国内氢能港口发展路径及运营模式研究

隋依言 ,  宋鹏飞 ,  王秀林 ,  聂锁府

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 1 -6.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (2) : 1-6. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.001
专论与评述

国内氢能港口发展路径及运营模式研究

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Study on development path and operation mode of hydrogen energy ports in China

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摘要

将氢能作为港口主要能源利用形式是我国港口业绿色低碳发展的重要方向,港口丰富的应用场景也为氢燃料港口集卡、叉车、轮胎吊等氢能技术及设备提供了最佳的应用示范条件。通过研究国际和国内氢能港口发展现状和发展模式,分析了国内氢能港口发展存在的问题,提出了国内氢能港口近期和远期的技术发展路径及运营模式建议。氢能港口发展重点在于下游产业链的氢能应用;其次要做好氢能技术和氢能装备支撑,从车辆及特殊作业机械的动力替换入手至全面替代柴油装备,覆盖港口用电及储能;最后是保障氢能供给,以加氢站建设保障氢港内氢能装备和设施正常运行。

Abstract

Hydrogen energy as the main energy utilization form at ports is an important direction for the green and low-carbon development of China’s port industry.The rich application scenarios at ports also provide the best application demonstration conditions for hydrogen energy technologies and equipment such as hydrogen-fueled port collector trucks,forklifts,tire cranes,etc.Through studying the current situation and development of hydrogen energy ports in the world,the existing problems in the development of hydrogen energy ports in China are analyzed,and the suggestions are given for the technology development paths and operation modes of China’s hydrogen energy ports in the near and long term.The development of hydrogen energy ports should focus on the application of hydrogen energy in the downstream industry chain,followed by the support of hydrogen energy technology and hydrogen energy equipment.The power replacement is suggested to perform at first on the vehicles and special operating machinery that consumes diesel,then on electricity and energy storage in the ports.Lastly,hydrogen refueling stations should be constructed to ensure the normal operation of hydrogen energy equipment and facilities in the hydrogen energy ports.

Graphical abstract

关键词

氢能港口 / 氢能利用 / 氢燃料电池 / 氢港建设

Key words

hydrogen energy port / hydrogen energy utilization / hydrogen fuel cell / port construction

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隋依言,宋鹏飞,王秀林,聂锁府. 国内氢能港口发展路径及运营模式研究[J]. , 2025, 45(2): 1-6 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.02.001

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港口是全球贸易的主要交通枢纽,目前港口使用的如起重机、卡车、物料搬运机等作业机器仍以化石能源为主,其产生的温室气体与大气污染物排放总量大,普遍存在高能耗和高排放问题。以氢能为主要能源利用特征的氢港不仅是氢能相关的货物中转地,更是氢能最佳的应用示范区,对港口的低碳清洁化转型有重要作用。一方面,港口装备设施、车辆、船舶以及周边工业对清洁燃料有巨大的动力需求,有助于改善港口大气污染环境;另一方面,需求刺激产业,沿海工业区普遍拥有丰富副产氢源,以成本优势集中布局加氢基础设施,开通氢能行业国际航线以启动国际氢贸易,从规模经济中提高效率,以资源整合加速创新,并从清洁能源耦合中实现协同效应[1-2]
我国港口在全球范围内占据重要地位,港口货物吞吐量和集装箱吞吐量均居世界第一位。随着2019年氢能首次写进国家《政府工作报告》,各大港口也都在积极推进氢能技术在港口的应用。本文通过分析国际和国内氢能港口发展现状和发展模式,梳理和总结了国际氢能港口典型发展路径以及国内氢能港口发展存在问题,提出了国内氢能港口近期和远期的技术路径、发展路径及运营模式建议,期望研究成果可有效推进国内绿色港口建设及港口城市氢能产业链发展进程。

1 国际典型氢能港口建设布局及运营模式

在全球范围内,不论是资源型还是综合型港口都加入了转型升级的列队。其中日本、韩国、西班牙和荷兰等国由于自身资源限制,有较大的氢能进口需求,促使港口快速转型。在本章节中将分别就日本、美国、西班牙和荷兰典型氢能港口发展模式进行研究分析。

1.1 日本发展模式分析

日本在早年间就有以利用澳大利亚褐煤制氢和通过液化氢油轮向本土运输为基础的氢链构想。在该氢链构想中,液化氢由专用邮轮从澳大利亚运往日本。为此,日本在按照国际海事组织(IMO)通过的临时准则进行设计开发液化氢油轮的同时,也在神户机场岛东北部建设接收基地。
2019年12月,全球首艘液氢运输船“SUISO FRONTIER”从日本神户港的船厂下水,启动了从澳大利亚到日本之间约9 000 km的世界首次液氢运输实验。整个实验涵盖了褐煤气化、液化氢的长距离大量运输、液化氢的装卸和储藏,并目标于未来30年内达到商用化[2-5]
日本拟定的减排方案中,要让其125个港口扩大使用氢能源,以便2030年在全国范围实现减碳排放目标,其氢港发展模式如图1所示。当局的港湾减碳具体策略是要开发氢能源,推动港湾使用氢动力起重机,并且启用重型电池卡车来运载货物[3]。另外,也将实现人工智能港口,提高码头的装箱效率,从而减少卡车在码头滞留时间。另一方面,从氢气稳定供应的角度来看,也需确立从海外液化氢基地向液化氢油轮装载和从国内液化氢基地的液化氢油轮卸货作业的标准及安全措施。

1.2 美国洛杉矶发展模式分析

洛杉矶港位于美国西南部加利福尼亚州西南沿海圣佩德罗湾的顶端,是美国与亚洲之间贸易的主要港口,也是西半球最大最忙碌的海港。洛杉矶港于2019年开展了“零排放”(Zero emission)项目,丰田与Kenworth在项目前期投入10辆氢燃料电池重卡。氢燃料电池重卡采用的燃料电池系统利用电解水的逆反应,产生电能的同时只排放水,不仅具有出色的环保性能,同时可为司乘人员带来安静舒适的乘车体验。为保证氢燃料电池重卡的正常运作,美国壳牌石油公司在洛杉矶市的威尔明顿(Wilmington)地区以及加利福尼亚州的安大略市(Ontario)新建了面向氢燃料电池重卡的大型加氢站。再加上目前已有的3个加氢站,共有 5个大型加氢站为该项目的氢燃料电池重卡提供支持[3-4,6-7]
此外,美国加州于2017年发布绿色港口计划,详见表1,计划2035年之前将港区所有车辆变成零排放标准的车辆。

1.3 西班牙瓦伦西亚发展模式分析

瓦伦西亚港(Valencia Port)位于西班牙东南部地中海海岸的瓦伦西亚,该港口是西班牙2个主要港口之一,每年运输500多万个集装箱。
在由瓦伦西亚港基金会与瓦伦西亚港务局联合实施,私营/公共燃料电池和氢联合企业(FCH JU)计划资助的“H2Ports——在港口实施燃料电池和氢技术”项目支持下,计划将瓦伦西亚港打造成为欧洲第一个在货运业务中使用氢气作为主要供能来源的港口。该项目耗资460万美元,主要采用氢气作为港口供能来源,从而减少化石燃料对港口环境的影响。其主要目标是测试和验证港口机械中的可再生能源和新的存储技术,找到与现有港口运营的性能和安全性相匹配的解决方案,同时产生零本地排放。H2Ports项目计划在瓦伦西亚港口运行3个测试项目,分别是由氢气驱动的集装箱装卸运输系统,由氢燃料电池和可移动的氢气供应站提供动力的终端牵引车,以及为保证上述设备的连续工作而建立的燃料供应链。该计划的实施已经使碳足迹减少了17%,而流量增长了24%[3,6-7]
此外,西班牙“氢路线图”建立了一系列的目标,将氢能源作为经济脱碳的关键性可持续解决方案,目标是在2050年之前实现气候中和。就瓦伦西亚港口管理局(PAV)而言,预计将提前20年实现这一零排放目标。

1.4 荷兰鹿特丹发展模式分析

在欧盟氢战略支持下,荷兰的鹿特丹港正成为欧洲的“氢中心”和世界上最先进的绿氢生产中心之一。在鹿特丹建立氢枢纽主要优势在于,其是主要的能源进口和生产中心,还拥有大量风能和太阳能资源,并且该港口是通往西北欧其他地区(尤其是通过船舶和管道通往德国)的主要能源转运点,为建立多能源贸易中心提供了绝佳的环境,有利于创建无碳和低碳氢的完整氢价值链。
目前,流经鹿特丹港的能源约占欧盟总能源需求的13%,港口工业每年对氢气的需求量将近50万t,预计到2030年将增至120万t,且增长速度有望逐渐增快。蓝氢将在当地生产,但港口承诺仅将蓝氢用作过渡燃料,到2050年逐步淘汰,替换为绿氢。随着德国、荷兰、比利时等国家对绿氢的需求增加,到2050年,通过港口的氢贸易量可能会增至 2 000万t。根据港口用氢需求,要使用可再生能源生产氢,需要200 GW装机容量。荷兰目前从其北海部分接收了1 GW的风能,到2050年可能会增至 60 GW,因此,通过鹿特丹港的大部分绿氢将需要进口[2]
鹿特丹的目标是成为可持续能源的领先港口,并且其氢气的进口是欧洲氢气枢纽的一个重要部分。鹿特丹港氢港发展路线如图2所示,港口将作为枢纽将氢气生产和使用结合在一起,将进口和过境流的氢运输到荷兰其他地区和西北欧,通过将终端连接到氢气管道,并将该管道直接穿过港口区域,连通氢气在整个港口综合体以及随后在荷兰和西北欧的分布[8]

1.5 氢能港口发展模式小结

不同国家发展氢港的动机各有侧重,但基本归纳为以下三点:一是建设零碳社会的需要,二是能源供给多元化发展的要求,三是保障国家能源安全的现实考量。由于沿海地区经济发展水平普遍较高,环保政策严格,工业规模大,因此氢能消费潜力巨大。港口贸易和海洋能源等资源将进一步提升当地氢能供销水平,加速以沿海区域为主氢能生态圈的形成。
以能源安全驱动的日本在港口氢源上注重经济效益高的低碳氢,通过利用不同国家和地区化石能源和可再生能源价格及制氢成本的差异,制定氢贸易发展目标并推动氢气远洋运输示范,并以燃料电池为主要利用形式推动本土氢能产业发展;美国对于氢能港口发展的动机不仅仅是缓解气候变化、更多的是对先进技术进行战略投资,确保技术的领先地位。在氢能港口建设过程中注重对电解水及燃料电池重卡等先进技术的示范应用;以脱碳作为氢能发展首要目标的欧洲国家由于可再生能源相对丰富,普遍将来源于可再生能源的绿氢作为港口氢源的首选,通过将氢与电气化协同工作,利用燃料用氢、原料用氢及储能用氢等不同形式助力重工业、船运、航空等难以实现大规模可再生电力替代。此外,在俄乌冲突的影响下,也驱使部分欧洲国家大大加速了氢能在确保能源安全方面的能源与环境政策进程。

2 国内氢能港口建设布局

现阶段我国已有一批氢港初具规模,分别位于山东青岛、上海临港新片区、天津滨海新区、江苏张家港等地区。广东茂名、深圳也在积极布局自己的氢港建设。此外,湛江港建有全国最大的液氨进出口基地,液氨是氢的良好载体,液氨接收站及加氢站的建设将有利于港口转型,这些城市的氢港正成为中国氢能产业的样板示范区,为氢能产业的未来发展奠定坚实基础。由于氢的进出口需求,目前国内氢能码头仅在东部沿海海港有建设布局,内陆港口还未有涉及。近年来,我国高度重视智慧港口、绿色港口建设。通过“绿色”引领、“智慧”驱动,推进港口转型升级,是我国未来港口业发展的必然趋势[9-11]。氢港也将为绿色港口建设起到示范带头的作用。本章节将以山东青岛港为例,分析国内氢能港口建设及运营模式。

2.1 山东青岛港发展模式

山东港口承担科技部与山东省政府联合组织实施的氢能大规模推广应用的“氢进万家”示范工程中“氢能港口关键技术集成及示范”课题,目标打造2座氢能港口。其实施思路是充分利用港口周边副产氢替代传统的化石能源,同步开展高效安全的港口氢能补给系统、港口氢能机电装备和港口氢能动力系统的研究开发及应用示范。目标通过3—4年时间完成3座港口加氢站、1座氢能综合供能系统、10台氢能轨道吊以及600辆氢能车辆的推广,车辆行驶里程突破1 600万km,二氧化碳减排量超过 16 000 t。打造贯通运氢、储氢、加氢和用氢的应用端全链条,覆盖港口固定式装卸机械设备、流动式装卸运载设备和水平运输车辆全场景示范应用的氢能港口中国样板[9-12]
2019年11月,青岛港全自动化码头二期投产运营,该码头岸线长660 m,拥有2个泊位,设计吞吐能力170万标准箱/a。该二期自动化码头采用了全球首创的氢动力自动化轨道吊,以自主研发氢燃料电池组为自动化轨道吊提供动力,不仅减轻了设备自重约10 t,降低了设备机构复杂度、设备维保量和维修费用,且发电效率高。山东省氢气年产量约400万t,占全国产量的近1/5,地炼化工、煤制氢等产业都走在全国前列,丰富的氢源为青岛港燃料电池组自动化轨道吊的建设使用奠定了基础。以氢燃料电池加锂电池组的动力模式实现了能量回馈的最优利用,使轨道吊每箱耗电下降约3.6%,单机节省动力设备购置成本约20%。此外青岛港已在全球港口中率先投入首批16台25T氢燃料集卡车[12]。总体来讲,以青岛港为代表的山东港口在“氢进万家”科技示范工程建设上迈出了坚实的一步,也对“中国氢港”建设起到了示范引领作用。

2.2 国内氢能港口发展存在问题

从氢源端看,我国氢能供应分布情况与传统能源结构分布特征相似,在资源上呈现出“西富东贫”“北多南少”的主要特征,需求情况则恰恰相反,供需呈逆向分布。氢能码头注重终端应用,用氢场景多,用氢量大,因此更需要稳定的大量氢源供应。考虑到当前电解水制氢在技术和规模方面的限制,以及国家可再生能源发展现状,难以在短时间内实现可再生制氢比例大规模提升,因此目前氢港氢源普遍依赖当地工业副产氢,供应来源单一[13-14]
从储运及加注端看,我国主要采用高压气态和管束车的氢储运方式。高压气态储氢技术的运输成本敏感性较高,在长距离运输上不具优势。相比之下,低温液态储运具有密度高、体积占比小的特点,更适用于距离较远、运输量较大的场合。然而受到相关法规限制,目前中国的液态氢储运主要应用于军事与航天工业。从加氢站建设来看,氢能码头用氢场景较为集中,少量加氢站就可覆盖整个码头的用氢需求,但氢能码头用氢量大,对加氢站的日加注能力要求更高[15]
从应用端看,由于目前国内氢能利用还未形成规模与完整产业链,出于成本和技术考虑,国内港口氢能利用集中在轨道吊和氢燃料集卡车,并未在整个码头落地。以向轨道吊加注气体氢为例,一次氢加注可供能约2~4 d,若加注液态氢,使用的时间将大幅延长。

3 国内氢能港口建设及运营思路

氢能港口是氢能应用的重点落地场景,通常并不需要全产业链的覆盖,其重点在于下游产业链的氢能应用。目前全国乃至全球的氢港建设全部是在原有规模较大的港口基础上转型而来,一方面,氢能能够帮助港口实现降低排放的现实目标,港口的装备设施、运输车辆、周边工厂对于清洁能源需求量较大,港区内部相对固定的车辆路线也适合氢能车辆进行示范应用[2];另一方面,港口的临港工业区是石化企业的聚集地,且海港有丰富的风电资源,既能满足港口的用氢需求,也能对外输出商品氢。在进行氢能燃料电池车示范应用的同时也对氢气制、储、运全流程进行示范验证。随着全球贸易和海运箱量持续增长,以及在全球迈向碳中和、氢能成为“风口”的背景下,港口向氢能转型正成为一股潮流[16]

3.1 氢能港口建设思路建议

近期及中远期我国氢能港口技术及产业布局思路分别如表2图3所示。在近中期氢能码头示范阶段,建议积极推广氢能码头应用生态环境,利用沿海工业区的氢源优势,逐渐将港口柴油设备、车辆及周边工厂的能源等过渡至氢能驱动,逐步壮大燃料电池轨道吊、牵引车、重卡、船舶、备电等方面应用。规划建设港口加氢站,铺设运氢管道,保障氢能供给,推进氢港、氢燃料电池商用车等应用示范项目建设,逐步建成氢能产业集聚区和示范区。提升自主创新能力,与高校科研院所开展合作,攻坚氢能技术和装备关键难点,推动百千瓦燃料电池电堆等氢能产业链关键环节国产化,加速国产200 t以上的氢燃料电池矿卡、重卡下线,积极转化最新的氢能相关科技成果。在远期,制氢、储运加及配套设施齐备、网络完善,氢能成为港口主要能源之一,全港口实现零碳排放。充分发挥港口优势,从能源进出口、下游车辆及特殊作业机械的动力替换等方面入手,逐渐建成氢能集散中心。通过有机物储氢、氨储氢或液氢船运,实现氢能大规模长距离运输,打破区域间氢能供给和应用的不平衡,激发港口码头形成新的业务板块。

3.2 氢能港口运营思路建议

3.2.1 构建产业生态体系

(1)氢气生产领域
结合沿海工业区氢源优势,建议以现有氢源快速布局,并重点开展绿氢制备装备和技术研发,发展电解水制氢技术及核心装备,促进氢源由灰氢至蓝氢最终到绿氢的转变。推动氢能制备与可再生能源协同发展,加快可再生能源电解水制氢示范和推广应用,不断提升氢气生产能力,逐步降低氢能价格成本。
(2)氢气储运加注领域
氢能港口需氢量大,适合管道运氢的示范推广,建议持续研究抗氢脆和防渗透的输氢管道,以高压气态储运氢为基础,探索液态储运氢、管道运氢的储运方式,并开展试点示范。开发及示范70 MPa及以上高压储存材料与储氢罐、运输技术和装备,发展以液态化合物和氨等为储氢介质的储氢、运氢技术和设备。加快运氢船关键技术的研究,研发10万Nm3以上的重型液氢专用运输船。
(3)燃料电池领域
建议吸引国内外燃料电池核心零部件龙头企业,加速燃料电池终端生产本地化,集中攻关氢燃料电池电堆关键技术,实现催化剂、质子交换膜、膜电极本地化,提高燃料电池效率,降低燃料电池生产成本。

3.2.2 构建应用示范体系

(1)加氢站建设领域
针对港口设备及重卡运行路线,建议打造港口加氢站网络,率先建设气氢加氢站,逐步完善加氢站网点建设,进行液氢加氢站和采用输氢管道运氢的加氢站建设。结合当地加氢站安全管理规定,依法履行项目核准及备案,办理消防、特种设备等相关手续,建立完善的监测预警系统,落实安全生产主体责任,确保安全生产。
(2)碳交易机制领域
在拓展全国碳排放权市场履约范围的同时,在氢能港口建立内部的碳交易机制,以期降低以燃料电池车替代燃油车的成本压力,通过设定碳价格,将使用氢能源减少的温室气体排放抵消碳配额,以获得的碳收益补贴企业燃料电池车辆购置费用和氢燃料成本,提高推广氢能终端应用的积极性。
(3)氢燃料电池应用领域
瞄准国际先进水平,与国内外氢燃料电池重卡龙头企业进行合作,全面推行燃料电池重卡应用示范,逐步替代港口的柴油重卡车辆。以港口轨道吊等设备为示范,将港口排放多、运行久的柴油设备替换为氢动力设备或是以氢燃料为备电。
(4)氢贸易领域
依靠当地氢能资源禀赋,推动与日、韩等国的氢气贸易,签订氢气供应协议,建设液氨/氢接收站,同时与相关企业开展联合技术革新,引进国外先进经验,完善氢能供应链,扩大供应能力,力争成为全球氢能产业的主要参与者。

4 结论

当前国际上氢能码头、港口已有了一定程度的发展,其中日本由于自身资源限制,有较大的氢能进口需求,促使其港口快速转型。美国为确保技术的领先地位,注重对电解水及燃料电池重卡等先进技术的示范应用。欧洲国家基于脱碳及能源安全的驱动推动,以绿氢实现重工业、船运、航空电力替代。国内目前氢能码头、氢能港口全部为海港,内陆港口的转型还并未提上日程,这可能由于氢的进出口需求导致海港更适合作为氢港的示范。现阶段我国已有一批氢港初具规模,通过“绿色”引领、“智慧”驱动,推进港口转型升级,是我国未来港口业发展的必然趋势,氢港也将为绿色港口建设起到示范带头的作用。
建设氢能码头,首先要加强应用落地,加快港口的转型,氢能码头、港口的建设均是在原有大规模港口的基础上转型而来,港口也是氢能应用的重点落地场景,加强氢能应用示范的落地能使港口快速转型。其次要做好氢能装备的支撑,港口传统柴油重卡车辆集中,是空气污染的重灾区。因此,用氢燃料电池车替代柴油重卡是港口实现清洁低碳化的主要方向之一,做好氢能港口的转型就需燃料电池重卡等氢能技术和装备支撑。最后要保障氢能供给,沿海工业区一般也会是多种氢源的制氢地,可为氢源提供保障,港口内需氢量大,加氢站的建设则是保障氢能港口内氢能装备和设施正常运行的关键。

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