燃料电池：工业检查零排放竞争的选择
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Domenic Carlucci，机械，电气和控制技术ABS经理
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包括ABS和桑迪亚国家实验室在内的海事财团最近证明了为环境敏感的旧金山湾地区的运营而设计的氢燃料电池渡轮的可行性。
国际海事组织明年初要求限制船用燃料中的硫含量，这可能是自双船体需求以来航运业的最大监管变化，但与未来减少温室气体的目标相比，这一挑战将逐渐消失（ GHG）。
一年前（2018年4月），国际海事组织同意了一项初步战略，即到2030年将货物吨公里的二氧化碳排放量减少至少40％，到2050年减少50％的运输温室气体排放。支持并告知该目标，1月份开始强制收集船舶的排放数据。国际海事组织的最终战略将于2023年公布。在此期间，它将致力于发布其第四次温室气体研究，并分析和报告三年来收集行业排放数据的结果。
减少航运排放的强制性全球目标是最雄心勃勃的：它们将需要结合船舶设计改进的措施;创造新的燃料和替代形式的推进力;运营变化;和数字技术的应用。因为没有新技术的开发就不可能实现这些目标，所以行业和政府需要扩大他们为研究和开发提供的资源。
具有潜力的技术
船上能量产生的一个有希望的领域是燃料电池。燃料电池目前用于各种土地应用，例如在偏远地区以及工业，住宅和商业建筑中提供电力。特别是来自氢燃料电池的能量已经用于陆基运输车辆，例如市政公共汽车，火车和重型卡车，以及用于诸如叉车的工业设备。
虽然潜艇最近使用氢燃料电池建造了混合动力推进装置，但其在商业航运领域的使用在很大程度上仅限于辅助目的：燃料电池可以提供船上的热量和电力 - 包括“酒店”电力，例如游轮 - 和'冷熨烫'，提供替代岸边动力源，允许船舶在码头关闭发动机，减少其排放量。
此外，海事部门进行了大量研究和原型设计，以研究小型客轮和其他短途船舶的应用。 ABS与桑迪亚国家实验室合作，最近证实了在旧金山湾地区使用的高速氢燃料渡轮的可行性。另外，挪威去年年底为建造氢动力高速渡轮和短途货机提供了资金。
潜力和挑战
与新兴的电池供电选项相比，氢燃料电池技术有可能在工业规模上提供可靠的远程电源，并且加油速度相对较快。氢气本身具有比电池更高的能量密度，可能使燃料电池系统对于寻求替代或补充传统燃料推进装置的运营商更加实用。
然而，氢的来源可能是能源密集型的。如果不加入可再生的氢气，甲烷或类似工艺对氢气产生的温室气体的净影响可以忽略不计。此外，即使在考虑安全因素之前，采用氢气作为深海船用燃料并非没有挑战。
重要的是比较不同能源（包括燃料电池）的能量密度，以便更好地了解它们在适合全球航运之前如何成熟，其中货物运输是主要关注点。通常，燃料电池系统需要较少的维护（可能提供较低的维护成本）和较长的使用寿命。与现有的重油发电厂相比，它们产生的噪音更少，为船员提供了更舒适的工作环境，减少了对周围海洋生物的干扰。
燃料电池系统对混合动力推进解决方案的适用性 - 加上柴油 - 具有广泛的记录。但也许最重要的是，对于寻求在2030年和2050年实现IMO排放合规途径的主动所有者，氢燃料电池系统将产生零温室气体;他们唯一的能源生产副产品是水。另一个关键挑战将是海洋工业开发氢分配系统，该系统能够生产和分配全球大型船舶网络所需的大量数量。
由于替代燃料越来越受欢迎，炼油厂正在调整其生产流程以适应需求的增长，但供应网络需要在船舶行业有足够的信心足以广泛采用利用燃料电池的电力系统之前成熟。作为发电技术，燃料电池相对成熟。船东可能希望将这项技术看作不仅仅是“未来燃料”，而是认识到它对海洋产业的现有好处，因为它们的行动是减少船队的碳足迹并引导更可持续的未来。
燃料电池系统如何工作
燃料电池是通过燃料与氧气或其他氧化剂的电化学反应将来自燃料的化学能转化为电的装置。它们与电池的不同之处在于，燃料电池需要连续的燃料和氧气源（通常来自空气）以维持化学反应，而来自电池的能量的可用性由其储存的能量来确定。只要燃料和氧气供应给燃料电池，燃料电池就可以持续发电。
燃料电池有许多类型的设计。大多数由阳极，阴极和电解质组成，其允许带正电的氢离子（称为质子）从燃料电池的阳极侧移动到阴极侧。
安全和新兴监管
目前没有IMO规定为燃料电池装置提供规定性要求;他们正在发展中。正在审查这些发展，作为低闪点燃料需求的延伸。与气体燃料有关的安全问题，如氢气，甲烷和其他“轻于空气”的燃料，或丙烷（比空气重），需要特殊的通风布置，以防止形成容易爆炸的危险区域。
对于许多燃料电池，在引入燃料电池之前，非氢气供应在外部重整为氢气和其他副产物。因此，燃料系统的氢气部分 - 从重整器到燃料电池 - 需要仔细考虑设计和功能。
海洋和近海资产燃料电池装置的安全和运行审查主要依靠基于风险的研究，结合IMO船舶法规，IACS要求，适用的工业标准以及基于燃料电池系统特定设计和配置的规则或指南。
目前正在修订使用气体或其他低闪点燃料的船舶国际安全规则，称为IGF规则，以满足燃料电池系统的要求;业界预计这将有助于应对当前的安全挑战。
随着行业越来越多地采用燃料电池系统，为了支持和促进更安全和更可持续的实践，ABS将很快发布关于该技术的海洋应用的燃料电池指南，包括推进和其他辅助用途。它将以一种足够灵活的形式为燃料电池系统的应用提供结构化方法，以包括其他气体燃料和任何未来的技术升级。
船东正面临着一些具有挑战性的环境决策，因为更严格的法规将其行业的发展方向转变为更可持续的未来：到今年年底，燃料的硫含量上限为0.5％;到2030年，船舶的二氧化碳排放量至少减少40％;到2050年温室气体排放量减少50％;区域和国家政府可能制定更加雄心勃勃的目标。
他们可能是时候开始考虑燃料电池在提供解决方案方面可以发挥的作用。
Carlucci先生目前是机械，电气和控制技术的ABS经理。自2008年加入ABS以来，Carlucci在资产完整性管理，生命周期风险和可靠性，设计和计划审查以及产品和服务开发方面担任过多个高级职位。凭借在海洋和近海工业方面的丰富经验，Carlucci的专业知识包括：混合动力应用，船舶系统运行和维护，系统设计，风险和可靠性分析（FMEA，RCM）以及状态/性能监控。他曾在美国海军担任核训练的水面战官。 Carlucci先生拥有杜克大学机械工程学士学位和休斯顿大学工商管理硕士学位。
本文首次出现在2019年3月的MarineNews杂志印刷版中。
