探索丨我國(guó)首艘氫燃料電池動(dòng)力示范船“三峽氫舟1”號(hào)

2023年10月11日，隨著“啟航”聲響徹江面，我國(guó)首艘氫燃料電池動(dòng)力示范船“三峽氫舟1”號(hào)在長(zhǎng)江三峽起始點(diǎn)湖北宜昌首航，實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池技術(shù)在我國(guó)內(nèi)河船舶應(yīng)用的“零的突破”，開(kāi)啟了長(zhǎng)江航運(yùn)的氫能時(shí)代。這艘以氫能為核心動(dòng)力的船舶，從立項(xiàng)到正式使用，每一步都凝聚著科技愛(ài)好者的無(wú)限努力與期待。它不僅是中國(guó)綠色航運(yùn)的一次大膽嘗試，更是全球清潔能源革命中的一抹亮色。

▏立項(xiàng)：夢(mèng)想啟航，綠色先行時(shí)間回溯至數(shù)年前，當(dāng)全球氣候變化的陰影日益籠罩，尋找替代能源、減少碳排放成為了各國(guó)政府和科研機(jī)構(gòu)的首要任務(wù)。中國(guó)，作為世界上最大的航運(yùn)國(guó)家之一，自然也不例外。三峽集團(tuán)，這個(gè)在水電領(lǐng)域有著深厚底蘊(yùn)的巨頭，敏銳地捕捉到了氫能這一未來(lái)能源的巨大潛力。他們意識(shí)到，將氫能應(yīng)用于航運(yùn)領(lǐng)域，不僅能夠大幅降低碳排放，還能推動(dòng)整個(gè)航運(yùn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型。于是，“三峽氫舟1”號(hào)的立項(xiàng)應(yīng)運(yùn)而生。這一項(xiàng)目的提出，不僅僅是對(duì)新技術(shù)的探索，更是對(duì)綠色航運(yùn)理念的堅(jiān)定踐行。它如同一顆種子，在科技愛(ài)好者的心中生根發(fā)芽，激發(fā)了無(wú)數(shù)人對(duì)未來(lái)航運(yùn)的無(wú)限遐想。

▏“三峽氫舟1”號(hào)的設(shè)計(jì)方案一、夢(mèng)想啟航在水上交通領(lǐng)域，傳統(tǒng)燃油船舶的碳排放問(wèn)題日益凸顯，亟需一種全新的解決方案。“三峽氫舟1”號(hào)的誕生，正是對(duì)這一時(shí)代呼喚的積極響應(yīng)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)從一開(kāi)始就明確了目標(biāo)：打造一艘以氫能為核心動(dòng)力的船舶，它不僅要在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，還要在經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性等方面達(dá)到前所未有的高度。這一愿景如同一座燈塔，指引著整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的方向。二、技術(shù)攻堅(jiān)1. 氫能動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)“三峽氫舟1”號(hào)的核心在于其氫能動(dòng)力系統(tǒng)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)首先面臨的是氫能儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)換的技術(shù)難題。他們深入研究高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫以及固態(tài)儲(chǔ)氫等多種方案，最終選擇了既安全又高效的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)，并結(jié)合先進(jìn)的燃料電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氫能的高效轉(zhuǎn)換與利用。這一過(guò)程中，無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)與優(yōu)化，每一次失敗都成為了通往成功的寶貴經(jīng)驗(yàn)。2. 船體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)該船是一艘以氫燃料為主，并輔以磷酸鐵鋰電池動(dòng)力的雙體交通船，總長(zhǎng)49.90米，型深3.2米，設(shè)計(jì)吃水1.85米。為了最大化利用氫能動(dòng)力，同時(shí)保證船舶的穩(wěn)定性和安全性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大膽創(chuàng)新。他們采用了輕量化材料，如鋁合金和碳纖維復(fù)合材料，有效降低了船體重量，提高了能效。同時(shí)，通過(guò)對(duì)船體線型的精細(xì)計(jì)算與優(yōu)化，減少了航行時(shí)的阻力，進(jìn)一步提升了能源利用效率。3. 智能控制系統(tǒng)的集成在智能化日益普及的今天，“三峽氫舟1”號(hào)自然也不甘落后。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)集成了先進(jìn)的船舶智能控制系統(tǒng)，包括自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障預(yù)警等功能，不僅提高了航行安全性，還為船舶的運(yùn)維管理帶來(lái)了極大的便利。三、挑戰(zhàn)與突破1. 安全性的考量氫能雖好，但其安全性一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在氫能儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用等各個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了嚴(yán)格的安全評(píng)估與防護(hù)措施設(shè)計(jì)，確保即使在極端條件下也能保障人員和船舶的安全。2. 經(jīng)濟(jì)性的平衡在追求技術(shù)先進(jìn)性的同時(shí)，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也充分考慮了經(jīng)濟(jì)性因素。他們通過(guò)優(yōu)化氫能動(dòng)力系統(tǒng)、提高能效比、降低維護(hù)成本等手段，努力使“三峽氫舟1”號(hào)在運(yùn)營(yíng)成本上與傳統(tǒng)燃油船舶相比具有競(jìng)爭(zhēng)力。3. 法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)隨著氫能船舶技術(shù)的快速發(fā)展，相關(guān)的法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完善中。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)密切跟蹤國(guó)際國(guó)內(nèi)的最新法規(guī)動(dòng)態(tài)，確?！叭龒{氫舟1”號(hào)在設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中都能符合相關(guān)要求。四、夢(mèng)想成真經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的修改與完善，“三峽氫舟1”號(hào)終于從圖紙上走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。它的首次下水試航，不僅是對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)辛勤付出的最好回報(bào)，更是對(duì)全球氫能船舶發(fā)展的一次有力推動(dòng)。在試航過(guò)程中，“三峽氫舟1”號(hào)展現(xiàn)出了卓越的性能，無(wú)論是動(dòng)力表現(xiàn)、航行穩(wěn)定性還是智能化水平，都達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

▏“三峽氫舟1”號(hào)的動(dòng)力系統(tǒng)“三峽氫舟1”號(hào)的動(dòng)力系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：一、氫燃料電池為主其核心動(dòng)力是由中國(guó)船舶第七一二研究所開(kāi)發(fā)的氫燃料電池，額定輸出功率達(dá)500千瓦，能為船舶提供強(qiáng)勁動(dòng)力，使最高航速達(dá)到28公里/小時(shí)，在巡航航速20公里/小時(shí)時(shí)，續(xù)航里程可達(dá)200公里。取得中國(guó)船級(jí)社燃料電池-動(dòng)力1、綠色船舶-3、能效設(shè)計(jì)-3、智能船舶（智能機(jī)艙）等附加標(biāo)志。據(jù)測(cè)算，“三峽氫舟1”號(hào)相比傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船舶，預(yù)計(jì)每年可替代燃油103.16噸，減少二氧化碳排放343.67噸。二、磷酸鐵鋰電池為輔船上還配備磷酸鐵鋰電池作為啟動(dòng)電源和應(yīng)急電源，與氫燃料電池配合，確保船舶在各種工況下的動(dòng)力供應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行，如在啟動(dòng)時(shí)提供瞬間大電流，保障快速啟動(dòng)。三、全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)采用全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)方式，相比傳統(tǒng)推進(jìn)方式，具有更高的機(jī)動(dòng)性和操控性，可實(shí)現(xiàn)原地掉頭和橫向平移等動(dòng)作，使船舶在狹窄水域或復(fù)雜航道中航行更加靈活自如。四、動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)氫燃料電池以氫氣為燃料，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，反應(yīng)產(chǎn)物只有水，實(shí)現(xiàn)了零碳排放，具有高環(huán)保性，同時(shí)還具有低噪音的特點(diǎn)，為船上人員營(yíng)造了更舒適的工作和乘坐環(huán)境。

▏試航：乘風(fēng)破浪，見(jiàn)證奇跡下水之后，“三峽氫舟1”號(hào)迎來(lái)了它的首次試航。這次試航不僅是對(duì)船舶性能的全面檢驗(yàn)，更是對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和建造團(tuán)隊(duì)辛勤付出的最好回報(bào)。在試航過(guò)程中，“三峽氫舟1”號(hào)展現(xiàn)出了出色的性能和穩(wěn)定性。在動(dòng)力方面，氫能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)高效地將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，為船舶提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力支持。在航行過(guò)程中，船舶的加速、減速和轉(zhuǎn)向都表現(xiàn)得十分流暢和穩(wěn)定。在排放方面，由于采用了氫能作為動(dòng)力源，“三峽氫舟1”號(hào)的碳排放幾乎為零，真正實(shí)現(xiàn)了綠色航運(yùn)的目標(biāo)。此外，在智能化系統(tǒng)的加持下，“三峽氫舟1”號(hào)還展現(xiàn)出了出色的自主導(dǎo)航和智能避碰能力。它能夠?qū)崟r(shí)感知周?chē)h(huán)境的變化，并根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)整航行路線和速度，確保航行的安全和穩(wěn)定。試航的成功，不僅讓科技愛(ài)好者們看到了綠色航運(yùn)的無(wú)限可能，也為“三峽氫舟1”號(hào)的正式使用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

▏“三峽氫舟1”號(hào)的正式使用經(jīng)過(guò)一系列嚴(yán)格的測(cè)試和調(diào)試后，2023年10月11日“三峽氫舟1”號(hào)終于迎來(lái)了它的正式使用。這標(biāo)志著氫燃料電池技術(shù)在我國(guó)內(nèi)河船舶應(yīng)用實(shí)現(xiàn)零的突破。這艘承載著綠色航運(yùn)夢(mèng)想的船舶，將在中國(guó)乃至全球的航運(yùn)業(yè)中掀起一場(chǎng)革命性的變革。在正式使用過(guò)程中，“三峽氫舟1”號(hào)展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)吸引力。它不僅能夠滿足客戶(hù)對(duì)綠色、環(huán)保、高效航運(yùn)的需求，還能夠?yàn)榭蛻?hù)提供更加安全、穩(wěn)定和智能的航運(yùn)服務(wù)。這使得它在航運(yùn)市場(chǎng)中迅速脫穎而出，成為了眾多客戶(hù)爭(zhēng)相追捧的對(duì)象。同時(shí)，“三峽氫舟1”號(hào)的成功使用也為中國(guó)綠色航運(yùn)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力。它讓人們看到了氫能作為未來(lái)能源在航運(yùn)領(lǐng)域的巨大潛力，也激發(fā)了更多企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)投身到綠色航運(yùn)技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新中去。

▏“三峽氫舟1”號(hào)的未來(lái)發(fā)展一、技術(shù)優(yōu)化與升級(jí)1.動(dòng)力系統(tǒng)持續(xù)改進(jìn)氫燃料電池技術(shù)，提高其功率、效率和使用壽命，降低成本與維護(hù)難度，進(jìn)一步增強(qiáng)船舶動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性，如提升氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率，使船舶在相同氫燃料儲(chǔ)備下獲得更長(zhǎng)續(xù)航里程。2.儲(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化磷酸鐵鋰電池等儲(chǔ)能設(shè)備，提升其容量和充放電性能，更好地配合氫燃料電池，滿足船舶不同工況下的能源需求，如在船舶靠港等低功耗狀態(tài)下，更高效地儲(chǔ)存多余能量。3.加注技術(shù)改進(jìn)加氫設(shè)備和技術(shù)，縮短加氫時(shí)間，提高加氫安全性和便利性，推動(dòng)船舶加氫技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，如研發(fā)更高效的加氫連接裝置，提升加氫速度。二、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展1.產(chǎn)業(yè)鏈完善其建設(shè)運(yùn)營(yíng)帶動(dòng)了制氫、儲(chǔ)氫、加氫等氫能產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。例如，三峽集團(tuán)建成的國(guó)內(nèi)首個(gè)內(nèi)河碼頭型制氫加氫一體站，為氫能源船舶提供了加氫服務(wù)，打通了“制氫、加氫、儲(chǔ)氫、用氫”全產(chǎn)業(yè)鏈條，促進(jìn)了氫能產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。2.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定為首艘入級(jí)中國(guó)船級(jí)社的氫燃料電池動(dòng)力船，其成功經(jīng)驗(yàn)將為制定內(nèi)河氫燃料電池船舶的設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供重要參考，推動(dòng)氫燃料電池船舶行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展。三、環(huán)保效益提升1.減少碳排放隨著氫燃料電池技術(shù)的推廣應(yīng)用，逐步替代傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船舶，可大幅減少內(nèi)河航運(yùn)的二氧化碳排放，助力航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)。2.改善環(huán)境質(zhì)量長(zhǎng)江素有“黃金水道”之稱(chēng)，“三峽氫舟1”號(hào)在長(zhǎng)江三峽的應(yīng)用，為內(nèi)河航運(yùn)提供了綠色、低碳的動(dòng)力解決方案，有助于減少船舶對(duì)傳統(tǒng)燃油的依賴(lài)，降低內(nèi)河航運(yùn)的碳排放和污染物排放，推動(dòng)長(zhǎng)江流域交通運(yùn)輸體系的綠色轉(zhuǎn)型，加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)。隨著“三峽氫舟1”號(hào)的正式使用，我們有理由相信，未來(lái)的航運(yùn)業(yè)將會(huì)更加綠色、環(huán)保、高效和智能。而這一切的變革，都始于那個(gè)勇敢的夢(mèng)想——用科技賦能航運(yùn)，讓綠色成為未來(lái)航運(yùn)的主旋律。
（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
作者 | 幾維鳥(niǎo)畢業(yè)于新西蘭林肯大學(xué)。對(duì)大眾科普知識(shí)擁有濃厚興趣，曾在多個(gè)科普期刊上發(fā)表過(guò)科普文章。關(guān)注事實(shí)，積極探索前沿科技。

初審 | 陳嘉琦、李書(shū)豪復(fù)審 | 魏星華
終審 | 韓永林