近日，中国船舶重工集团公司第七一二研究所副所长李明勇在中国电动汽车百人会论坛（2020）中就电动化船舶进展做了演讲，指出绿色在我国生态文明建设中非常重要，航运的高质量发展离不开船舶的绿色发展。同时强调，在内河等固定航区要达到零排放，包括游船、渡船和作业船等船舶电源下一阶段应该是氢燃料电池技术。
航运污染物排放高，船舶转型升级受关注
航运是全球重要的运输方式之一，燃料以重燃料油为主，能源消费量高，IEA数据显示航运能源消费已占整个运输行业的12%。
图1 全球运输行业能源消费分布（数据来源：IEA）
航运带来的超高排放和水域污染问题在我国表现较为突出。
根据生态环境部公布的数据，2018年船舶排放的SO2、HC（碳氢化合物）、NOx和PM（颗粒物）分别为58.8万吨、8.9万吨、151.5万吨和10.9万吨。虽然船舶总量仅占汽车总量的0.05%，但其NOx和PM排放量占汽车排放量的比例却高达29%和25.8%。
表1 2018年汽车与船舶污染物排放量（数据来源：生态环境部）
《中国生态环境状况公报》中，我国流域和典型湖泊Ⅵ级水质及以下的比例分别达25.8%和33.3%。
图2 全国流域、湖泊水质分布（数据来源：生态环境部）
为降低船舶污染物排放，IMO（国际海事组织）限硫令自2020年1月已实施，全球范围内航运燃油硫含量从3.5%降至0.5%。
交通运输部近年高度重视绿色航运的发展，出台多项相关制度和政策，2017年、2018年分别印发《关于推进长江经济带绿色航运发展的指导意见》、《长江经济带船舶污染防治专项行动方案（2018—2020年）》，要求强化船舶污染源头管理，积极推进老旧化学品船舶和油船淘汰，推广清洁低碳的绿色航运技术装备。
内陆湖泊的污染治理也被列入重点工作。江西省人民政府在《鄱阳湖生态环境综合整治三年行动计划（2018-2020年）》中要求加强船舶港口污染防治，加快推广应用低排放、高能效、标准化的节能型船舶，加快改造或淘汰环保标准低的船舶。
2019年9月中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》强调要“严格执行国家和地方污染物控制标准及船舶排放区要求，推进船舶、港口污染防治。”同时，应加强充电、加氢、加气和公交站点等设施建设。强化大型液化天然气船、新能源船舶等自主设计建造能力。
国发能研院、绿能智库梳理发现，我国水域污染防治工作成为生态文明建设的重点之一，船舶的升级改造在发展绿色交通和水域生态保护方面作用显著，成为各方关注的热点。
碳中和燃料是航运脱碳的关键
航运业的脱碳对防止全球气候变化非常重要。IEA数据显示，2000年至2017年，与航运相关的CO2排放量以年均1．87％的速度增长，2017年CO2排放量达6．77亿吨，按当量计算，已占全球温室气体年排放量的3％。
图3 2000-2050年可持续发展情景中国际航运二氧化碳排放量（数据来源：IEA）
2018年，IMO通过了一项减排战略，计划到2030年将国际航运的碳强度比2008年降低40％，2050年将绝对温室气体排放量至少降低50％，并致力于零排放。这对航运业提出了很高的要求，只能以更快的速度向低碳和零碳燃料过渡。
据IEA测算，仅依靠低碳燃料等手段无法达成脱碳目标，必须增加氢等碳中和燃料的使用范围。
图4 可持续发展场景下航运脱碳实现路径（数据来源：IEA）
欧洲在航运脱碳方面走在前列。2013年，欧盟委员会制定了减少航运业温室气体排放的战略。荷兰政府近期推出的一系列协议中，在内陆船只上推进清洁燃料，并计划在2030年前引进零排放船只。挪威承诺到2026年消除海湾地区的航运排放，氢燃料电池作为船舶推进能源成为其重要选择。ABB与欧洲最大的独立研究机构之一SINTEF已展开合作，预计世界上第一艘氢动力渡轮将于2021年在挪威西海岸开始运营。
国发能研院、绿能智库认为，污染治理和碳减排共同约束下，氢及氢基燃料需要在航运业扩大应用规模，发挥应有作用。
内河航运适合氢燃料电池规模应用
我国内河水域航运资源丰富，主要分布在长江经济带、珠三角等经济发达地区。
图5 全国各省等级航道通航里程分布（数据来源：国家统计局）
近年来，为推进绿色航运和内河污染治理，国家和地方积极推动LNG船舶和加注站的建设，取得了较大进展。据不完全统计，已有24个内河水运LNG试点示范项目落地，覆盖上海、江苏、安徽、湖北、江西、湖南、重庆、广西等多个长江、西江沿线省市。根据《江苏省内河船用液化天然气加气站发展规划》，2020年江苏就将建成89个船用LNG加气站。
使用LNG船舶，可显著减少污染物排放，增加燃烧效率，但碳排放降低有限，无法满足碳减排的要求。
表2 LNG相比重燃油排放降低比例
更为重要的是，我国天然气需求不断上升，对外依存度2019年达44%。按交通运输部2018年发布的《关于深入推进水运行业应用液化天然气的意见（征求意见稿）》中的目标，2025年新建公务船舶应用LNG比例达15%以上，主要内河水域新建船舶应用LNG比例达10%以上。据测算，若LNG船舶达到1万艘，LNG需求量达300万吨/年，不断增长的天然气消费，不利于我国能源安全。
零排放电源中，纯电动技术路线适用范围有限。七一二所研制的中国首条取得中国船级社认证的纯电动船于2019年12月正式投放武汉长江段运行，推进功率2000千瓦，电池容量2300度电，充电功率达300千瓦。据粗略估算，仅电池储能系统的重量将超过15吨，另外，充电时间长、续航里程短、安全要求高也制约了纯电动船舶的使用范围。
内河船舶以燃料电池为动力系统，可在一定程度上弥补纯电动技术的不足。与传统燃料和LNG相比，碳排放降低显著（可再生能源制氢或工业副产氢）。同时，能量转换效率是传统内燃机的2-3倍、噪音更低、负荷变化适应范围更广。
中国船级社（CCS）早在2015半年即发布《燃料电池系统应用指南》，并在2017年发布《船舶应用替代燃料指南》，为推广燃料电池在船舶中的应用打下良好基础。
燃料电池适合多种内河船舶，可作为较低功率船舶的主动力，也可作为大型船舶的辅助动力。据统计，我国2018年共有机动运输船舶12.6万艘，平均吨位1927吨。未来，大功率燃料电池的研发应用可使其应用场景更为广阔。
表3 典型船型与适用的燃料电池功率（来源：七一二所）
近年来，国内外燃料电池船舶研究测试热度不减，包括多种氢基燃料、混合动力系统等的研究。
2019年12月，七一二所发布了全国首台500千瓦级船用燃料电池系统解决方案，将在内河开展实船示范应用，将有力促进大功率燃料电池动力船舶的应用。
当前，燃料电池船舶大规模应用仍需要解决一系列问题，如燃料电池船舶新建和改造费用高、加氢等基础设施欠缺等。值得关注的是，氢与天然气具有较高相似性，所面临的一些问题也具有共性。在大力推广LNG船舶、LNG水运加注站、港口LNG车辆的过程中形成的丰富的政策、制度、商业模式等方面的进展和探索，为氢燃料电池船舶、港口车辆及沿江加氢站等的发展提供了宝贵的借鉴。
国发能研院、绿能智库认为，适宜的技术方向和庞大需求结合，燃料电池在内河船舶上的应用会逐步成熟，有望实现规模化的应用。
港口氢能综合利用潜力巨大
IEA《氢的未来：抓住今天的机会》报告中给出的近期机会首先提到了扩大氢能在工业港口的使用。
港口除了是航运枢纽，也集中了大量短途重型运输车辆和机械。柴油的使用造成了大量污染。为响应航运和港口污染治理，燃料电池可根据实际情况应用在货运船舶、港口拖船、载重卡车和牵引车上，有利于氢能的集中规模化应用。
此外，港口对氢能产业其他环节的发展也具有诸多优势。
我国沿江经济发达，化工园区集中。仅江苏省沿江地区就集聚了42个经济开发区，集中了全省90%以上的冶金和石化企业。
制氢方面，工业副产氢产能多临近港口，而在港口附近的化工园区新建制氢工厂也不存在政策障碍，氢源较丰富。
储运方面，靠近港口的氢源在港口集中消纳，仅需小范围内运输，大大降低储运成本。另一方面，用氢需求集中的城市多分布在沿江经济发达地区，利用航运在供需港口间进行较远距离的氢能运输，也可在现有技术条件下实现氢气规模化运输，并降低运氢成本。
加注方面，加氢站可考虑与现有油气加注站合建，而工业用地和远离城镇也为加氢站审批提供有利条件。因港区或沿江路线固定，港口加氢站的分布密度可大为降低，加氢负荷大幅提高也有利于加氢站商业化运营。
目前，我国宁波、青岛、天津等典型港口城市有望在氢能综合利用发面取得突破。
《天津市氢能产业发展行动方案（2019-2022）》中提到重点在天津港保税区等区域打造氢能产业链，推动加氢基础设施建设，开展氢燃料电池物流车、叉车等示范运营，累计推广车辆700辆以上。
山东青岛港全自动化码头（二期）2019年11月投用氢动力自动化轨道吊，利用周边大量工业副产氢，替代石油和煤炭，轨道吊实现完全零排放。
国发能研院、绿能智库认为，航运低碳绿色发展是未来趋势，长期看，氢及氢基燃料是最适合航运脱碳和降低排放的解决方案。根据我国国情，充分在内河航运领域加大氢能利用范围和规模，打造以船舶为重点、以港口为中心的航运氢能产业生态可有效促进重点地区氢能全产业链的发展。
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