氢能一号（Hydrogen One）——这艘开创性的拖船将在美国掀起波澜

很少有一艘船有可能从根本上改变一个行业的运作方式，但正有这样的一艘船将在2023年下水。

这艘名为“氢能一号”（Hydrogen One）的新造船由位于路易斯安那州的Maritime Partners打造，该公司是美国最大的船舶设备出租商。这艘船将成为全球首艘使用减排甲醇制氢发电机的船舶——船上没有柴油机动力装置。

这艘开创性的拖船由总部位于西雅图的 Elliott Bay Design Group (EBDG) 设计，将在路易斯安那州Bourg的Intracoastal Iron Works建造。该项目的其他主要合作伙伴包括位于俄勒冈州本德的技术提供商e1 Marine和跨国公司ABB。一旦完工，该船将由总部位于印第安纳州杰斐逊维尔的海上运输公司 American Commercial Barge Line (ACBL) 运营，可能会在路易斯安那州和德克萨斯州及其周边地区运输石油产品。

寻求绿色解决方案

近年来，随着更严格的环境法规的实施以及环境、社会和治理 (ESG) 优先事项越来越多地推动企业决策和资本配置。

“全球航运业一直在推动自身脱碳，”Maritime Partners的首席执行官Bick Brooks在去年12月于美国新奥尔良举行的2021 WorkBoat Show 上表示，“考虑到船舶的能源需求，无论应用如何，这是一个巨大的挑战。但变革之风正在刮起，我们希望站在变革的最前沿。”

由于各种船舶在动力和燃料需求方面存在差异，因此需要越来越多的技术组合才能使航运业真正实现脱碳。没有一种万能的。例如，电池技术一直受到诸如渡轮和拖轮等船舶领域的关注，这些船舶在固定、重复的路线上运行，可以每天充电，但由于这些船舶的尺寸、空间和重量，以及美国内河系统驳船航线的性质，目前不被视为拖船的独立解决方案。有限的船上存储容量和缺乏必要的码头加油基础设施基本上从可行的拖船燃料清单中剔除加压或需要超低温储存的气体。

“我们拿了一张白纸，列出了所有可用的替代品：液化天然气 (LNG)、甲醇、氨、压缩氢、生物燃料；我们想出的是甲醇作为我们应用的首选燃料，”Brooks解释，“这种燃料在整个河流系统和全球港口基础设施中广泛使用，它可以分布在现有的化石燃料配送基础设施中，而且很安全。”

Maritime Partners的分析师杰克纳什在 WorkBoat Show 上表示，该公司在评估未来燃料选择的可行性时考虑了三个主要标准：强大的排放效益、成本竞争力和强大的性能。他说：“如果一种燃料不能满足所有这些条件，那么我们很难看到它将如何被采用。” ··· “我们对氢的排放优势印象深刻，但运输和储存氢的挑战增加了成本，因此重要的是，我们没有将压缩氢气视为一种向前发展的解决方案。”

这就是e1 Marine发挥作用的地方，该公司提供了一种解决方案，它可以将易于处理的甲醇燃料实时转化为电力密集且清洁的氢气。

EBDG负责人兼战略扩张副总裁Mike Complita表示，根据船舶的运营情况，该解决方案非常适合“氢能一号”（Hydrogen One）。Complita 说，虽然纯氢可能难以大量携带和距离很远，但甲醇在美国内陆航道上很容易获得并很方储存——与传统柴油的性质非常相似。Complita说：“你可以通过软管从卡车或码头将其加注。它不需要任何特殊许可，不像氢和氨以及其他一些替代燃料。” “在我看来，甲醇可能是除了柴油和生物柴油之外最安全的替代燃料。”

“氢能一号”同样可能将在外表上引人注目。它的外观可以说是介于未来主义和传统之间，现代、时尚的线条与传统船只的许多标志性元素相结合。但真正与众不同的是内在的东西。

根据 Complita 的说法，“甲醇的另一个好处是，与柴油类似，它可以为您提供相对无限的续航里程。“因此，我们可以建造一艘使用甲醇燃料并可以获得与柴油相似航程的船。这是你用电池动力或者氢燃料不可能做到的事情。氨等其他燃料选择也开始出现以达到这一点，但在为该技术做好准备方面，它们还有很长的路要走。”

e1 Marine是Maritime Partners、爱尔兰油轮船东Ardmore Shipping 和总部位于俄勒冈州本德的制氢专家ELEMENT 1 Corporation的合资企业，将为 “氢能一号”（Hydrogen One）提供甲醇制氢发生器技术。概括来讲，该系统会将甲醇和水转化为纯氢气，这些氢气将通过燃料电池为船舶的电机发电，从而驱动双L型驱动方位角推进器。e1 Marine已委托RIX Industries制造 Hyrdogen One的M18重整器，并委托PowerCell Sweden AB提供PowerCellution Marine System 200燃料电池。该船还将配备储能电池，在需要时提供额外的电力。

e1 Marine的董事总经理 Robert Schluter 指出，该技术已经过验证，但通常用于较小规模的发电应用——小于10千瓦的燃料电池功率。多年来，该系统已经扩大规模，现在已准备好支持船舶的多兆瓦电力需求。“氢能一号”（Hydrogen One）的功率将在 2,000 马力级别内，但随着技术的不断发展，使用类似的甲醇制氢系统，拖船可能会变得更大。

今年早些时候，在独立验证e1Marine发电机可以支持兆瓦级燃料电池电力应用并符合所有适用的法规、规范和标准后，该系统获得了劳氏船级社的原则性批准 (AIP)。

它是如何工作的？

 “简而言之，我们根据需要将甲醇转化为氢气，”Schluter 说。“由于燃料电池（在这种情况下是发动机）需要氢气，我们只需操作燃料输送系统来提供所需的氢气。”

“该工艺设计稳健，活动部件很少，需要最少的维护并提供出色的使用寿命。”

根据Schlute的说法，它是这样工作的：

“首先，将甲醇(CH3OH)和水(H2O)以大约三分之二：三分之一的组成混合以产生原料，然后将其泵入热交换器以冷却产品氢气，预热原料并获得最佳的热发电机的效率。然后，预热的原料流入反应器“热箱”，在此转化为蒸汽，然后进入催化反应器，将原料转化为合成气，即氢气、一氧化碳 (CO) 和碳的混合物二氧化碳 (CO₂)。”Schluter解释说。

“接下来，使用系统核心e1 Marine的膜净化器将氢气从合成气中分离出来。来自纯化器的少量剩余的贫氢气体被引导回反应器并燃烧以产生用于蒸汽重整反应的热量。残液燃烧产生的废气被排放到大气中，氢气发生器产生的唯一新排放物是二氧化碳和水蒸气。”

“氢气进入一个小型缓冲罐，然后燃料电池根据需要从缓冲罐中取出，”Schluter 说。“这里氢气的量是非常少的，实际上任何时候都存不到半公斤。”

排放和经济性

许多行业，不仅仅是航运业，都在寻找有助于清理和减少排放的新技术。但是，采用任何新技术都存在风险，尤其是尚未在实际船舶运营中得到证实的新技术。首先，系统必须被证明是安全的。除此之外，总是存在关于技术、后勤和经济可行性的问题。当有这么多事情发生时，船东和运营商签约尝试新事物就很重要了。

根据ACBL的首席执行官Mike Ellis的说法，该公司与Maritime Partners的牢固关系促使其想要运营这艘开创性的船只。“其次，这个项目符合我们的战略和ESG目标和举措，”他补充道。“我们必须找到更可持续的解决方案来满足我们的客户需求。所有这些原因导致我们渴望成为这个项目的一部分。”

Schlute指出，甲醇的成分非常干净。“它确实有一个碳原子，但它的碳含量已经非常低。它一自然降解，”他说，“而且使用甲醇，船舶运营商可以获得液体燃料的所有好处，就像使用汽油或柴油一样，但e1 Marine的解决方案能够在使用时将其安全地转化为清洁氢气”，Schluter 说，“人们正在寻求采用清洁能源解决方案，其中最清洁的是氢气，”他补充道。“氢能源是真正的零排放。氢气燃料只会生成热量和谁。并且这种燃料已经商业化20多年。”

（图片：EBDG）

海运业——尤其是美国的拖船业——具有一定的声誉，这一点经常被重复。的确，驳船比公路、铁路和航空运输方式清洁得多，但该行业并未被视为过于渴望尝试新事物的行业。“我们都知道这是一个充满传统的行业。Maritime Partners首席运营官Eric Livingston在WorkBoat Show上说：“改变非常缓慢。“然而，我们从客户那里听到的是，他们需要全产业链上的脱碳、低排放解决方案。这些声音来自我们的客户和客户的客户。所以，需求就在那里。”

其中一位客户是 ACBL，它正在寻求引领帮助内陆水路运输行业减少碳足迹的方式。“我们的行业必须勤奋和创新，以保持我们作为客户群最有效的货物运输方式的地位，”Ellis表示，“通过与Maritime Partners在该项目上的合作，我们很高兴成为为我们的客户和所有利益相关者开发更可持续的减少碳足迹供应链的关键参与者。”

虽然甲醇制氢技术的环境效益是直接的吸引力，但经济性必须是合理的，该解决方案才能适合Maritime Partners以及ACBL及其他客户。

当被问及与传统拖船相比租用和运营“氢能一号”（Hydrogen One） 的成本如何时，Ellis说：“我们与Maritime Partners、 Elliott Bay Design Group和ABB一起，最近参与了一项非常详细的为期两天的风险评估，其中许多讨论和考虑了船舶的操作、合规和维护方面的问题。目前，我们仍处于确定与这艘船相关的运营参数和成本的发现阶段。”

风险分析评估

风险分析研讨会于7 月举行，由劳氏船级社（LR）推动，来自美国海岸警卫队在路易斯安那州霍马的当地办事处和华盛顿特区工程团队的工作人员以及项目设计团队和ACBL的代表参加。

“研讨会非常成功，USCG高度评价我们组建的团队的广度和深度。在研讨会结束时，所有已识别的重大风险都得到了充分解决，令所有与会者满意，”Complita 说。

“劳氏船级社随后提供了正式的注册文件，该文件将与我们更新的设计基础协议一起提交给美国海岸警卫队。一旦USCG批准设计基础协议，我们将提交设计计划和文件供海上安全中心批准。

“从车间出来，设计基本完成，项目还在按计划进行，今年第三季度开工建设。”

最终，Maritime Partners相信它正在将一种解决方案推向市场，该解决方案最终将能够在成本上与EPA Tier 4内燃机拖船竞争。“随着Tier 4的采用，成本曲线已经在上升。为了建造一艘Tier 4拖船，相比Tier 3拖船，成本有了显著的增加，这给了我们新的拖船的空间，即使成本更高，也有竞争力。”Livingston说。

根据Schluter 的说法，与Tier 4柴油发动机相比，e1 Marine能够显示大约五到六年的投资回报(ROI)。“这非常令人兴奋，因为五年后我们在这种类型的解决方案中实际上更具成本效益，”他说。“这项技术具有成本效益。这不是一个研发项目。这不是我们能负担得起政府拨款的唯一方式。这是真实的，准备好了。短期内会有更多的工作。”

Maritime Partners同意这一观点，并在没有政府财政援助的情况下为 Hydrogen One项目提供资金。“这需要一点时间，需要一点规模，但我们相信 [成本竞争力] 对这项技术来说是一个真正的好处，”Brooks补充道。“这不是需要政府资助的天上掉馅饼、昂贵的解决方案。鉴于它的成本竞争力，这是可以得到广泛采用的。”

（图片：EBDG）

配备 ABB 的配电和自动化技术，Hydrogen One 将能够在需要加油之前以标准运行速度运行长达 550 英里。更好的是，它将满足国际海事组织 (IMO) 的 2030 年目标，即相对于 2008 年将温室气体 (GHG) 排放量减少 40%。该船还将满足美国海岸警卫队 M 分章规定的所有要求。

有哪些挑战

任何首创的船只都会带来一系列独特的挑战。对于 Hydrogen One，船载电力设备的庞大尺寸和重量为EBDG和团队提供了一些设计和技术测试。Complita 说，燃料电池、重整器和电池总体上比相同功率的一对传统柴油发动机更大、更重。“我们必须仔细安排和平衡船以适应重量，将设备放置在远离船员宿舍的安全区域，而不会影响驾驶室的能见度。”

Complita还指出，替代燃料的能量密度通常比柴油低20%至80%，这意味着需要更大的燃料容量才能使船舶行驶更远的距离。他解释说：“这使得将船设计成有更多空间来携带燃料在技术上也具有挑战性，尤其是在传统的内陆拖船中。” “相对于它产生的能量来说，Hydrogen One是一艘小船。所以我们需要大量的燃料和动力，而将所有这些都打包成传统的尺寸是一个挑战。”

ABB 全球工作船船舶系统销售副总裁 Dave Lee 表示，新技术带来了如何控制所有船上系统的问题。“与传统船不同，这艘船有许多不同的子系统，必须独立控制，然后同时无缝集成到整体控制中。”

Lee 表示，Maritime Partners 看到了 ABB“在电力推进集成以及许多不同行业的过程自动化方面的悠久历史”对帮助应对这一挑战的价值。ABB 在整个设计过程中一直与 EBDG 密切合作，并将在整个建造过程中提供协助，以确保 “氢能一号”（Hydrogen One） 的系统无缝协作。

虽然在 Hydrogen One上向下步行到机器空间（而不是机舱）会发现一艘看起来与传统拖船非常不同的船，但在驾驶室上不会有太大变化。“对于任何拖船或工作船操作员来说，驾驶室基本上没有变化是一个重要的项目，这在 “氢能一号”（Hydrogen One）上也没有什么不同，”Lee说。“对于船长来说，除了在这样的船上反应更大以及他们将在驾驶室里多台电脑这一事实之外，他们不会有太大的不同。”

“任何像这样的新船的真正缺点是它是不同的，并且需要不同的技能来工作和维护这艘船，”Lee表示，但他也补充说，该行业愿意并准备好前进。“我们以前在海运业经历过这种情况。您只能想象从蒸汽机到柴油机，或者最近，与传统轴系船相比，采用 Z型驱动器的操作员会是什么样子。

““氢能一号”（Hydrogen One）会有所不同，但海洋行业已经准备好迎接不同的事情，而且他们的客户肯定也是如此。”

原文作者：Eric Haun