0.前言
2016年，川崎重工業株式會社、岩谷産業株式會社（Iwatani）、日本電力開發有限公司（J-POWER）和殼牌日本公司等4家企業共同成立了“零碳氫能源供應鍊技術研究協會（CO2-free Hydrogen Energy Supply-ChainTechnology Research Association，簡稱HySTRA）”。HySTRA的主要目标是研發制氫、運輸、儲存和用氫所需的技術，最終打通氫能源産業鍊技術瓶頸，實現零碳清潔社會（見圖1）。
圖1 HySTRA氫能源供應鍊
為構築氫能源供應鍊，以海外的豐富資源制造氫，并安全有效地大量運輸到日本，是氫能源流通不可或缺的基礎。在HySTRA的重點示範項目研究中，川崎重工承擔了“運輸”一環中的液化氫運輸船的開發建造任務。
川崎重工從2014年開始着手研發世界上第一艘液化氫專用運輸船，利用LNG船的設計和建造所積累的豐富經驗，并在此基礎上開發了液化氫儲存系統，突破了船舶應用的關鍵技術。今年5月，川崎重工公布了使難以處理的氫氣在零下253℃液化、運輸量高達1250m3的全球首艘氫運輸船“Suiso Frontier”，該船于12月初入級日本船級社，12月24日成功開啟了首次航行，這也标志着HySTRA重點示範項目的成功。
本文主要介紹全球首艘液化氫運輸船開發建造的相關課題和關鍵技術等，供業内同仁參考。
1.背景
氫的運輸形态有高壓氣體和液體兩種。
高壓氣體主要是燃料電池車從儲氫站等處少量運輸時采用的形态。雖然在安全存儲的基礎上将壓縮狀态的氫氣進行高壓化有一定的限制，但優勢是需求方的裝置和操作等都比較簡單。
在大量運輸方面，氫呈液體狀态比較有利。氫液化後，在大氣壓下的體積是氣體的八百分之一，非常壓縮。但是液化氫比LNG溫度更低，為-253℃，所以其存儲和處理都必須采取特殊的裝置和措施，迄今為止幾乎沒有進行過液化氫的海上運輸。
另外，關于氫的運輸方法，也有将其轉換為氨或者甲基環己烷等有機化合物的相關研究和探讨。如果是化合物狀态，則不需要在極低溫下處理，但存在作為有毒物如何處置，以及提取氫時需要額外能量等問題。
日本川崎重工一直緻力于開發和推廣從事陸上氫氣運輸的高壓氫氣拖車及液化氫運輸集裝箱。拖車采用45 MPa的耐壓複合容器，能夠運輸供72台燃料電池車用的360kg的高壓氫氣；集裝箱為ISO 40英尺規格的真空複合隔熱容器，能夠運輸2.8噸液化氫。
川崎重工以其現有的在LNG運輸船和陸地液化氫儲罐方面的設計制造技術為基礎，目前承擔了零二氧化碳氫供應鍊構想中的“運輸”一環，目的是建立和掌握全球首艘液化氫運輸船的設計和制造技術。在截至2016年的FEED階段，進行了關鍵試驗和規格研究；2017年進入建造階段，實施設計和制造；2020年，針對澳大利亞褐煤資源制氫并運輸到日本的裝卸、運輸技術進行驗證，并以此為目的開展了示範船的建造。
2.示範船開發建造方面的課題
設計和建造運輸液化氣體的船舶，要遵照國際海事組織（IMO）的“液化氣散裝運輸船舶結構及設備相關國際規則（即IGC Code）”。不過，現有IGC Code的适用對象為LPG和LNG，并未包含液化氫。對此，IMO以批準日本和澳大利亞共同提案的形式，發布了針對日澳間液化氫海上運輸的“臨時建議事項”。另外，日本船級社（Class NK）又基于該IMO的“臨時建議事項”，發布了“液化氫運輸船指南”，對各項要求更具體細化地做出規定，補充了人為思想和事故情節因素等内容。示範船按照上述标準規範來設計和建造，确保了船舶的較高安全性。
示範船的完成效果圖如圖2所示。以具有建造實績的内河用LNG運輸船為基礎進行船型設計，裝載液化氫專用貨艙。液化氫與LNG相比，更容易因外部傳熱而氣化，且因溫度極低，結構會産生較大的熱收縮，這些都是液化氫運輸船實船應用需解決的課題。
圖2 示範船
2.1 液貨圍護系統CCS（Cargo Containment System）
根據規範，必須要控制CCS的壓力和溫度來應對外部傳熱。在不将外部傳熱産生的蒸發氣體排放到CCS外部而蓄壓的情況下，必須能夠保持壓力安全而航行到目的地。并且，液貨艙壁及CCS的加強結構和配管所受的外部傳熱也必須控制在最低。
另外，由于在海浪航行中船體搖晃，CCS的結構必須穩固。
2.2 液貨配管
為控制液化氫運輸過程中因氣化導緻裝卸效率降低，排除配管表面生成液化氣而形成高濃度氧環境，以及避免液化氣滴落引起船體結構損傷的危險，液貨配管必須具備高隔熱性。
另外，由于液化氫裝卸過程中的熱脹冷縮産生較大内應力、以及與陸上配管不同的船體變形會引起強迫位移，必須保護液貨配管免受上述影響。
2.3 液貨設備
液化氫的溫度比LNG還要低90℃，因此液貨設備的隔熱性能要求高于LNG使用的設備，需要選擇合适的材料并确認其耐久性，針對氫的物理特性，采取耐久、高隔熱及應對氫洩漏等措施。
3.開發設計和關鍵技術
3.1 CCS
CCS采用獨立于船體結構的蓄壓卧式圓筒型，相當于IGC Code和Class NK鋼制海船規則中定義的符合壓力容器标準的Type C型儲罐。示範船裝載2個容積為1250m3的CCS，其中1台置于船首。
（1）CCS隔熱系統
液化氫用CCS的隔熱性能必須比LNG用CCS高約10倍。熱的傳導方式有對流、熱傳導和輻射三種。為抑制對流和熱傳導等從CCS表面侵入的熱量，采用由内殼、外殼構成的真空雙層殼結構。
連接内殼和外殼之間的加強結構、配管、計量儀器等因熱傳導而成為外部傳熱路徑。對此，采用熱傳導率低的材料，減小結構材料的截面積，延長傳導路徑等措施來降低其影響。為降低輻射熱帶來的熱傳導，在雙層殼的真空槽内采用反射率高的金屬鍍氣膜層壓而成的真空隔熱材料。設計時充分考慮了日常航行中CCS内部産生的溫度和壓力，在澳大利亞與日本的航行中産生的蒸發氣體可不釋放到CCS外。另外，在CCS内殼内填充氮氣而外殼表面維持常溫，不生成液化氣或液化氮等。
此外，為保證運輸過程中的航行安全，船舶安裝了“真空隔熱性能劣化監控系統VIPDM（Vacuum Insulation Performance Deterioration Monitoring System）”。該系統能夠對真空劣化的速度進行即時監測，在隔熱性能惡化的早期階段預測風險，确保隔熱性能的持續和航行安全。
（2）CCS加強結構
CCS的雙層殼結構如圖3所示，内殼、外殼采用适用于極低溫環境的奧氏體不鏽鋼材料。船體在航行中會搖晃，内殼與外殼不接觸而保持穩定的加強結構将導緻外部傳熱量、特别是由熱傳導産生的傳熱量增加。對此，CCS的内殼加強采用由隔熱性能和強度優越的玻璃纖維強化塑料GFRP制成的鞍形結構。獲得真空狀态和極低溫狀态下GFRP加強結構的強度、熱傳導、釋氣等諸多特性，設計上非常耐用。
圖3 CCS的雙層殼結構
CCS内部在建造過程中以及定期檢查時為常溫，但在滿載狀态時為極低溫。另外，CCS内的溫度分布會根據壓載航行或者裝卸時的液位狀态而發生變化。内殼因溫度變化熱脹冷縮、外殼維持常溫狀态，因此在内外殼之間會因溫度差而産生相對位移。對此，采用了以前後兩處的圓弧狀鞍形結構支撐内殼，滑鞍加強在外殼的内表面上滑動來吸收相對位移的結構。
（3）液艙穹頂
由于溫度差導緻内殼和外殼之間的相對位移較大，所以在CCS的液艙穹頂處集中布置貫通于CCS的配管等，包括液貨管、電線管、聯絡用人孔等。
（4）CCS制造技術
川崎重工在火箭燃料用球形液化氫儲罐、陸地液化氫儲罐及拖車等雙層結構真空隔熱儲罐制造方面經驗豐富。另外，也具備制造船用LNG大型液貨艙的實績。川崎重工通過綜合應用這些技術來制造CCS。
3.2 真空雙層配管
由于液貨管要保證較高的隔熱性能，因此與CCS同樣采用雙層結構的真空隔熱方式。内管和外管必須保持穩定、不能接觸，另外内管和外管也會因熱脹冷縮而産生長度差。對此，以陸地儲氫設備采用的真空雙層管規格為基礎，考慮到裝卸過程中的熱脹冷縮和船體的動、靜變化，開發了船用真空雙層管。低溫用閥也采用了隔熱性能高的附帶真空套管的長閥蓋型閥。
3.3 液貨設備
液貨設備需耐受氫的物理性質，在LNG船上已有應用實績的船用設備以及陸地應用設備的基礎上，對所有的材料和規格進行修改，必須适應氫的物理特性及船上的使用環境。對于主要設備，在開發階段即實施液化氫應用試驗，對設備操作上的風險進行了評估，并針對相應問題給出對策。
為應對高隔熱性及洩漏的風險，采用如圖4所示的插銷式接頭（Bayonet joint）。該接頭作為液化氫用絕緣接頭，在與裝卸基地的裝卸臂系統LAS連接的岸上連接部位應用廣泛。除此之外，液貨處理設備還有氫氣加壓用的壓縮機、液化氫氣化用的蒸發器、加熱極低溫氫氣用的加熱器等。
圖4 插銷式接頭
4.建造及驗證
示範船于2017年開始進行CCS的設計制造，2019年1月船體開工建造，同年12月舉行了下水儀式（見圖5）。
圖5 示範船下水儀式
4.1 船體
示範船的主尺度等概要信息如表1所示。
表1 示範船概要
由于采用了蓄壓式CCS，所以在航行中不需要在船内處理蒸發氣體。推進方式采用由3台主柴油發電機向2台推進馬達提供電力，通過減速機驅動螺旋槳的柴電推進方式。船體上安裝了船首推力器、西林舵（高升力、大舵角舵）及4片可變螺距螺旋槳，可提高船舶離靠岸時的操作性能。
4.2 CCS
2020年3月完成的CCS如圖6所示。其内部配置了浸水型馬達驅動泵、固定管系的管子支架，用于有效冷卻CCS内部的裝備等。
圖6 液貨圍護系統（CCS）
4.3 驗證試驗
2020年液化氫運輸船建成後進入了驗證階段。在驗證階段I，為确認液化氫運輸船的CCS、配管及液貨設備的作用、性能和安全性，在神戶市近海的神戶機場人工島東北部建設中的氫存儲裝卸基地，依次進行了如下試驗項目：
在接下來的驗證階段II，實施日本-澳大利亞航線的滿載航行試驗。
5.結束語
在示範船驗證中，對液化氫的裝卸操作以及實際海域的CCS隔熱儲藏性能進行了确認，川崎重工希望能夠建立未來大量運輸氫的技術，并繼續推動液化氫運輸船的大型化開發。
川崎重工開發的該液化氫運輸船也是日本國立研究法人、新能源産業技術綜合研發機構（NEDO）支持的項目——“由未開發的褐煤制造氫氣并構築氫氣大規模海上運輸供應鍊”中的一項研究内容。
（本文根據《川崎重工技報——氫能源供應鍊特輯》編譯）
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