海洋应用中的氢气：生产路径、船载技术及运营领域的批判性综述

《International Journal of Hydrogen Energy》：Hydrogen for marine applications: A critical review across production pathways, onboard technologies, and operational sectors

　　

•氢气的适用性取决于路径、技术和运营情况。
•渡轮和内河船舶是直接氢气应用的最佳候选者。
•氢气衍生燃料更适合高自主性的海事部门。
•气候效益强烈依赖于氢气生产路径。
•经济壁垒仍然是氢气部署的关键制约因素。

引言
海事部门在全球贸易和运输中发挥着至关重要的作用，实现了全球货物和旅客的流动 [1]。然而，由于继续依赖化石燃料，海上运输也是温室气体（GHG）排放的重要来源。根据《第四次国际海事组织（IMO）温室气体研究》，该部门每年排放约 1056 百万吨二氧化碳（CO2），约占全球温室气体排放总量的 3% [2]。随着减缓气候变化的压力持续加剧，海事行业面临着越来越多的需求，以转向更可持续和低碳的能源系统。

对此，一系列旨在减少海上运输排放的国际和区域监管框架已逐步引入。其中最重要的是 IMO 2023 年温室气体战略、FuelEU Maritime 和欧盟（EU）排放交易体系，这些框架均制定了日益严格的脱碳目标，同时推动替代燃料和低碳技术的采用。这些框架目前的范围主要集中在从事国际航运的大型商用船舶上，特别是总吨位超过 5000 吨的船舶 [[3], [4], [5]]。因此，包括渔船、内河和近海航运、海上支持作业以及较小的服务船舶在内的几个海事部门，仍仅部分涵盖或排除在现有法规之外。尽管如此，针对这些部门的监管和政策举措正逐渐涌现。例如，欧盟委员会关于欧盟渔业和水产养殖部门能源转型的通信强调，需要减少化石燃料依赖并加速渔业部门内可持续能源解决方案的采用 [6]。支持海上和国内海事活动脱碳的类似举措也正在出现，这反映出日益增长的认识，即能源转型必须超越大型商业航运，延伸到更广泛的船舶类别和运营环境 [7]。

然而，由于船舶运营寿命长、强烈依赖现有燃料基础设施以及船舶类型和运营需求的巨大差异，海上运输的脱碳仍然极具挑战性 [8]。与其他运输部门不同，海运包括高度变化的航行模式、能源需求、自主性要求和运营限制，这限制了普遍适用的脱碳路径的可行性 [9]。此外，全球船队的缓慢周转、高额资本投资和有限的替代燃料基础设施可用性，进一步增加了大规模实施低碳和零碳技术的复杂性 [10]。

实现 IMO 修订温室气体战略中建立的 2030 年、2040 年减排目标和 2050 年左右净零排放，预计需要大规模采用替代船用燃料，其中氢气（H2）已成为支持海事脱碳的最有希望的候选者之一。

由于氢气（H2）能够从可再生能源生产从而实现低或零碳排放运行，因此作为潜在船用燃料引起了极大关注 [11]。除了其高质量能量密度外，H2 可通过多种推进路径利用，包括燃料电池（FC）和改装内燃机（ICE），同时还可作为氨（NH3）和甲醇（MeOH）等氢气衍生燃料的原料。这些特性使 H2 成为未来海事能源系统中潜在的重要组成部分 [12]。然而，氢气在海事部门的实施仍伴随着众多技术、经济、基础设施和监管挑战。这些限制在不同类型的船舶和运营环境中的相互作用不同，因此氢气采用的可行性在海事应用中差异巨大 [13]。

尽管许多研究探讨了氢气在海上运输应用中的具体方面，但现有文献仍支离破碎，通常关注个别技术、选定的船舶类别、环境表现或孤立的技术经济评估。现有的综述通常将氢气生产路径、船载存储和推进技术以及运营部署条件作为单独的文献体系来处理。因此，对于氢气生产路径、船载技术和运营需求如何在不同海事部门之间相互作用的理解仍然有限。

本综述通过开发一种部门特定的生产 - 技术 - 运营框架来解决这一差距，以评估氢气在海事应用中部署的适用性。本文不提供氢气技术的一般概述，而是在一个单一的分析结构中联系氢气生产和供应路径、船载存储和推进选项以及部门特定的运营限制。本综述的主要贡献在于确定不同的生产路径、船载技术和运营概况组合如何塑造直接氢气使用、氢气衍生燃料和混合部署路径在海事各部门中的可行性。

本综述的贡献围绕四个目标构建。
•开发一个集成的生产 - 技术 - 运营框架，而不是将这些视为单独的文献分支。
•将该框架应用于六个海事部门：远洋运输、渡轮、邮轮、内河运输、渔船和海上支持船舶，从环境、经济、安全和运营角度进行评估。
•评估氢气在四个定性维度上的部署：环境绩效、经济可行性、安全和监管准备情况以及运营适用性。
•确定近中期氢气部署最有希望的路径 - 技术 - 部门组合，以及限制大规模实施的关键壁垒。

章节片段
综述方法和评估框架
本文旨在作为一种结构化的批判性综述，而不是文献计量或完全系统的综述。其目的不是量化完整的出版图景，而是综合当前关于氢气在海事应用中使用的知识，涵盖三个互动领域：氢气生产和供应路径、船载存储和推进技术以及部门特定的运营需求。选择这种方法是因为海事部门的氢气部署不仅受生产路径和资源需求的影响。

生产路径和资源需求
氢气的环保和经济性能受其生产路径的强烈影响。尽管氢气在使用点的属性相同，但不同的生产路线会导致生命周期温室气体排放、能源和水需求、生产成本以及燃料可用性的巨大差异。因此，必须从更广泛的供应链视角评估氢气对海事脱碳的贡献，而不仅考虑...

存储系统
除了船舶特定的存储容量外，压缩氢气（CH2）和液化氢气（LH2）存储对所有应用都提出了共同的工程约束。CH2 存储在分为五种构造类型的压力容器分类中，从全金属 I 型到全复合材料、无衬里 V 型设计 [83]。海事 CH2 存储越来越依赖 IV 型，这是一种聚合物衬里完全缠绕碳纤维复合材料，比 I 型轻约 70%，但单位成本更高，尽管 H2 可能会逐渐渗透通过衬里并...

运营部门和背景
本章中提出的部门特定分析遵循第二章介绍的四个定性评估维度：环境绩效、经济可行性、安全和监管准备情况以及运营适用性。每个部门首先根据其运营概况进行特征描述，随后在这四个维度上进行评估，然后根据综合证据得出基于部门特定的综合判断。

跨海事部门氢气适用性比较评估框架
氢气为各种海事应用提供了巨大的脱碳潜力，但其适用性因运营部门而异。能源需求、航行概况、加注机会、船载空间可用性、安全要求和基础设施需求的差异影响了 H2 在不同海事环境中实施的可行性。因此，仅凭环境绩效不足以确定氢气最可能...的部门

结论
氢气并未为海上脱碳提供单一的部署路径。其适用性取决于生产路径、船载存储要求、运营概况、加注可用性、安全设计以及船东和港口吸收额外成本和系统复杂性的能力之间的相互作用。本综述表明，应理解氢气的部署是部门特定的，而非普遍适用于海事应用。

渡轮和内河
CRediT 作者贡献声明
Nolla Todorovi?：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，概念化。Ivana Jovanovi?：写作 – 原始草稿，验证，调查，概念化。Ailong Fan：写作 – 原始草稿，监督，资金获取，形式分析，概念化。Danilo Nikoli?：写作 – 原始草稿，验证，监督，方法论，概念化。Nikola Vladimir：写作–数据可用性声明
所有分析所需的数据将应要求提供。

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本工作由克罗地亚科学基金会资助，项目为“绿色渔船”，项目编号 IP-2025-02-2271，以及克罗地亚共和国和中华人民共和国资助的克罗地亚 - 中国双边项目“航运业温室气体净零排放关键技术研究”，期限 2024–2026 年（奖励编号 910–06/24–01/00557）。Nolla Todorovi? 女士，博士生，通过“青年研究人员职业...

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