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科技前沿速递——船舶运输“氢”装上阵之路有多远

作者:   发布时间:2022年05月07日    浏览量:154   字体大小:  A+   A- 

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近年来,氢能作为一种理想的绿色能源,越来越受到各国政府及能源公司的青睐。预计到2050年,氢有望占据全球能源市场需求18%的份额,氢能及相关技术的市场价值将达2.5万亿美元。在氢产业链上,氢运输尤其是远洋运输环节是极其重要的一环,对于氢能在全球范围内的推广使用至关重要,进而推进了氢运输船的研发建造进程,船舶运输“氢”装上阵迫在眉睫。

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挪威Gen2 Energy 公司集装箱式压缩氢气运输船

2022年4月11日,挪威船舶设计公司Sirius Design & Integration获得了来自挪威Gen2 Energy公司的一份设计合同,将设计2艘全球首型集装箱式压缩氢气运输船。挪威Gen2 Energy公司是挪威Mosjøen地区一家氢能制造商,主要利用电解生产绿氢,目标市场在英国和北欧地区。该项目的参与方还有DNV船级社,DNV船级社主要根据相关安全规范来进行风险评估,并获得原则批复,目标是让这种特种集装箱船每次航行能够安全地运输大量氢气集装箱。

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图2  Gen2 Energy集装箱式压缩氢气运输船舶

资料来源:Gen2 Energy

该系列船舶特点如下:集装箱运输船全长大约190米,将能运输500个40英尺的集装箱,船舶推进系统使用氢燃料,尽可能减少碳足迹。该型船将专门用于大量压缩氢气的运输,以实现成本效益高、安全绿色的航运解决方案。

 

 

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氢气运输船研究现状

除了挪威采用集装箱运输压缩氢气方式外,日本、澳大利亚及韩国均已启动了氢经济发展战略。其中,日本于2017年公布了一项氢战略,力争在2030年左右建立商业化的氢燃料供应链。澳大利亚于2019年启动其国家氢战略,目标是到2030年成为全球氢能行业的主要参与者,并计划建立“氢中心”,用于生产氢并将其出口至日本、韩国、新加坡以及德国等国。2021年,韩国政府公布了“激活氢经济路线图”,且正在推动造船、汽车、电池等多个行业参与发展氢经济。这使得上述三国在氢运输船研发建造域取得了显著进展,且均实现了“全球首个”。

♦川崎重工Suiso Frontier号船

2022年4月9日,日本无二氧化碳氢能源供应链技术研究联盟(以下简称Hystra)在神户市举行仪式,庆祝川崎重工建造的世界上第一艘氢运输船(LH2)“Suiso Frontier”号从澳大利亚大规模运输液态氢的实证实验取得成功。“Suiso Frontier”号于2019年10月下水,全长116米,宽19米,约8000总吨,采用柴电推进系统,航速可达到13.0节,船员为25人,入级日本船级社。

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图3 Suiso Frontier氢气运输船舶

资料来源:Kawasaki Heavy

该船可容纳冷却至-253℃的液化氢1250立方米——在这一温度下,氢的体积被压缩至其常温常压状态下的1/800。与挪威集装箱式运输氢气的技术方案不同,该船采用的单个椭圆形液化氢储罐储存氢气,罐长25米、高16米、容积为1250立方米,采用真空隔热双壳结构,由川崎重工播磨工厂制造。

♦ 川崎重工160000立方米型液化氢运输船

2022年4月22日,日本川崎重工宣布,160000立方米型液化氢运输船基本设计获得了日本船级社颁发的原则性批准。这一大型液化氢运输船全长约346米,宽约57米,吃水9.5米。该船能够在一次航行中大量运输低温液化氢,同样采用川崎重工播磨工厂制造的液化氢储罐,该船预计将于2026年完工。

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图4 川崎重工160000立方米型液化氢运输船

资料来源:Kawasaki Heavy

该液化氢运输船主要特点如下:

(1)4个液氢储罐,运输量达1万吨。储罐采用新开发的高性能绝缘系统,可最大限度地减少因热进入而发生的蒸发气体,以实现低温液化氢的大规模运输。

(2)利用液氢蒸发气体作为推进燃料。该船配备了以氢气和天然气为燃料的双燃料推进系统,一方面能够利用蒸发的氢气,另一方面也有利于降低碳排放。

(3)能够快速完成液氢装船。该船采用货物装卸系统,可在短时间内完成液氢装载,并配备真空绝热双壁管,以在装载过程中最大限度地减少蒸发。

(4)船体针对性设计。船体和吃水的设计考虑了液氢货物的比重低的特点,同时相应地降低了推进所需的马力,从而提高了推进性能。

♦C-H2运输船

2021年2月3日,澳大利亚全球能源风险投资公司(Global Energy Ventures,GEV)和巴拉德电力系统公司签署了谅解备忘录,双方将合作开发新型燃料电池动力船——C-H2船,用于压缩绿氢的运输。GEV将负责C-H2船的设计审批、开发、融资和运营,以及所需电力系统的集成;其详细设计提交美国船级社已获得原则性批准(AIP),其货物运输系统正在申请技术专利。而巴拉德公司则负责C-H2船燃料电池系统的设计。巴拉德公司将基于FCwaveTM技术,协助GEV将燃料电池系统集成到船的设计中,同时FCwaveTM系统将从船上储存的绿氢中获取氢燃料。

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图5 C-H2 Ship

资料来源:GEV

C-H2船设计能够储存2000吨(2300万立方米)的压缩氢气。其密闭系统由两个直径为20米的大型储罐组成,储罐包含在船体内,可以在3600psi(250bar)的工作压力下存储环境温度的氢气。储氢罐采用钢罐,考虑到氢分子太小,易进入钢结构,时间长了会导致钢脆化。为了避免发生氢脆现象,在储氢罐中加了一个衬套,防止氢渗入到钢。两个大型的储氢罐将分层建造,最内层采用不锈钢,耐氢脆,周围由六层韧性高强度合金钢构成,以满足强度和老化要求。像这样的多个离散层制成的储罐具有显著的优势,若其中某一层产生裂纹,不会影响到相邻的层,大大的提高了储氢罐的安全性。

 

♦ 现代重工液氢运输船

2020年10月,韩国造船海洋(KSOE)及其旗下船厂现代尾浦(HMD)宣布,其大型商用液化氢运输船设计方案获得了韩国船级社(KR)与利比里亚国际船舶和公司登记处(LISCR)颁发的原则性认可证书。这艘容积达2万立方米的液化氢运输船由KSOE、HMD和现代Glovis共同研发。KSOE开发了该船的液化氢货物处理系统和使用燃料电池的氢气蒸发气(BOG)处理系统,HMD则负责该船的基本设计。现代Glovis是一家位于首尔的物流公司,隶属于现代起亚汽车集团,其和G-Marine Service负责对液化氢在储存和运输过程中的经济性和安全性进行分析研究。

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图6 2万立方米的液化氢运输船

资料来源:Hyundai Heavy Industries Group

该船的设计特点是,采用双层结构的真空绝热储罐,以提高隔热性能,尽量减少运行过程中产生的氢气蒸发现象。此外,该船采用电力推进系统,未来可将氢气蒸发气用作燃料电池的燃料。

♦ LH2 Europe项目

2022年5月4日,英国C-Job Naval Architects与LH2 Europe发布了一艘长141米、储存容量为37,500立方米的液氢船的初始设计。LH2 Europe项目主要利用苏格兰丰富的可再生电力生产绿色氢,并以与柴油相仿的价格进行销售,利用该液氢船舶将液态氢运输到德国。该船预计将在2027年交付并投入使用。

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图7  C-Job的液化氢运输船

资料来源:{非本站网址}.uk

该船将由氢燃料电池驱动,配备三个液氢储罐,总容量为37500立方米,足以为400000辆中型氢燃料汽车或20,000辆重型卡车加油。这些液化箱的蒸发量将比目前海运业中使用的油箱低得多。有限的剩余汽化将被捕获并直接用于氢燃料电池,为船舶的推进系统提供动力,仅导致水的排放,该船本身在运营期间的温室气体排放量为零。

 

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相关核心专利摘编

为更好反映氢能运输相关技术在船舶领域的发展,本文摘录了9条该领域的专利文献资料,具体如下:

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资料来源:

[1] 刘颖. 氢运输船研发日韩澳谁胜一筹?[J]. 船舶经济贸易, 2021(1):2.

[2] 氢云链 氢储运里程碑!日本完成全球首次液氢海上运输实践[EB/OL].(2022-02-28)[2022-04-30]. {非本站网址}/s/T5hySQvhN9Ov9e2v7UTMhA

[3] 氢云链 单船1万吨液氢!川崎重工新液氢运输船获日本船级社原则性批准[EB/OL].(2022-04-29)[2022-04-30]. {非本站网址}/s/7bjmEDronXASH-tOd1Ui6Q

[4] 船电技术网.C-H2燃料电池动力氢运输船 [EB/OL].(2021-10-14)[2022-04-30]. {非本站网址}/s/haXswcE3l28DZ5i1OxyO0g

[5]. C-Job Naval Architects designs new class of hydrogen ship [EB/OL].(2022-05-03)[2022-05-04]. https://{非本站网址}.uk/c-job-naval-architects-designs-new-class-of-hydrogen-ship/

[6] Gary Dixon. Gen2 Energy unveils compressed hydrogen container carrier project [EB/OL].(2022-04-12)[2022-05-04]. {非本站网址}/gas/gen2-energy-unveils-compressed-hydrogen-container-carrier-project/2-1-1200943

[7] 国际船舶网. 抢占制高点!韩国三星重工大型液氢运输船及储罐获船级社认证[EB/OL].(2021-10-23)[2022-05-04]. {非本站网址}/a/496738005_155167

 

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来源: 图文编辑:上海海事大学TISC工作组