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大約十年前，關(guān)于氫燃料電池將成為汽車工業(yè)的無(wú)碳未來(lái)有很多討論，但我們現(xiàn)在很少聽到它。那么發(fā)生了什么?
原因有很多，其中包括電動(dòng)汽車革命初期電池驅(qū)動(dòng)的汽車的初始成本較低，以及用作燃料電池催化劑的鉑的高成本，這使它們的應(yīng)用受到了阻礙。
這艘40級(jí)帆船正在使用氫燃料電池
然而，目前在開采鋰離子電池所用鈷的過(guò)程中，存在著巨大的環(huán)境和人力成本——諸多因素之一，將使現(xiàn)有技術(shù)難以擴(kuò)大到目前產(chǎn)量水平的數(shù)倍。
Genevos HPM-8燃料電池在測(cè)試臺(tái)安裝
未來(lái)的希望寄托在電池化學(xué)性能的改善上，大量的資金正投入到這一領(lǐng)域，但任何可能改變游戲規(guī)則的發(fā)展仍處于研究階段，距離成為商業(yè)現(xiàn)實(shí)還有一段距離。
不過(guò)人們普遍認(rèn)為氫能源比電池能源更容易迅速擴(kuò)大到目前生產(chǎn)水平的許多倍。
例如，今年10月，法國(guó)政府宣布了一項(xiàng)70億歐元的承諾，承諾到2030年創(chuàng)造65億瓦的氫動(dòng)力能源。這相當(dāng)于英國(guó)過(guò)去10年投入使用的全部6座燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電站的總產(chǎn)能。
前幾天，歐洲幾大重量級(jí)企業(yè)成立H2A聯(lián)盟，合作方包括戴姆勒卡車、依維柯、OMV、殼牌和沃爾沃集團(tuán)等企業(yè)，旨在促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的同步投資，從而為氫燃料重型運(yùn)輸?shù)拇笠?guī)模市場(chǎng)推出創(chuàng)造條件，所以相信氫燃料電池的船舶應(yīng)用也不遠(yuǎn)了。
同樣，美國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)制造商康明斯也有20年的氫燃料電池研發(fā)歷史。該公司在9月份宣布的最新舉措是，以2.9億美元收購(gòu)了氫發(fā)電和燃料電池制造商Hydrogenics。與此同時(shí)，歐洲各地的氫動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)施正在改善，寶馬(BMW)、豐田(Toyota)和現(xiàn)代(Hyundai)都在籌備中生產(chǎn)氫動(dòng)力汽車。
氫燃料電池不再是一項(xiàng)可以在未來(lái)某個(gè)不確定的時(shí)間獲得的技術(shù)——它們現(xiàn)在就在這里。例如，加拿大燃料電池專家巴拉德電力系統(tǒng)公司(Ballard Power Systems)已經(jīng)為累計(jì)行駛了2,000萬(wàn)英里的汽車提供了系統(tǒng)。
這和航海有什么關(guān)系?與其他行業(yè)相比，休閑海洋產(chǎn)業(yè)規(guī)模很小，因此沒有從頭開發(fā)技術(shù)的資源。不過(guò)，其他領(lǐng)域的好想法也可以加以調(diào)整和利用，以供船上使用。
綠色的氫
氫氣實(shí)際上是儲(chǔ)存的能量，因此需要大量的能量輸入才能產(chǎn)生氫氣。因此，氫氣需要可再生能源，如風(fēng)能和太陽(yáng)能，并且可以迅速增加或減少產(chǎn)量，以平滑輸出波峰和波谷。
Genevos HPM-8燃料電池系統(tǒng)被安置在一個(gè)復(fù)合模塊中，用于保護(hù)免受惡劣海洋環(huán)境的影響
Genevos HPM-8氫燃料電池
成功的海上單人帆船水手菲爾·夏普(Phil Sharp)走在為游艇開發(fā)氫燃料電池的前沿。他的8千瓦HPM-8(氫動(dòng)力模塊)將解決40英尺左右的游艇的航程問(wèn)題，電力推進(jìn)馬達(dá)高達(dá)15千瓦。
夏普表示:“我們的想法是，它將作為電力推進(jìn)船舶的一個(gè)重要的航程擴(kuò)展器。”因此，標(biāo)準(zhǔn)電池組可用于短距離推進(jìn)，如出入港口，并可在航行時(shí)通過(guò)太陽(yáng)能或下次在港口連接岸電充電。因此，氫能源可以保留下來(lái)，以備行駛更遠(yuǎn)的距離，比如在無(wú)風(fēng)的情況下橫穿英吉利海峽。
同樣，該HPM-8適合做較大游艇的輔助發(fā)電機(jī)。夏普開始圍繞IMOCA 60和Class 40規(guī)則的需求對(duì)該裝置進(jìn)行優(yōu)化，認(rèn)為這些船只將為氫燃料電池提供優(yōu)秀的測(cè)試平臺(tái)和概念證明。
離岸單人帆船手菲爾夏普已經(jīng)開發(fā)了Genevos HPM-8燃料電池。
所有組件都整合在復(fù)合模塊中，這樣可以免受可能導(dǎo)致腐蝕和氧化的鹽水侵蝕。該裝置是一種簡(jiǎn)潔的即插即用設(shè)備，集成了所有必要的控制，冷卻和通風(fēng)元件，以及作為船舶自身電池管理系統(tǒng)附加的可調(diào)節(jié)電池充電器，它可以直接連接到船上的電池和電動(dòng)機(jī)。
通常情況下，氫氣瓶將是一個(gè)永久安裝在船上的碳纖維罐，就像液化氣汽車的氣罐一樣。
這種標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化還簡(jiǎn)化了安裝和維護(hù)過(guò)程，使安裝人員更容易獲得技術(shù)資格認(rèn)證，從而改善售后服務(wù)，有助于減少安全隱患。
輸出電壓48V，可與許多電動(dòng)驅(qū)動(dòng)單元相匹配，如果需要，可以降壓到12V或24V，甚至可以達(dá)到更高的電壓。電池堆使用壽命長(zhǎng)達(dá)10,000小時(shí)，此后可以進(jìn)行不斷翻新，而無(wú)需更換。
所有燃料電池的關(guān)鍵都是這種所謂的“電池堆”，鉑催化劑將氫分子分離成質(zhì)子和電子，從而在陽(yáng)極和陰極之間產(chǎn)生電流。氫氣與空氣中的氧氣結(jié)合，產(chǎn)生水，這是這個(gè)過(guò)程的唯一副產(chǎn)品。
安全永遠(yuǎn)是首要考慮的問(wèn)題，夏普稱該裝置的設(shè)計(jì)、測(cè)試均在拉羅謝爾大學(xué)(La Rochelle University)的綜合工程學(xué)院完成，對(duì)于船上的氫燃料電池，已經(jīng)有了很多嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，甚至可以將這些標(biāo)準(zhǔn)用作中小型船舶的參考。
因此，他相信為船用氫燃料電池的安全性而開發(fā)的系統(tǒng)將超越那些用于游艇上的氣體系統(tǒng)。HPM裝置包括一個(gè)與電磁閥連接的氫檢測(cè)器，在發(fā)生泄漏時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉儲(chǔ)罐的氫供應(yīng)。
夏普還指出，氫氣非常輕，與丙烷或丁烷不同，它會(huì)向上逸出，只要有漏點(diǎn)，就可以逸出。因此，在電源模塊中，攜帶高電流的接線和接點(diǎn)被安置在一個(gè)單獨(dú)的密封單元中。
即使是用碳纖維制成，這個(gè)氫罐也很重，對(duì)于容納6kg氫氣的罐來(lái)說(shuō)，其重量接近100kg。然而，當(dāng)你考慮到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)固有的低效率時(shí)，這個(gè)燃料箱的可用能量大約相當(dāng)于50升柴油。
對(duì)于氫燃料電池驅(qū)動(dòng)的船來(lái)說(shuō)，消除柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的重量意味著當(dāng)燃料在100英里范圍內(nèi)行駛時(shí)，系統(tǒng)總重量等于傳統(tǒng)柴油動(dòng)力船舶的總重量，但比在40英尺游艇上行駛該距離所需的鋰離子電池輕65-70%。
HPM-8目前正在進(jìn)行型式審批。2021年初完工后，它將在拉羅謝爾(La Rochelle)生產(chǎn)，夏普的Genevos公司在那里有現(xiàn)成的設(shè)施和支持服務(wù)，可以迅速擴(kuò)大產(chǎn)量。
不利的方面是，與其他新興技術(shù)一樣，在產(chǎn)量上升之前，早期設(shè)備將會(huì)非常昂貴。根據(jù)地理位置的不同，缺乏全面的氫氣網(wǎng)對(duì)一些用戶來(lái)說(shuō)也可能是一個(gè)問(wèn)題。然而，在未來(lái)5年里，投入到基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的數(shù)十億美元將迅速改變這一現(xiàn)狀，就像二三十年前液化石油氣加氣站一樣。
因此，類似于給船加汽油或柴油的方式給船上的氫箱加滿的現(xiàn)實(shí)比我們大多數(shù)人預(yù)期的要近得多。夏普表示，投資規(guī)模如此之大，未來(lái)5年內(nèi)將建成一個(gè)良好的綠色氫氣網(wǎng)絡(luò)。
目前，綠色氫的零售成本大約是每公斤10歐元。這聽起來(lái)可能很貴，但考慮到船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率非常低，尤其是在小尺寸的情況下。更重要的是，一公斤氫氣所含的可用能量是一公斤柴油的三倍。
因此，在一艘40英尺長(zhǎng)的游艇上，電力推進(jìn)100英里的燃料成本約為60歐元，已經(jīng)與柴油動(dòng)力處于同一水平，而且隨著氫燃料電池的成本迅速下降，用不了多久，這項(xiàng)新技術(shù)就會(huì)更加經(jīng)濟(jì)。
“能源觀察者”號(hào)一直在測(cè)試翼帆、太陽(yáng)能和氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)
“能源觀察者”號(hào)的發(fā)展
許多其他組織也在這個(gè)領(lǐng)域開展業(yè)務(wù)。例如，傳奇的加拿大單人水手手邁克·伯奇一直在使用“能源觀察者”號(hào)(Energy Observer)來(lái)展示可再生能源的潛力。
該項(xiàng)目導(dǎo)致了能源觀察發(fā)展公司的成立，該公司已經(jīng)籌集了2000萬(wàn)歐元的種子資金，用于開發(fā)氫領(lǐng)域的商業(yè)產(chǎn)品。它提供了與豐田合作設(shè)計(jì)80kW氫燃料電池系統(tǒng)。多達(dá)10個(gè)這樣的裝置連在一起，可以產(chǎn)生600伏特的800千瓦的巨大電力。
該裝置既可以用作推進(jìn)應(yīng)用的增程器，也可以用作超級(jí)游艇和其他類似尺寸船只的室內(nèi)負(fù)載的無(wú)聲無(wú)聲發(fā)電機(jī)。
能源觀察發(fā)展公司還開發(fā)了一種即插即用的浮動(dòng)氫燃料補(bǔ)給碼頭，每天可以從水中電解200公斤氫燃料。
豐田氫燃料電池系統(tǒng)
終極愿景
從一個(gè)相對(duì)較小的設(shè)備開始就有意義，該設(shè)備針對(duì)市場(chǎng)和使用類型進(jìn)行了最優(yōu)化，夏普最熟悉的就是這種優(yōu)化。他的目標(biāo)是在使整個(gè)航運(yùn)業(yè)脫碳方面發(fā)揮作用，因?yàn)楹竭\(yùn)業(yè)的碳排放量高于航空業(yè)。
更大的機(jī)組已經(jīng)在計(jì)劃中，30kW和50kW模塊計(jì)劃于2021年底推出，2023年推出一款200kW模塊。這些將比HPM-8相對(duì)便宜，因?yàn)榇笮腿剂想姵氐拿壳吖β瘦敵鰞r(jià)格將大大降低。與此同時(shí)，隨著行業(yè)的擴(kuò)張和銷量的增長(zhǎng)，非常高的組件成本預(yù)計(jì)將迅速降低，這反過(guò)來(lái)將為更多的受眾打開市場(chǎng)。
然而，最初的重點(diǎn)仍然是讓較小的單元進(jìn)入戰(zhàn)場(chǎng)。夏普說(shuō)，他已經(jīng)在與一家大型雙體船制造商和高速輪渡制造商洽談，也在尋找帆船、動(dòng)力艇和水上租賃領(lǐng)域的合作伙伴。“最重要的是，”他說(shuō)“這不是明天的技術(shù)。今天它就在這里，我們的目標(biāo)是盡快把它推向海洋市場(chǎng)。”
HPM-8的價(jià)格將于2021年春季發(fā)布時(shí)宣布。
Genevos HPM-8規(guī)格
持續(xù)功率：8kW
輸出：48V
峰值效率：55％
預(yù)期壽命：> 10,000小時(shí)
重量：55kg
尺寸：900x650x300mm
OceansLab
這是夏普的賽船和演示部門，目前包括他成功的40級(jí)海洋版。展望未來(lái)，他正在積極尋找合作伙伴，在世界各地的IMOCA 60上演示該技術(shù)。他說(shuō):“我們的任務(wù)是促進(jìn)海洋部門吸收氫技術(shù)。”“我們知道這對(duì)脫碳至關(guān)重要，用這些賽船，我們可以證明這是可行的和可靠的。”
