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abb電機與發(fā)電機

燃料電池“上船”,“骨感”與“豐滿”

   2017-09-19 中船重工經(jīng)濟研究中心船海裝備網(wǎng)5340
核心提示:  引言:在目前的民用船舶推進市場中,主要份額仍然被柴油發(fā)動機所主宰,按功率計,其占領(lǐng)目前市場大約95%的份額,燃氣輪機也
  引言:在目前的民用船舶推進市場中,主要份額仍然被柴油發(fā)動機所主宰,按功率計,其占領(lǐng)目前市場大約95%的份額,燃氣輪機也占有少量的市場份額。由于燃料電池在各方面的局限性,其開發(fā)和應(yīng)用對于民用船舶來說仍處于起步的階段,目前燃料電池系統(tǒng)只在潛艇的AIP系統(tǒng)中有成熟的實際應(yīng)用,例如德國的212A型潛艇,日本的urashima小型AIP潛艇。
 
  一、潛在優(yōu)勢
 
  對于較大型船舶,燃料電池通常用于與柴油發(fā)電機組成混合動力系統(tǒng)或是直接用于輔助動力系統(tǒng)來進行工作。對于小型船舶,燃料電池系統(tǒng)已可以作為主推進系統(tǒng)工作并擁有實船測試的成功案例,但是其功率普遍不超過100千瓦。相較于傳統(tǒng)動力,燃料電池在船舶領(lǐng)域應(yīng)用具有以下優(yōu)勢:
 
  能效轉(zhuǎn)換率高:相較于普通柴油機或者燃氣輪機25%-40%的能效轉(zhuǎn)換率(從輸入燃料到輸出電),燃料電池的能效轉(zhuǎn)換率在40%-50%之間,部分可達到60%以上。
 
 各類型發(fā)電機能效轉(zhuǎn)換率(EPA)
  圖1 各類型發(fā)電機能效轉(zhuǎn)換率(EPA)
 
  “零排放”:以氫和甲醇為能源的燃料電池的排放物僅為水和二氧化碳,并沒有高溫燃燒過程,因此幾乎不排放氮或硫的氧化物。符合了國際上各公約對船舶排放的限制。
 
  燃料選擇的多樣化:氫,甲醇,天然氣均可作為燃料電池的燃料,其來源廣泛,無需擔(dān)心燃料短缺問題。
 
  加工難度低,運行平穩(wěn):燃料電池組由不同數(shù)量的單體燃料電池串聯(lián)而成,可以根據(jù)要求配置成不同功率的電池組,加工精度較內(nèi)燃機更低。且其短時過載能力較傳統(tǒng)內(nèi)燃機更強,可以達到額定功率的200%,不易“熄火”,運行平穩(wěn)。
 
  低噪音:燃料電池屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換裝置,噪聲源僅來自于空氣壓縮機與冷卻系統(tǒng)等輔助部件,沒有傳統(tǒng)內(nèi)燃機在氣缸內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的轟鳴,運行過程中振動較小,產(chǎn)生的噪聲幾乎可以忽略不計。
 
  二、存在的問題
 
  系統(tǒng)安全性有待提高:燃料電池系統(tǒng)需要把數(shù)千上萬個單體燃料電池集成與一體構(gòu)成燃料電池堆來形成足夠大的功率,系統(tǒng)要求每個單體燃料電池都有一致的質(zhì)量且不允許串聯(lián)時出現(xiàn)任何的差錯。除此之外,船舶行駛的特殊工作環(huán)境如腐蝕,震動撞擊,搖晃程度等環(huán)境因素都會造成電池堆內(nèi)部的不平衡性,容易造成危險。
 
  技術(shù)性能仍需提高:一是燃料電池的動態(tài)響應(yīng)速度較傳統(tǒng)柴油機更慢,在緊急加速或極端天氣的情況下,響應(yīng)速度慢的問題或?qū)⒂绊懘靶旭偟陌踩浴6侨剂想姵匕l(fā)動機壽命較短,目前國際上燃料電池的壽命普遍不超過5000小時,與實際應(yīng)用仍有一定差距,尤其是對需要長時間運行的遠洋船舶來說尤為致命。三是環(huán)境適應(yīng)性較差,低溫啟動較為困難,極有可能在寒冷天氣時無法正常使用。
 
DOE發(fā)布的燃料電池壽命路線圖
  圖2 DOE發(fā)布的燃料電池壽命路線圖
 
  系統(tǒng)成本過高:目前燃料電池中普遍采用鉑作為催化劑,其高昂的價格導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)整體成本的增高。美國能源部預(yù)測車用燃料電池系統(tǒng)需要年產(chǎn)50萬臺成本才可達到與普通內(nèi)燃機相同的成本,而目前市場需求量與預(yù)測相距甚遠,船用燃料電池系統(tǒng)暫無詳細數(shù)據(jù)但其成本也可見一斑。
 
DOE燃料電池系統(tǒng)成本預(yù)測(年產(chǎn)50萬臺)
  圖3 DOE燃料電池系統(tǒng)成本預(yù)測(年產(chǎn)50萬臺)
 
  基礎(chǔ)設(shè)施滯后:以目前相對較為成熟的氫燃料電池系統(tǒng)來看,相應(yīng)船舶必須配套氫加注碼頭(暫無實例),目前美國能源部提出的車用加氫站平均建設(shè)成本在200萬美元左右,考慮到儲氫量與運輸成本,港口加氫站的建設(shè)與維護費用必定更高。要在各地碼頭大面具鋪開加氫站的成本與維修費用將不可估量。
 
  三、研發(fā)情況
 
  1、歐洲
 
  目前對于船用燃料電池系統(tǒng)的研究主要集中在歐洲,全球第一艘以燃料電池作為船舶電力來源的商業(yè)運營船舶,就是由歐洲幾大船級社與企業(yè)合作研制(DNV、挪威航運集團、瓦錫蘭、VIK SANDVIK、MTU),該燃料電池系統(tǒng)功率為320千瓦,安裝在一艘平臺供應(yīng)船“Viking Lady”上并成功運行。但是從目前各企業(yè)和船級社對船用燃料電池系統(tǒng)的研究來看,其對于船用燃料電池的研究大多以可行性與燃料產(chǎn)能效率研究為主,進行實船測試的相對較少。
 
 首艘燃料電池船舶的合作單位與分工
  圖4 首艘燃料電池船舶的合作單位與分工
 
首艘燃料電池船“Viking Lady”
  圖5 首艘燃料電池船“Viking Lady”
 
歐洲船用燃料電池系統(tǒng)研究項目
  表1 歐洲船用燃料電池系統(tǒng)研究項目
 
  2、日本
 
  在2009年5月,日本國土交通省制定的《對于船舶行業(yè)中長期科研計劃》中便提到了將燃料電池作為船舶電力推進系統(tǒng)來減少排放。得益于日本燃料電池領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢,其在船用領(lǐng)域雖起步晚但發(fā)展較快。2015年初,在日本環(huán)境省的政策支持下,日本戶田建設(shè)與雅馬哈發(fā)動機聯(lián)手開發(fā)氫燃料電池船舶,年底便在一艘漁船上實現(xiàn)了實船試航,其最高速度可達37千米/小時,每次加氫可運行2小時左右。另外,三菱重工、Flatfield等企業(yè)對燃料電池在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用也有著持續(xù)的研究。
 
日本《對于船舶行業(yè)中長期科研計劃》
  圖6 日本《對于船舶行業(yè)中長期科研計劃》
 
  3、韓國
 
  2010年3月,韓國知識經(jīng)濟部制訂的《造船產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃》中便提到了將燃料電池等綠色能源應(yīng)用和IT技術(shù)應(yīng)用到船舶行業(yè)中。2015年,政府推出的燃料電池船舶項目共投入160億韓元,由韓國船級社牽頭進行相應(yīng)的研發(fā)。另外,韓國的大型船廠與企業(yè)如大宇造船、Posco Power、三星重工、STX造船都參加了政府牽頭的船用燃料電池研發(fā)項目或自主研發(fā)。
 
  4、中國
 
  我國對民用船舶燃料電池系統(tǒng)的研究主要集中在高校與部分科研院所。我國第一艘燃料電池船舶的實船測試在2005年11月,是由上海海事大學(xué)研制的“天翔一號”小艇,以氫作為燃料,電池系統(tǒng)可以支撐小艇在14千米/小時的速度下航行5小時,電池功率為2千瓦。
 
  四、展望
 
  受成本、安全、壽命等多種因素影響,燃料電池在民用船舶領(lǐng)域目前尚不具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的條件,但是隨著國際公約法規(guī)對船舶排放要求的日益嚴(yán)格,燃料電池系統(tǒng)卓越的排放性能有可能將其推向船舶動力市場的新風(fēng)口,尤其是豪華游輪在船舶行業(yè)逐漸崛起的今天,燃料電池系統(tǒng)噪音低的優(yōu)勢完美滿足了豪華游輪對舒適度的要求。目前限制船用燃料電池系統(tǒng)走向大規(guī)模商業(yè)化的歸根結(jié)底還是技術(shù)與成本問題,但隨著技術(shù)的不斷革新,燃料電池將有可能打破現(xiàn)有的船用動力系統(tǒng)格局,燃料電池能否成功“上船”,拭目以待。

 
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