符合排放法规的LNG-LH2混合动力推进系统的对比分析
摘要
本研究提出了一种液化天然气（LNG） - 液氢（LH2）混合动力推进剂。系统于267000立方米LNG船为载体，为符合节能设计指数在近期或者未来船舶CO2排放的能效设计指数（EEDI）要求，对推进系统在EEDI，混合动力燃料比率，安装面积，安全性和经济性方面进行了评估。 调整系统设计参数以满足阶段4和阶段5的EEDI，其分别比当前的EEDI要求低14％和28％。氢占LH2和LNG燃料总质量的3％在第四阶段产生6兆瓦的推进功率。 在第5阶段无二氧化碳发电时增加到13兆瓦，但燃料消耗相当于总燃料质量的6％。第四阶段和第五阶段LH2价格分别为2.0美元/公斤和2.4美元/公斤，因此获得对传统的基于液化天然气的推进系的统经济竞争力。
船舶上产生的各种排放物，包括温室气体（GHGs），推进系统产生的挥发性有机化合物（VOCs），硫氧化物（SOx），氮氧化物（NOx）和颗粒物质（PM）等都对环境造成了不利影响。最近的争议之一是是否建立加强对海事部门温室气体的法规。
因为造成这种问题的原因是海运业务占全球二氧化碳（CO2）排放量的3％，占全球SOx排放量的5％以上，而世界贸易的90％以上依赖于船舶运输。因此，国际海事组织（IMO）制定了能效设计指数（EEDI）要求，以有效管理效率较低的海运船舶的建造和运营，而不是建议的水平。EEDI的规定和计划是在海洋环境保护委员会（MEPC）的会议上制定的。二氧化碳排放量的调控在2013年1月逐渐加强。国际海事组织最近允许对国际公约进行修订旨在加强EEDI，防止船舶污染（MARPOL，附件VI），。在MEPC第70次会议上，提出了加快二氧化碳减排速度，以便从2022年到2025年减少30％的二氧化碳减排（第三阶段），并从2025年到2040年减少40％的二氧化碳减排量（第四阶段）。此外，第五阶段（减少50％）是作为另一个议程提出的。
由于广泛的全球需求，液化天然气（LNG）产业正在稳步增长。为了满足这些需求，液化天然气运输船的规模一直在增加。此外，作为缓解海上船舶二氧化碳排放战略的液化天然气推进系统的需求正在增加。液化天然气运输船已采用以下三种类型的推进系统：汽轮机，直驱柴油机和双燃料柴油机电（DFDE）发动机。
Ekanem Attah等人发现，在使用DFDE发动机推进系统中56％LNG船满足了第3阶段的基准要求。然而，LNG燃料推进系统不能满足第4阶段，因为第4阶段相关的强化规定更高。
为了满足这些严格的规定，混合推进正在开发使用液化天然气和清洁燃料的系统。混合动力系统可以容纳太阳能，风能和氢气能源。 使用氢燃料的燃料电池发电正在被应用和研究，作为船舶的实用替代品，并且正在开发燃料电池技术以通过可能的应用于广泛的发电单元来减少二氧化碳排放。 燃料电池提供具有噪音低，效率高的显着优点。Choi等人展示了一种将锂离子电池和聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）相结合的混合动力推进系统。
燃料电池分为两种类型：低温和高温燃料电池。低温燃料电池通常工作温度在80到120摄氏度之间，具有快速的特点反应和高功率密度。但是，有一些限制由于一氧化碳（CO）中毒，使纯氢作为单一燃料受到了限制。作为一种生成氢的经济措施，化石燃料被改良，产生了CO。Shi进行了CO对PEMFC性能影响的实验。 阳极进料处的一氧化碳污染物对PEMFC中的膜内铂是有害的，并且由于其中毒现象的弱耐久性而不合适。相反，高温燃料电池在600至1000℃之间运行并提供由于潜力的提高发电效率利用废热和各种燃料的可用性类型。不过，这项技术需要更多的引导时间和能量来达到工作温度和保持温度。熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）属于这一类别，正在研究作为大型海洋动力源的船只。
零排放船计划（ZEMSHIP）是一个具有代表性的PEMFC项目，该项目开发了燃料电池船FCS Alsterwasser，该船能够使用功率为96 kW的燃料电池在阿尔斯特湖搭载100名乘客。从2008年到2010年，运营的的混合动力船使用组合电池和PEMFC来压缩氢气。 作为低排放船舶项目（FellowShip）的一部分，名为Viking Lady的海上供应船（OSV）采用了DFDE发动机和MCFC的混合动力系统，用于提供320千瓦的辅助动力。 维京夫人是第一艘采用MCFC进行调峰的混合动力船[20]。 用于大型船舶的具有高温燃料电池的混合动力系统可被认为是碳氢燃料改造的替代方案[21]。然而，由于二氧化碳的排放，化石燃料的改革不能满足增强的EEDI要求。
船只的燃料是纯粹的氢气，除非化石燃料改革。氢气可以通过压缩和液化两种形式储存。虽然在标准温度和压力下其密度为0.0899g / L，但压缩的氢气可以不经液化处理而储存。已经开发了高压储氢方法从200巴到800巴解决低密度问题[23]。该压缩氢气在800巴的储存密度小于40公斤/立方米[22]。 另一方面，液化的储存密度氢气在250℃和1个大气压下（LH2）的质量体积比为70.8 kg / m3 [24]。 此外，油箱的体积也很重要，在海运船只有限的空间环境中，以及在航行期间，加油是不可行的。 因此，LH2与高储存密度是海运的更优选的选择船只。
PEMFC已被证明是一种理想的推进力系统出于以下原因。一是系统运行在低温和低压下的容器可以实现快速启动相对于高温燃料电池[25]。第二，这项技术提供了其中最高的功率密度其他类型的燃料电池和高效率[26]。效率供应氢气的PEMFC约为70％，而且这些细胞的重量和体积密度是高于其他燃料电池[27]。第三，技术表现出色的化学和热稳定性，这比SOFC的要高。第四，技术是比DFDE引擎更能适应负载变化[28]。我们提出了液化天然气和液氢（LH2）混合动力推进制度来解决更严格的规定;该本研究的具体贡献如下。首先，一个开发LNG-LH2混合动力推进系统以满足CO2法规。其次，估算LNG-LH2燃料比率，并且计算所需的功率容量。第三，LH2坦克尺寸和燃料电池容量进行计算，并计算体积估计EEDI相变的增长。第四，通过经济估算LH2燃料的盈亏平衡价格评价。最后，提出混合动力推进的安全性系统进行了讨论。
液化天然气运输船推进系统的描述
传统的用于液化天然气运输船的LNG燃料气体供应系统是如图1所示。LNG的储存压力低于1.2巴，温度为163？C。 在满载的航程中，80％90％LNG的蒸发气体（BOG）可用作燃料[29]。该BOG由压缩机加压并供应给DFDE引擎。 但是，货油舱产生的BOG是在镇流航行中不足以驱动发动机。 被淹没将液货泵安装在液货舱内运输液化天然气汽化器供应燃料。 LNG由1加压到6 bar潜水泵并蒸发成天然气。乙二醇水被用作加热介质来蒸发内部的LNG一个BOG蒸发器。 LNG和BOG由蒸发器加热到所要求的温度25e35°C并提供给DFDE引擎。
液化天然气燃料系统的能力由内部产生内燃机。 液化天然气运输船推进系统是从汽轮机改为内燃机以提高效率。 DFDE引擎在气体中运行时模式，排放出氮氧化物和二氧化碳[27]。 这个系统很难满足以液化天然气作为燃料的强化二氧化碳法规。
LNG-LH2混合动力推进系统
液化天然气运输船的LNG和LH2混合燃料供应工艺是如图2所示。BOG到发动机的供应量与图2相同常规液化天然气系统的载货和压载航程。 LH2在高压下储存在油箱中因为燃料电池需要以超过3巴的压力供应氢气。LH2罐的加压方法是压力积聚（PBU）如下：首先，少量的LH2被汽化由电加热器。其次，汽化的氢气被再注入进入油箱。第三，液体燃料被运输当燃料箱到达时到达热交换器（H-101）目标压力[9]。 LH2被热量蒸发从LNG与BOG交换。另外，BOG被重新液化通过LH2的冷能再次注入LNG货物坦克。汽化的氢气通过乙二醇水加热目标温度并提供给内部的阳极PEMFC。空气通过压缩机加压通过加湿器提供给烟囱的阴极，冷却器。注入的氢气和空气发生化学反应，剩余的氢气循环到阳极和反应物H2O被排放到阴极。
聚合物电解质膜燃料电池LNG-LH2混合动力系统具有高能效，低CO2排放量和液化天然气BOG的再液化。使用氢气作为燃料的PEMFC的效率是40e60％高于内燃机[27]。 燃料电池通过化学反应产生电力。 在阳极中，氢被分离成分子，在阴极中，氧气和氢气分子结合起来产生H2O。 总反应式如方程式所示：
阳极：2H2→4H 4e- （1）
阴极：O2 4H 4e-→2H2O（2）
总体：2H2 O2→2H2O （3）
Han等人 进行了性能和实验制造混合容器堆。 Choi等人设计了一PEMFC和一个燃料电池和电池混合动力电池组系统应用于功率为56千瓦的20米旅游船。一个电池堆的功率为30 kW，由146个电池组成。该一个电池的有效面积为450平方厘米和工作温度是65℃。 多个堆叠独立应用于推进系统。 随着电力需求的增加，所需的堆栈数量增加。 表1显示了规格PEMFC
电流和平均电压如图3所示产生30kW功率时的工作电压为0.704V，以及电流为300 A.堆栈数量按以下公式计算：估计LNG运输工具所需的功率量，工作电压等于0.704 V.
LH2油箱
罗德和帕佩提出了零排放的概念将LH2储存在140 m3 IMOC型储罐中。目前的研究，LH2油箱是基于这种C型罐。绝缘由真空珍珠岩组成罐体由不锈钢
制成室外温度是假定为45℃，并计算热量进入。该LH2储罐的尺寸根据其容量设计燃料电池和所需的氢燃料量到运行时间。 通过将LH2的计算量增加15％的余量来估算油箱容量。 随着LH2储罐尺寸的增加，实际上制造和维持真空绝缘可能变得不可能。因此，储罐设计的最大尺寸1000立方米;更大容量的燃料储存可以通过增加油箱的数量。
系统评估方法
设计的混合动力推进系统进行评估的EEDI，安装面积和经济性。 第一步是计算液化天然气运输船的EEDI和二氧化碳的数量每个阶段都需要减少。 第二步确定LNG和LH2的燃料比符合加强规定与所需的燃料消耗量。第三步估计LH2油箱，燃料电池的尺寸，体积增加以及重新液化的BOG的质量。 决赛步骤确定了混合动力系统的LH2盈亏平衡价格通过经济评估。
EEDI（能效设计指数）和混合动力燃料比
船舶能效概念被定义为给定运费和距离所需的燃料消耗量运输（公吨 - 海里）。 EEDI适用诸如油轮，散货船和集装箱船等船只在2013年1月或之后铺设龙骨。液化天然气运输船被统治因为这些船只的计算是这样的由于使用汽轮机和DFDE发动机而变得复杂。尽管如此，国际海事组织建议将LNG运输船列入EEDI，并于2014年4月获得批准并实施2015年9月[6]。 EEDI增加了监管程度，目前的监管标准显示在表2
参考值显示在公式中。（4）; 达到了EEDI必须低于参考值。 EEDI计算取决于燃油和静重吨位（DWT）。 另外，EEDI根据海况而变化条件和容量修正系数。 公式EEDI显示在Eq。 （5）。 方程组成几个参数：PME是主发动机功率，PAE是辅助功率，Cf是各自的CO2换算系数燃料，Vref是参考速度，SFC是特定燃料消费。 EEDI与DWT成反比和Vref。 液化天然气运输船的详细参数如表3所示。
对于DFDE引擎，对此分析进行以下假设
考虑到发电机，变速器，变压器和变流器的损耗，电效率为91.3％。 压缩供给DFDE发动机的BOG所需的额外能量假定为PME的约2％，相对于压缩供给蒸汽涡轮机系统的锅炉的BOG所需的额外能量; 因此，添加了0.02的因子。 试点燃料需求量小于能源需求的1％ 因此，其影响可以忽略不计。 DFDE发动机的额定输出计算为发动机最大连续额定值（MCR）的66％。 通过计算液化天然气运输船的EEDI来估算二氧化碳减排量。 估LNG-LH2燃料的质量比通过增加LH2燃料的份额并减少LNG燃料产生来满足所需的EEDI。
通过计算液化天然气运输船的EEDI来估算二氧化碳减排量。 估计LNG-LH2燃料的质量比通过增加LH2燃料的份额并减少LNG燃料产生来满足所需的EEDI。
安装面积和LNG的再液化BOG
计算安装该系统所需的面积以与常规的LNG推进系统和混合动力推进系统进行比较。 混合动力系统具有三个对安装面积有很大影响的重要设备：LH2燃油箱，PEMFC和DFDE发动机。 当添加燃料电池系统时，DFDE发动机上的负载减少，而原始发动机将被更小容量的发动机所替代。
来自LNG的BOG通过与LH2交换热而液化，并估计再液化的量。 剩余通过应用混合动力来增加液化天然气货舱的BOG推进系统。 但是，BOG可以通过重新液化LH2的冷能和LH2被汽化成氢气提供给燃料电池。 BOG再液化过程使用ASPEN HYSYS V9.0（Aspen Technology，马萨诸塞州，美国）。
经济性
投资成本
投资成本被定义为系统的初始投资成本包括直接成本和间接成本。直接成本包括设备安装和购买成本，以及间接成本包括附带成本，如系统设计，人力和附加费。 的设备成本推进系统由遏制系统，燃料组成空调系统，再液化系统和动力系统。设备价格由Aspen Capital估算成本估算器和美国能源部氢和燃料电池计划。 表4显示了详细的成本的设备。
表5显示了初始投资的具体比例推进系统的成本。 资本支出是根据每个设备成本的部分来估算总成本，如方程 （6），其中CE是总购
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