在海洋应用中使用氢和液态天然气混合燃料以减少碳足迹的制作方法

1.本公开大体上涉及船舶发电系统，且特别是涉及氢气燃料发电系统。


背景技术：

2.航运业正准备实现国际海事组织(international marine organization，imo)的新目标，即到2030年减排40％。航运业正在寻找解决方案，以满足新船舶以及现有船舶的短期和长期减排目标。有100,000多艘现有船舶需要赶上imo的要求。


技术实现要素：

3.在一个实施例中，一种操作船舶的方法包括向安置在所述船舶上的发电机提供氢气或含有氢气和烃燃料的燃料混合物，以及从所述发电机向所述船舶的电力负载提供电力。
4.在另一个实施例中，船舶包括船体、甲板、电力负载、氢气罐和发电机，所述发电机被配置成从所述氢气罐接收氢气或包含氢气和烃燃料的燃料混合物并向所述电力负载提供电力。
附图说明
5.并入本文并且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的示例实施例，并且与上文给出的总体描述和下文给出的详细描述一起用于解释本发明的特征。
6.图1是根据本公开的各种实施例的包括混合动力系统的船舶的示意图。
7.图2是示出根据本公开的各种实施例的控制船舶排放的方法的步骤的流程图。
具体实施方式
8.将参考附图详细描述各种实施例。在可能的情况下，贯穿附图将使用相同的元件符号来指代相同或相似的部分。提及特定实例和实施方案是出于说明性目的，而非旨在限制本发明或权利要求书的范围。
9.应当理解，当一个元件或层被称为“在另一个元件或层上”或“连接到”另一个元件或层时，其可以直接在另一个元件或层上或直接连接到另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件或层上”或“直接连接到”另一个元件或层时，不存在中间元件或层。应理解，出于本公开的目的，“x、y和z中的至少一个”可以被理解为仅x、仅y、仅z或项目x、y和z中的两个或更多个的任何组合(例如xyz、xyy、yz、zz)。
10.在提供了值范围的情况下，应当理解的是，在所述范围的上限与下限之间的每一中间值(到下限单位的十分之一，除非上下文清楚地另外指明)以及在所陈述范围内的任何其它所陈述的值或中间值均涵盖在本发明内。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括在更小范围内并且也涵盖于本发明内，受制于所述范围内的任何具体排除限值。在所陈述
的范围包括限值中的一个或两个的情况下，排除那些被包括在内的限值中的任一个或两个的范围也包括在本发明中。还应理解，术语“约”可指例如5至10％的微小测量误差。此外，本文所用的重量百分比(wt.％)和原子百分比(at.％)分别指的是相应组合物的总重量百分比或原子总数百分比。
11.例如“此后”、“然后”、“下一步”等词语不一定旨在限制步骤的顺序；这些词语可以用于引导读者完成对方法的描述。此外，以单数形式提及权利要求要素，例如使用冠词“一个(种)(a/an)”或“所述”不应被解释为将所述要素限制为单数。
12.在图1所示的一个实施例中，操作船舶(即船只)10的方法包含使用包含纯氢气或氢气与另一种燃料的共混物的燃料来为海洋船舶提供动力。术语“船舶”和“船只”在本文中可互换使用。船舶或船只可以运输货物和/或乘客。船舶10可以包括船体12和甲板14。船舶10还可以包括驾驶台16。在一个实施例中，船舶10可以是被配置成在海洋中操作的海洋船舶。然而，也可以使用被配置成在河流和湖泊中操作的船舶10。
13.在一个实施例中，氢气储存在船舶上。在另一个实施例中，使用电解在船舶上产生氢气。举例来说，氢气是由固体氧化物电解池(即固体氧化物电解槽)产生的。在一个实施例中，氢气和液态天然气的共混物用于为船舶提供动力。所述共混物可以包括10到90体积百分比的氢气。在一个实施例中，燃料被提供给固体氧化物燃料电池发电系统以为船舶产生电力。
14.本公开的各种实施例适用于整个海运部门以使用具有或不具有现有柴油燃料的各种燃料类型的共混物来降低碳(例如，温室气体)排放。举例来说，各种实施例提供了利用氢气来减少船舶碳排放的船舶混合动力系统。
15.图1是根据本公开的各种实施例的含有船舶动力系统100的船舶10的示意图。在一个实施例中，船舶10可以包含海洋船舶并且船舶动力系统100可以包含位于船舶10的船体12中和/或甲板14上的海洋船舶动力系统。参照图1，动力系统100可以包括任选的燃料罐102、氢气罐104、燃料阀106、储能装置108、发电机(generator)(即发电机(power generator))110、任选的氢气发生器114和控制器120。
16.燃料罐102可以被配置成储存烃燃料，例如液态天然气(lng)、船用柴油等。然而，本公开不限于任何特定类型的烃燃料。在一个实施例中，如果船舶被配置成仅以氢气作为燃料操作，则可以省略燃料罐102。氢气罐104可以被配置成储存氢气(h2)，其可在船上产生或从外部来源提供，例如集装箱船或港口生成或储存设施。氢气罐可以是储气瓶，其可以任选地含有吸附氢气的储氢介质。
17.据信，通过传统的蒸汽-甲烷重整(smr)反应过程制造的氢气会导致产生大量的碳排放。因此，在一些实施例中，提供给氢气罐104的氢气可以是使用低碳能源(例如太阳能、风能、水力发电、核能等)产生的“绿色氢气”，以减少碳排放总量。
18.在各种实施例中，燃料罐102和/或氢气罐104可以包括泵和/或流量控制阀(例如，二通阀)，以便控制通过对应的燃料和氢气流导管(例如，管道或歧管)103和105提供给燃料阀106和/或发电机110的氢气和烃燃料的流量。燃料阀106可以是三通阀，其被配置成控制通过入口流导管(例如，管道或歧管)107提供给发电机110的燃料的氢气与烃的比率。
19.储能装置108可以包含任何被配置成储存电能的装置，例如电池(例如电池组)、超级电容器、飞轮等。储能装置108可以通过电气连接(例如，电源总线)113电连接到负载电力
总线111。
20.发电机110可以是配置成使用电力总线111向船上电力负载112(例如推进系统和/或一般电力负载)提供电力的发电机。在一些实施例中，发电机110可以是燃烧型发电机，例如涡轮机或往复活塞式发动机。在其它实施例中，发电机110可以是燃料电池系统，例如固体氧化物燃料电池(sofc)系统。在其它实施例中，发电机110可以包括燃料电池系统和燃烧型发电机，例如涡轮机或往复活塞式发动机。发电机110可被配置成使用储存在燃料罐102中的烃燃料、储存在氢气罐104中的氢气以及其混合物来操作。
21.海洋船舶可能具有多种操作模式，例如冷启动模式、港口停靠模式、过境/机动模式和货物装载/卸载模式。施加到发电机110的负载112的大小对于每种模式可以不同。此外，地方和国际排放要求可能会对船舶操作和/或排放施加独特的限制。举例来说，陆地和/或港口附近的碳排放限值可能低于公海。此外，每种操作模式的碳排放限值可能不同。
22.因此，控制器120可以是中央处理单元等，其被配置成基于操作模式和/或适用的排放限值来控制电力系统100的操作。举例来说，控制器120可以配置成基于负载112的大小和/或适用的碳排放限值来控制储能装置108、发电机110、氢气发生器114和/或燃料阀106。
23.举例来说，在一些实施例中，控制器120可以被配置成向烃燃料中添加氢气，以形成被配置成减少船舶碳排放的燃料混合物，以便符合具有管辖权的地方当局或国际排放要求。控制器120可以被配置成调整燃料阀106，以便控制提供给发电机110的燃料混合物中包括的氢气和烃燃料的相对量。在一些实施例中，提供给发电机的燃料混合物可以包括约0到约90体积百分比(vol.％)，例如约10到约90vol.％的氢气，以及约100vol.％到约10vol.％，例如约90到约10vol.％的烃燃料。
24.举例来说，控制器120可以被配置成确定与烃燃料混合的氢气量，以便形成被配置成满足给定管辖区的排放要求的燃料混合物，同时最大限度地减少总燃料成本。举例来说，由于目前氢气的生产成本可能高于烃燃料(例如lng)，因此控制器120可以被配置成在形成燃料混合物时仅利用满足适用的排放要求，例如碳排放要求所需的氢气量。在各种实施例中，控制器120可以利用船舶的全球定位系统(gps)坐标和查找表，以确定当前适用于船舶的排放要求。
25.在一些实施例中，例如如果电力需求相对低，例如如果船舶100在港口停靠模式下操作，则控制器120可以被配置成利用储存在储能装置108中的电力和/或由港口电气设施提供的电力为负载112供电。在替代方案中，由港口设施提供的氢气(例如，通过柔性软管连接件)可以用于操作发电机110，以便为负载112提供电力。
26.在一些实施例中，电力系统100可以任选地包括氢气发生器114。举例来说，氢气发生器114可以包含被配置成通过水的电解产生氢气的固体氧化物电解池(soec)系统。举例来说，氢气发生器114可以使用由发电机110提供的电力和/或由港口设施提供的电力来操作。举例来说，当在港口时，可以为船舶提供来自岸上绿色能源(例如太阳能、风能、潮汐能或核能源)的电力。在一些实施例中，发电机110可以用于经由电连接件(例如，电力总线)115向氢气发生器114提供电力，例如在通过具有较少限制性排放要求的区域的过境期间。氢气发生器114产生的氢气可以通过氢气入口导管(例如，管道或歧管)117提供给氢气罐104，所述氢气入口导管将氢气发生器114的出口连接到氢气罐104的入口。储存的氢气在船舶10在需要减少碳排放的位置操作期间从氢气罐104经由导管105提供给发电机110。
27.图2是示出根据本公开的各种实施例，操作如图1所示的包括混合动力系统100的船舶10的方法的步骤的流程图。参考图1和2，在步骤200中，可以确定船舶10的碳排放限值。举例来说，控制器120可以基于船舶的当前位置来识别适用的管辖碳排放法规，船舶的当前位置可以基于船舶的gps坐标来识别。碳排放限值可以根据船舶当前的操作模式和/或适用排放法规中指定的相应碳排放限值和/或排放率来确定。排放法规可以包括地方排放法规和/或国际海事组织目标。或者，碳排放率可以由船舶的操作员手动设置。
28.在步骤202中，可以确定当前的碳排放率。举例来说，碳排放率可以基于船舶当前的烃燃料消耗率和相应的碳排放率来确定。
29.在步骤204中，控制器120可以将当前的碳排放率与确定的碳排放限值进行比较，以确定当前的碳排放是否低于排放限值，从而可以接受。如果碳排放率小于确定的碳排放限值，则所述方法可以返回到步骤200。如果碳排放率超过排放限值，则所述方法可以进行到步骤206。
30.在步骤206中，控制器120可以基于确定的碳排放限值和船舶的当前电力需求(例如，当前船舶操作模式电力负载)来计算氢气与烃燃料的比率。举例来说，控制器120可以增加提供给发电机110的氢气与烃燃料的比率，以便形成配置成减少碳排放的燃料混合物。具体地，控制器120可以基于当前操作模式确定负载112的电力需求大小，然后基于负载112的估计电力大小计算相应的氢气与烃燃料的比率和总燃料混合物流量。
31.举例来说，在一些实施例中，控制器120可以计算发电机110可以使用的烃燃料的最大量，而发电机110的碳排放不超过碳排放限值。控制器120然后可以计算发电机的相应烃电力输出。然后控制器120可以计算将发电机的电力输出增加等于烃电力输出与负载大小之间的差的量所需的氢气量。控制器120然后可以计算要添加到烃燃料中的氢气量，以形成燃料混合物，所述燃料混合物被配置成产生足以满足负载112的电力需求的电力量，和低于碳排放限值的碳排放量。
32.在一些实施例中，发电机110产生的电力可以由储存在储能装置108中的电力补充，使得提供给发电机110的烃燃料和/或氢气的量可以减少。因此，控制器120可以基于装置108的充电状态和由于从装置108提供给负载112的电力而导致的负载112的大小的相应减少来计算氢气与烃燃料的比率。
33.在步骤208中，控制器120可以基于所计算出的氢气与烃燃料的比率来调整用于形成提供给发电机110的燃料混合物的氢气和烃燃料的流量。举例来说，控制器120可以控制燃料阀106，以调整发电机110的相对氢气和烃燃料流量，从而实现发电机110的相应水平的碳排放和电力输出。在一个实施例中，发电机110可以仅使用氢气燃料操作。在这种情况下，氢气与烃燃料的比率由特定值或代码表示以避免被零除。
34.在一些实施例中，发电机110可以包括sofc系统并且烃燃料可以是天然气，例如液态天然气。控制器可以控制燃料阀106，以便调整到发电机110的相对氢气和烃燃料流量(例如，氢气与烃燃料的比率)，从而实现发电机110的相应水平的碳排放。
35.在各种实施例中，发电机110可以产生超过负载112的电力需求的电力，同时仍然以低于适用的碳排放限值的水平排放碳。在此类情况下，控制器120可以将来自发电机110的多余电力提供给氢气发生器114和/或储能装置108。由氢气发生器114产生的氢气可以储存在氢气罐104中以备后用。
36.这种方法捕捉到了在适当的时候使用燃料共混物的新颖方法，与特定的船舶操作模式相一致，以降低碳排放。使用不同类型的燃料可以用于减少旧船和新船或船队的排放足迹。
37.本文描述的控制器120可以使用包括可编程处理器、存储器和已经用指令编程以执行特定功能的其它组件的计算装置(例如计算机)来实施，或者可以在被设计为执行特定功能的处理器中实施。处理器可为可通过软件指令(应用程序)配置以执行多种功能(包含本文所描述的各种实施例的功能)的任何可编程微处理器、微计算机或一或多个多处理器芯片。在一些计算装置中，可提供多个处理器。通常，软件应用程序在被访问和加载到处理器之前可以存储在内部存储器中。在一些计算装置中，处理器可以包括足以存储应用程序软件指令的内部存储器。
38.结合本文中所公开的实施例所描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可实施为电子硬件、计算机软件，或两者的组合。为了清晰地说明硬件与软件的这种可互换性，上文已大体就其功能性来描述了各种说明性组件、块、模块、电路和步骤。这种功能是作为硬件还是软件来实施取决于特定的应用程序和对整个系统施加的设计约束。熟练的技术人员可针对每个特定应用以不同方式来实施所描述的功能性，但这样的实施决策不应被解释为会引起脱离本发明的范围。
39.用于实施结合本文所公开的方面而描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可以用控制装置来实施或执行，所述控制装置可为或包括：通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或被设计成执行本文所描述的功能的其它可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件，或其任何组合。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可实施为计算装置的组合，例如dsp和微处理器的组合、多个微处理器、一或多个微处理器结合dsp核心，或任何其它此类配置。或者，可通过专用于给定功能的电路来执行一些块或方法。
40.提供对所公开的实施例的先前描述以使所属领域的技术人员能够制作或使用所描述的实施例中的任一者。所属领域的技术人员将容易了解对这些实施例的各种修改，且可在不脱离本公开的范围的情况下将本文定义的一般原理应用到其它实施例。因此，权利要求并不希望限于本文中所示的实施例，而是应被赋予与权利要求语言以及本文所公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。

技术特征：
1.一种操作船舶的方法，其包含：向安置在所述船舶上的发电机提供氢气或包含氢气和烃燃料的燃料混合物；以及从所述发电机向所述船舶的电力负载提供电力。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述氢气储存在所述船舶上。3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含使用电解在所述船舶上产生所述氢气。4.根据权利要求3所述的方法，其中：在所述船舶上产生所述氢气的步骤包含使用固体氧化物电解池从水中产生所述氢气；且所述固体氧化物电解池由所述发电机供电。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述发电机包含固体氧化物燃料电池发电系统并且所述船舶包含海洋船舶。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述发电机包含燃气轮机或往复活塞式发动机。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述发电机使用所述燃料混合物操作。8.根据权利要求7所述的方法，其中：所述燃料混合物包含10到90体积百分比的氢气和10到90体积百分比的所述烃燃料；且所述烃燃料包含天然气。9.根据权利要求7所述的方法，其进一步包含：根据所述船舶的当前位置确定适用于所述船舶的碳排放限值；确定施加到所述发电机的所述电力负载的电力需求大小；根据所述碳排放限值和所述电力负载的所述电力需求大小计算氢气与烃的比率；以及通过向所述烃燃料中添加氢气来形成所述燃料混合物，使得所述燃料混合物具有所计算出的氢气与烃的比率。10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包含在所述计算氢气与烃的比率之前使用储存在所述船舶上的电力来降低所述电力负载的所述电力需求大小。11.根据权利要求9所述的方法，其中所述计算所述氢气与烃的比率包含：计算在所述发电机的碳排放不超过所述碳排放限值的情况下所述发电机能够使用的烃燃料的最大量和所述发电机的相应烃电力输出；以及计算将所述发电机的所述电力输出增加等于所述烃电力输出与所述电力负载的所述电力需求大小之间的差的量所需的氢气量。12.一种船舶，其包含：船体；甲板；电力负载；氢气罐；和发电机，所述发电机被配置成从所述氢气罐接收氢气或包含氢气和烃燃料的燃料混合物并向所述电力负载提供电力。13.根据权利要求12所述的船舶，其进一步包含：氢气产生器，其电连接于所述发电机，且经配置以产生所述氢气；和氢气入口导管，其将所述氢气发生器的出口连接到所述氢气罐的入口。
14.根据权利要求13所述的船舶，其中所述氢气发生器包含固体氧化物电解池。15.根据权利要求12所述的船舶，其中所述发电机包含固体氧化物燃料电池发电系统并且所述船舶包括海洋船舶。16.根据权利要求12所述的船舶，其中所述发电机包含燃气轮机或往复活塞式发动机。17.根据权利要求12所述的船舶，其进一步包含烃燃料罐。18.根据权利要求17所述的船舶，其进一步包含控制器，所述控制器被配置成：根据所述船舶的当前位置确定适用于所述船舶的碳排放限值；确定施加到所述发电机的所述电力负载的电力需求大小；根据所述碳排放限值和所述电力负载的所述电力需求大小计算氢气与烃的比率；以及确定具有所计算出的氢气与烃的比率的所述燃料混合物组成。19.根据权利要求18所述的船舶，其中所述控制器被配置成通过以下方式计算所述氢气与烃的比率：计算在所述发电机的碳排放不超过所述碳排放限值的情况下所述发电机能够使用的烃燃料的最大量和所述发电机的相应烃电力输出；以及计算将所述发电机的所述电力输出增加等于所述烃电力输出与所述电力负载的所述电力需求大小之间的差的量所需的氢气量。20.根据权利要求12所述的船舶，其进一步包含电连接到连接所述发电机和所述电力负载的电力总线的储能装置。

技术总结
本发明涉及一种操作船舶的方法，包括向安置在所述船舶上的发电机提供氢气或含有氢气和烃燃料的燃料混合物，以及从所述发电机向所述船舶的电力负载提供电力。述船舶的电力负载提供电力。述船舶的电力负载提供电力。


技术研发人员：马丁
受保护的技术使用者：博隆能源股份有限公司
技术研发日：2021.09.24
技术公布日：2023/6/7