氢在内的各类气体燃料管理方面有着长期而丰富的经验，可确保高度安全性。

氢气发动机概念

-基于已通过海事认证的双燃料发动机

作者：Alexander Feindt, Man Energy Solutions