《Renewable Energy Focus》：Decarbonizing maritime logistics through hydrogen-powered container ships
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为解决海运业高碳排放问题，研究人员评估了利用氢动力小型支线集装箱船的技术经济和环境可行性。研究在洛杉矶港优化了一套由光伏、电解槽和储氢罐组成的混合供氢系统，结果显示其制氢平准化成本为$3.54/kg，投资回收期14年，能有效支持区域近海航运脱碳，并为港口级氢燃料供应链规划提供了重要参考。
在全球贸易持续增长与应对气候变化日益紧迫的背景下，海事运输的绿色转型变得至关重要。然而，海运业作为全球物流的支柱，目前仍是温室气体排放的重要来源。国际海事组织(IMO)设定了到2030年将国际航运碳强度降低至少40%（相较于2008年）并在2050年左右实现净零排放的雄心目标。为实现这些目标，航运业必须从传统的高碳船用燃料转向更清洁的替代能源。氢，特别是由可再生能源生产的“绿氢”，因其可实现零碳排放，被视为海运业脱碳的一条极具前景的途径。氢能在燃料电池中应用，可以为船舶提供动力，同时将对环境的影响降至最低。不过，尽管氢能潜力巨大，但其广泛应用仍面临技术和经济挑战，特别是在储存、基础设施建设和成本效益方面。这些问题在小型的、用于区域和近海航运的支线集装箱船上尤为突出，而这部分船型在氢能相关研究中受到的关注却相对有限。
为了填补这一空白，由Reza Babaei、David S-K Ting和Rupp Carriveau组成的团队开展了一项研究，重点评估了氢动力小型支线集装箱船在洛杉矶港的技术经济和环境可行性。他们的研究成果以题为“Decarbonizing maritime logistics through hydrogen-powered container ships”的论文发表在《Renewable Energy Focus》期刊上。该研究旨在为这个关键但被忽视的船舶领域提供一个可持续的能源解决方案框架。
为了开展这项研究，作者们采用了一套结合了优化设计、技术经济建模和敏感性分析的综合方法。首先，他们确定了研究对象为容量小于1000标准箱(TEU)的小型支线集装箱船，并获取了其平均载重吨、主机功率、设计航速和年均海上作业天数等关键参数。研究构建了一个混合能源系统框架，该系统集成了光伏组件、电解槽、储氢罐、电池、变流器，并可接入电网。研究使用这个框架来优化系统配置，以满足集装箱船的氢燃料需求，并计算了系统的净现值成本(NPC)和制氢平准化成本(LCOH)等经济指标。此外，研究还引入了“克CO2/TEU-海里”这一标准化指标来比较不同船型的排放强度。最后，研究进行了广泛的敏感性分析，考察了航速、船舶重量、太阳能资源可用性等多个操作和设计参数对系统性能、成本和环境效益的影响，并通过一个洛杉矶港至上海港的真实世界案例研究，评估了长距离航线氢燃料供应的可扩展性要求。
3.1. 最优系统规模
通过优化，研究得到了满足一艘小型支线集装箱船氢燃料需求的最优混合能源系统配置。该系统包括500千瓦的光伏阵列、438千瓦的变流器、7兆瓦的电解槽和一个300公斤的储氢罐。该配置每年可生产716,538公斤氢气，能够满足船舶的燃料需求。从经济性来看，该最优系统在30年生命周期内的净现值成本为1.049亿美元，制氢平准化成本为3.54美元/公斤，投资回收期为14年，内部收益率为14.2%。成本分析显示，系统的年运营和维护成本占比最高，达到65.92%，而电网购电成本是总成本的主要部分，占62.85%。
3.2. 月度能源表现
月度数据分析表明，该系统能够可靠地满足全年的氢负荷需求，平均满足率为99.9%。然而，系统高度依赖电网供电，平均电网依赖度高达97.2%，光伏发电的贡献平均仅为2.8%。电解槽的单位能耗稳定在约43.8千瓦时/公斤氢气，显示了其运行的稳定性。全年光伏发电总量为919,093千瓦时，而电网购电量高达30,529,962千瓦时，两者共同支撑了电解槽每年31,397,247千瓦时的电力消耗。
3.3. 敏感性分析
敏感性分析揭示了几个关键发现：
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航速的影响：航速是决定系统性能的主导操作变量。当航速从8节增加到24节时，氢年需求量从89,600公斤急剧上升至242万公斤。然而，由于更高的设备利用率，制氢平准化成本从11.99美元/公斤显著降低至1.33美元/公斤，年节省费用也从3220万美元增加至9660万美元。
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船舶规模与排放强度：研究比较了不同规模集装箱船的排放效率。虽然小型船（<1000 TEU）的绝对氢需求较低，但其排放强度（153克CO2/TEU-海里）远高于大型集装箱船（35克CO2/TEU-海里），凸显了规模经济在减排效率上的优势。
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船舶重量的影响：船舶重量对系统性能有显著影响。在8000-8500吨排水量附近，观察到了有利的成本-功率权衡，是潜在的优化设计区间。
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太阳能资源的影响：太阳辐照度显著影响系统经济性。当日照强度接近5千瓦时/平方米/天时，系统的净现值成本和运营成本相对较低，表明在此资源条件下系统更具经济性。
3.4. 洛杉矶港至上海港的案例研究
通过对洛杉矶港至上海港这一重要航线的案例分析，研究量化了氢动力集装箱船实际运营的能源和氢气需求。假设航速15节，单程航行时间为350小时。计算结果显示，若要满足该航线上不同类型集装箱船的运营，年氢气需求非常庞大：小于1000 TEU的船舶需约3332万公斤，1000-1999 TEU的船舶需约7930万公斤，2000-2999 TEU的船舶需约1.354亿公斤。这一分析突显了在主要港口之间建立大规模氢燃料供应基础设施的必要性和挑战。
研究结论与意义
本研究通过集成技术设计、经济可行性和环境影响的综合评估框架，系统地论证了氢动力小型支线集装箱船在洛杉矶港应用的潜力。研究表明，通过优化配置由光伏、电解槽和储氢设施组成的混合能源系统，可以实现具有经济竞争力的氢气生产（LCOH 3.54美元/公斤），并带来显著的长期运营节省。研究强调了航速优化对于降低氢成本的关键作用，并指出船舶大小和重量是系统设计中的重要考虑因素。此外，研究所采用的“克CO2/TEU-海里”标准化指标，为跨船型公平比较排放强度提供了新工具。尽管小型支线船在单位运输量的排放强度上高于大型船舶，但将其转向氢动力对于区域航运脱碳仍具有重要价值。最后的跨太平洋案例研究则表明，实现氢动力航运的规模化需要匹配相应的港口级氢燃料生产和供应能力。这项工作不仅为小型支线集装箱船的脱碳路径提供了具体的技术经济方案，也为政策制定者和行业利益相关者规划未来可持续的海运基础设施，特别是港口氢枢纽建设，提供了重要的决策参考。
