能源轉(zhuǎn)型和環(huán)境保護(hù)是可持續(xù)發(fā)展的必由之路，供給實施清潔替代則是轉(zhuǎn)型特征之一，作為零排放燃料，全球氫能需求將有可觀增長。由于氫生產(chǎn)成本存在地域差異，高效且能載運高純度氫的液化氫(LH2)運輸船成為大規(guī)模、長距離遠(yuǎn)洋跨境運輸?shù)闹匾�載體。

國際航運協(xié)會(ICS)在一份主題為《將氫能需求轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實：哪些行業(yè)將率先發(fā)展》的報告中提到，歐盟、日本和韓國未來或是氫能消費需求主體，當(dāng)全球氫需求總量達(dá)到3000萬噸/年時，市場預(yù)計需要411艘LH2運輸船。

中國推出全球最大

作為氫能供應(yīng)鏈中必不可少的一環(huán)，航運業(yè)完全有能力成為全球脫碳及氫能海上運輸?shù)耐苿诱撸�現(xiàn)已出現(xiàn)的更大型LH2運輸船設(shè)計，說明了航運業(yè)將在其中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

在今年4月召開的“2024國際氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇”上，中國船舶集團(tuán)有限公司旗下第七〇八研究所發(fā)布兩型LH2運輸船設(shè)計方案。

18萬立方米LH2運輸船擁有目前全球最大的艙容設(shè)計，船長約315米、型寬54米、設(shè)計吃水10米、壓載吃水不小于9米，采用“V”型船體，單個球罐容積45000立方米。為盡可能減少熱交換，該船采用表面積體積比最小的雙層球罐方案，兩層球殼之間抽真空并進(jìn)行絕緣填充，蒸發(fā)率不超過0.1%。

另一型LH2運輸船艙容20000立方米，采用雙層真空單圓筒C型罐，兩層球殼之間抽真空并進(jìn)行絕緣填充，蒸發(fā)率不大于0.2%。該型船計劃采用柴油推進(jìn)，主燃料為船用輕柴油(MGO)，燃油艙布置在船體舯部，此外還可根據(jù)需求選擇LNG燃料推進(jìn)，另配置質(zhì)子交換膜燃料電池。與此同時，該型船優(yōu)化了再液化設(shè)備、壓縮機(jī)布置及GCU布置。

20000立方米LH2運輸船效果圖/中國船舶集團(tuán)

去年底，滬東中華造船(集團(tuán))有限公司根據(jù)國際市場潛在需求推出的一型LH2運輸船獲得船級社頒發(fā)的AIP證書。該船型船長210米、型寬32.2米、型深20米、設(shè)計吃水7米、設(shè)計航速15節(jié)，配置3個液貨艙，采用雙層真空絕熱C型艙液貨圍護(hù)系統(tǒng)，低溫液相管系采用真空絕緣雙壁管，設(shè)計雙燃料(重柴油和氫氣)電力推進(jìn)系統(tǒng)，燃?xì)饽Ｊ较驴蓪崿F(xiàn)零碳排放。

今年1月，船舶設(shè)計公司LMG Marin、道達(dá)爾能源(TotalEnergies)和GTT聯(lián)合開發(fā)項目取得成功，并獲得船級社頒發(fā)的原則性認(rèn)可(AIP)證書，包括GTT開發(fā)的LH2薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計，以及裝備該圍護(hù)系統(tǒng)的大型LH2運輸船初步設(shè)計。這型LH2運輸船艙容達(dá)15萬立方米。TotalEnergies規(guī)定了設(shè)計規(guī)范、船舶尺度和運能，以及對推進(jìn)模式的要求和設(shè)想航線上的二氧化碳排放量。

與道達(dá)爾能源在全球性能源和石化領(lǐng)域存在競爭的殼牌，同樣為未來的“氫經(jīng)濟(jì)”進(jìn)行布局。

5月，殼牌與HD現(xiàn)代旗下HD韓國造船海洋(HD KSOE)及其造船子公司HD現(xiàn)代重工簽署一項聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，旨在加速LH2運輸船研發(fā)，以期在2030年實現(xiàn)商業(yè)化運營。根據(jù)協(xié)議，HD KSOE將利用自身技術(shù)研發(fā)大型液氫儲罐和氫氣系統(tǒng)等核心技術(shù)，HD現(xiàn)代重工負(fù)責(zé)氫動力發(fā)動機(jī)研發(fā)和LH2運輸船設(shè)計，殼牌將分享其在技術(shù)開發(fā)和運輸船運營方面的經(jīng)驗，審查LH2運輸船設(shè)計的可行性。

韓國造船海洋的LH2運輸艦概念設(shè)計/韓國造船海洋

除已獲得20000立方米LH2運輸船AIP證書的HD KSOE外，韓華海洋和三星重工也在研發(fā)大型LH2運輸船。韓華海洋重點尋求零碳排放燃料的LH2運輸船設(shè)計方案，三星重工則開發(fā)薄膜型液氫儲罐及16萬立方米LH2運輸船概念設(shè)計。

再看歐洲設(shè)計。Moss Maritime在2019年便獲得了LH2運輸船液貨圍護(hù)系統(tǒng)AIP證書，這種設(shè)計基于其LNG圍護(hù)系統(tǒng)方案，改進(jìn)升級使之符合在-253℃條件下的氫運輸要求。隨后，Moss Maritime與合作伙伴聯(lián)合開發(fā)了一款氫燃料加注船，該型船艙容9000立方米，既可為遠(yuǎn)洋商船提供燃料加注，也能用于遠(yuǎn)洋LH2運輸。

去年，知名存儲設(shè)備設(shè)計及建造商西比埃（CB&I）為氣體運輸船設(shè)計的LH2圍護(hù)系統(tǒng)獲得了船級社頒發(fā)的AIP證書。該液貨圍護(hù)系統(tǒng)基于CB&I用于陸上液氫儲存的真空絕熱球型技術(shù)，小型儲罐蒸發(fā)率低于0.1%，大型儲罐蒸發(fā)率低于0.05%。此系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于船舶設(shè)計公司Houlder開發(fā)的20000立方米LH2運輸船概念中。

荷蘭船舶設(shè)計公司C-Job與LH2 Europe公司合作開發(fā)的一型LH2運輸船將以氫燃料電池作為動力，以實現(xiàn)端到端的液氫“綠色運輸”。該型船船體為梯形設(shè)計，增加了甲板空間，船長約141米，配備3個總艙容為37500立方米的液貨艙。特別的是，逃逸氫氣將被捕獲并直接用于船載氫燃料電池，從而為船舶推進(jìn)系統(tǒng)提供動力，在運行期間將實現(xiàn)零溫室氣體排放。

日本積極開展探索

由川崎重工神戶工場建造的全球第一艘LH2運輸船“SUISO FRONTIER”輪于2022年完成了首次運輸航行——從澳大利亞黑斯廷斯港(Hastings)到日本神戶港的LH2海上運輸。

全球第一艘LH2運輸船“SUISO FRONTIER”輪/川崎重工

“SUISO FRONTIER”輪曾入選英國皇家造船師學(xué)會(RINA)評出的《2021年度世界杰出船型名船錄》，該船船長116 米、型寬19米、型深10.6米、滿載吃水4.5米、航速13節(jié)，儲罐艙容1250立方米。川崎重工官網(wǎng)介紹，該船儲罐采用真空絕緣雙殼結(jié)構(gòu)，借鑒陸上LH2儲罐和液化天然氣(LNG)儲罐等技術(shù)，實現(xiàn)了高強(qiáng)度和高隔熱性能。

“SUISO FRONTIER”輪順利完成從澳大利亞到日本的LH2的裝運和卸載，標(biāo)志著日本氫能供應(yīng)鏈技術(shù)研究協(xié)會(HySTRA)重點示范項目的成功。日本是全球首個發(fā)布?xì)淠軕?zhàn)略的國家，確立了到2030年普及氫能源的行動計劃和具體數(shù)量目標(biāo)，穩(wěn)步推進(jìn)氫能技術(shù)研發(fā)，嘗試打造全球化氫能供應(yīng)鏈，力求在氫能源領(lǐng)域占得技術(shù)與市場先機(jī)。在日本政府資助下，從2014年便開始研發(fā)LH2運輸船及LH2儲存系統(tǒng)的川崎重工，與巖谷產(chǎn)業(yè)株式會社(Iwatani)、日本電力開發(fā)有限公司(J-POWER)和殼牌日本公司等3家企業(yè)于2016年共同成立HySTRA，主要目標(biāo)是研發(fā)制氫、運輸、儲存和用氫所需各種技術(shù)，最終打通氫能源產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)零碳社會。

日本正與澳大利亞合作建設(shè)世界首條LH2海上運輸線，旨在開發(fā)一條完整的氫氣供應(yīng)鏈，這便是在日本政府和澳大利亞政府支持下由川崎重工牽頭的煤制氫“氫能供應(yīng)鏈”(HESC)項目。該項目在拉特羅布谷進(jìn)行褐煤氣化制氫，同時將制氫過程中產(chǎn)生的二氧化碳進(jìn)行分離回收，然后將氫氣運送到黑斯廷斯港進(jìn)行液化處理和存儲，再通過“SUISO FRONTIER”輪運往日本，船舶抵達(dá)目的港后，裝載系統(tǒng)將液貨卸至陸上儲罐中，整個過程保持-253℃溫度不變。

川崎重工設(shè)計的新型貨物安全系統(tǒng)將褐煤生成的氫氣冷卻至-253℃，成為液氫，真空絕緣雙殼結(jié)構(gòu)不銹鋼液貨艙旨在幫助處理蒸發(fā)現(xiàn)象，因為LH2的蒸發(fā)速度是LNG的10倍左右，熱量可能會將其轉(zhuǎn)換回氣體形式，從而增加艙內(nèi)壓力。而考慮到液氫純度要求極高及其再液化難度，一旦氣化，不可在運輸船上經(jīng)過處理后再次液化，所以LH2運輸船設(shè)計要盡可能降低蒸發(fā)。這是對液貨罐絕緣要求極高的原因之一。船上的氫兼容氣體燃燒裝置(GCU)確保所有蒸發(fā)氣體完全安全燃燒，從而降低壓力升高風(fēng)險。液貨艙的支撐結(jié)構(gòu)由高度耐用的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)制成，具有超高隔熱性能。除采用真空穹頂、雙層不銹鋼絕熱殼體、絕熱支撐結(jié)構(gòu)等設(shè)計外，在“SUISO FRONTIER”輪的設(shè)計建造過程中，川崎重工還在柴電推進(jìn)系統(tǒng)、通風(fēng)管道、甲板機(jī)械監(jiān)控、艙室設(shè)備控制等方面，針對LH2運輸特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

川崎重工稱，為實現(xiàn)LH2規(guī)�；�供應(yīng)，今后將從技術(shù)、運輸及安全等方面進(jìn)一步開展研發(fā)及驗證，力爭在2025年完成商業(yè)化實證實驗，并于2030年達(dá)成氫能源供應(yīng)鏈商業(yè)化目標(biāo)。川崎重工另外研發(fā)的一型LH2運輸船船長約346米、型寬約57米，4個直徑約43米的儲罐總艙容為16萬立方米。

“SUISO FRONTIER”輪首航成功后，日本能源公司Suiso Energy(JSE)和商船三井、日本郵船、川崎汽船簽署協(xié)議，3家公司各持JSE子公司JSE Ocean 16.6%的股份，JSE和這3家在能源運輸領(lǐng)域有豐富經(jīng)驗的日本航運企業(yè)將通過JSE Ocean迅速建立日本氫供應(yīng)鏈。根據(jù)之前計劃，JSE Ocean最早將于今年訂造世界上第一艘大型氫動力LH2運輸船。

設(shè)計挑戰(zhàn)突破之道

作為未來液氫產(chǎn)業(yè)核心載體，LH2運輸船市場可期，只不過LH2運輸船的研發(fā)仍處于探索階段。相較于其他液態(tài)化能源，液氫密度較小，例如LNG密度為430-470公斤/立方米，液氫密度為70.78公斤/立方米，同艙容情況下，LH2運輸船的載重量較低，設(shè)計吃水時通常攜帶一定量的壓載水以保持穩(wěn)性。此外，由于船寬吃水比(船體最大寬度與船舶滿載情況下的最大吃水深度比值)較大，方形系數(shù)較小，艉部線形偏瘦，因此為實現(xiàn)機(jī)艙緊湊化布置，宜采用氫燃料發(fā)動機(jī)結(jié)合全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推進(jìn)系統(tǒng)和雙艉推進(jìn)形式。

液態(tài)氫運輸給船舶設(shè)計帶來的獨特挑戰(zhàn)不止于此。滬東中華造船(集團(tuán))有限公司科技委主任金燕子在《液氫運輸船技術(shù)探析》中還提到，液氫需保持-253℃溫度不變，遠(yuǎn)低于液態(tài)LNG溫度，可能對船體鋼材選級帶來較大影響，因此須開展有限元溫度場分析，同時針對鞍座、氣穹、液穹等特殊區(qū)域位置，建立有限元局部模型開展計算分析，根據(jù)計算結(jié)果選擇合理的結(jié)構(gòu)材料和鋼材等級。

由于液氫蒸發(fā)率高，LH2運輸船更適合采用技術(shù)成熟度較高的真空雙層絕熱C型艙液貨圍護(hù)系統(tǒng)。在總布置上需同時滿足《國際散裝運輸液化氣體運輸船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》(IGC)第2.4條中有關(guān)液貨艙位置的要求，以及第3.5條中有關(guān)通往貨物區(qū)域內(nèi)各處所通道的要求，并且采用雙殼雙底結(jié)構(gòu)設(shè)計。

由于裝卸貨及冷艙暖艙工況下產(chǎn)生的極大溫差容易引起較大結(jié)構(gòu)變形，在 布置上盡可能將C型罐體的固定鞍座位置與液穹位置在船長方向保持一致，將液穹位置沿船寬方向設(shè)置在舯部，盡可能減少熱脹冷縮變形對密封性能的影響。

液氫點火能量低且在空氣中爆炸極限范圍廣(4%-74%)，這讓安全高效儲存和運輸液氫的難度較大。由于氫氣比甲烷更容易燃燒，且燃燒速度和劇烈程度均遠(yuǎn)高于甲烷，這要求在運輸或操作過程中應(yīng)采取措施防止泄漏，或配置固定式氫氣探測系統(tǒng)并增強(qiáng)通風(fēng)容量，同時采用更嚴(yán)格的防爆要求。另外，需要按照船級社的要求完成風(fēng)險評估，并落實相應(yīng)的風(fēng)險管控措施。

關(guān)于液氫海運法規(guī)，除需滿足IGC通用要求外，還要滿足IMO海上安全委員會(MSC)于2016年11月公布的《散裝液化氫運輸臨時建議》(MSC.420<97>號決議)。此臨時建議中，規(guī)定了LH2運輸船必須滿足的29項額外要求，同時對低溫設(shè)計條件下，材料的物理性能和焊接形式、富氧環(huán)境預(yù)防、泄壓系統(tǒng)防堵塞設(shè)計、密封測試混合氣體、二氧化碳滅火系統(tǒng)容量、靜電和泄漏預(yù)防及探測、氫焰 探測、操作規(guī)范、系統(tǒng)通風(fēng)性能、風(fēng)險評估和裝載率等多個方面提出了要求和建議。相關(guān)船級社發(fā)布的《液氫運輸船指南(2.0版)》和《液氫運輸船規(guī)范》介紹了LH2運輸船的安全與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并擴(kuò)展了MSC.420<97>決議，為新造和現(xiàn)役LH2運輸船提供了指導(dǎo)。

2023年9月，IMO貨物與集裝箱運輸分委會第9次會議(CCC 9)召開，分委會審議了澳大利亞、法國、日本、利比里亞、荷蘭和阿聯(lián)酋提交的關(guān)于散裝運輸液氫暫行建議的修訂建議(CCC 9/7)，并成立工作組開展A-C部分的修訂文本起草工作。工作組審議了與“散裝運輸液氫特殊要求”“真空絕熱獨立式貨艙的貨物圍護(hù)系統(tǒng)特殊要求”和“內(nèi)部絕熱空間使用絕熱材料和氫氣的獨立貨艙的貨物圍護(hù)系統(tǒng)特殊要求”中特殊要求相關(guān)議題，并同意納入其中不需要開展進(jìn)一步技術(shù)討論的內(nèi)容，對于特殊要求“內(nèi)部絕熱處所的壓力監(jiān)測”，工作組認(rèn)為除壓力監(jiān)測外，不需要增加溫度監(jiān)測，對于特殊要求“液貨艙壓力釋放系統(tǒng)”，工作組認(rèn)為不應(yīng)按照IGC來確定真空釋放閥的適當(dāng)容量，并提出替代方法。分委會總體上批準(zhǔn)了工作組的修訂報告，擬提交至IMO海上安全委員會第108屆會議(MSC 108)審議批準(zhǔn)。

今年5月，MSC 108通過CCC9修訂的《散裝液化氫運輸臨時建議》，成為MSC.565(108)號決議，其中納入了通過試航船的運行收集到的實際經(jīng)驗，并確定了對新型貨物圍護(hù)系統(tǒng)的要求，即在內(nèi)部絕熱空間使用絕熱材料和氫氣的獨立貨艙。