多措并舉，航運業綠色化未來可期

中國船級社《航運低碳發展展望2021》編寫組

作為“2021北外灘國際航運論壇”的重磅成果之一，中國船級社發布的《航運低碳發展展望2021》（簡稱“展望”）引發強烈關注?！罢雇被凇堵摵蠂鴼夂蜃兓蚣芄s》等提出的全球應對氣候變化行動基本框架，分析區域及行業組織有關政策措施的影響，提出未來國際航運氣候治理規則的新趨勢；從能源可供性、經濟性、應用技術成熟度、減排貢獻度和法規完備性等方面，提出未來船舶能源及動力裝置發展趨勢和路徑，為全球航運業向低碳方向發展和轉型提供重要參考。我們選取“展望”第二、三部分，并經過編輯后以“多措并舉，航運業綠色化未來可期”“多維視角下的航運減排當下與未來”兩篇文章刊出。

——編者

國際社會對航運業溫室氣體減排面臨的嚴峻形勢已有深刻認識，并開始采取應對措施。IMO和世界各國政府相繼出臺了全球性和區域性政策措施，旨在控制和減少船舶造成的溫室氣體排放。在相關各方的積極推動下，航運業溫室氣體減排在能效措施、清潔燃料、動力裝置與系統、碳捕捉與封存等方面對可行的技術路徑進行了可貴的探索，積累了豐富的數據資源和成功經驗。中國船級社組織專家團隊對現有節能技術、能效技術以及低碳、零碳燃料船用技術進行了深入研究，提出了主要船型替代燃料技術方案。

一、能效措施將貫穿始終

能效措施主要包括技術能效措施和營運能效措施兩大類。在航運推進能源低碳轉型過程中，行業可繼續深入開展技術能效與營運能效措施研究，通過技術能效措施與營運能效措施應用相結合的方式，進一步強化溫室氣體減排效果。

技術能效措施可通過降低船舶阻力、提高推進裝置效率等方面技術應用，提高船舶整體能效水平、減少燃料消耗和排放，主要包括型線優化、船舶輕量化、氣膜減阻、涂層減阻、高效推進裝置、水動力節能裝置等技術。技術能效措施具有相對較高的減排潛力，但投資成本也較高，應用的對象主要是新造船，且不同技術能效措施適用的船型也存在差異。目前，型線優化、高效螺旋槳等已成為常規技術手段，但不能保證中大型散貨船和油船滿足EEDI第三階段的要求，應用氣膜減阻、風力助推等具有顯著節能減排效果的創新能效技術，是可行的解決方案之一。

營運能效措施可在船舶營運過程中從操作管理層面提高船舶能效水平，從而減少船舶的燃料消耗及排放，主要包括航速優化、縱傾優化、貨物操作優化、設備管理優化等措施。營運能效措施涉及營運操作方面的改進和優化，無須較大的系統設備投資。從降低燃料成本的角度出發，現有船更傾向于選擇營運能效措施。

總體而言，無論是技術能效措施還是營運能效措施，實船應用后能夠達到的實際減排效果都會受船型、船舶尺度、營運工況、船舶狀況等多種因素影響，碳減排潛力難以滿足中長期的減排目標。盡管如此，從減少燃料消耗、提高經濟性的角度出發，船舶應用能效技術的需求將貫穿始終。

二、船用清潔燃料擔當減排C位

柴油是船舶的傳統燃料，也是造成船舶排放和污染的關鍵因素。因此，從能源層面探索可行的船舶減排技術路徑是航運業的關注和研究重點。目前，航運業已針對LNG、甲醇、生物柴油、氫和氨等為代表的清潔能源開展不同程度的船用研究與實踐。

表1為LNG、甲醇、生物燃油、氫和氨的理化性質，在未來不同時段內，隨著燃料產業鏈的發展和燃料船用技術的成熟，不同的清潔燃料將擁有不同的競爭力。

表1 清潔燃料的理化性質

1、LNG燃料

全球船舶動力技術正朝向低碳化、零碳化發展，航運業完全轉向可再生零碳燃料尚需經歷過渡時期。在此期間，LNG燃料因其技術成熟度高、法規完備性好、能量密度高等優點，正迅速成為船用燃料的主要青睞對象。從世界范圍來看， LNG動力船舶發展引起了各國重視，在新建船舶和燃料補給基礎設施方面都投入較大。近幾年，以LNG作為主燃料的雙燃料動力船舶呈現爆發式增長，據相關機構統計預測，2021年LNG動力船訂單已接近總噸位30%，2025年全球手持訂單中LNG動力船超過60%。目前，LNG雙燃料動力船舶的應用船型已覆蓋油船、集裝箱船、散貨船、郵輪和客渡船等主要船型，國內應用水域已覆蓋沿海、長江、珠江和京杭運河等主要水域。

LNG產業鏈和水上應用供應鏈逐漸成熟，但整體發展還面臨一些挑戰，主要包括：

(1) LNG中含有碳元素對二氧化碳減排貢獻度有限，使用過程中甲烷逃逸會對溫室氣體排放帶來的一定影響。

(2) LNG價格不穩定，不同季節不同地區LNG氣源供應不穩定，價格波動較大，缺乏合理的定價機制和供應體系，導致船東難以形成穩定預期。

2、甲醇燃料

甲醇作為全球大宗化學品之一，具有產業鏈成熟、產能充足、儲運方便、環境友好等優勢，且作為內燃機燃料應用已有近50年歷史。在工業界甲醇燃料動力系統涉及到的加注、儲存方面目前技術成熟且經驗豐富，甲醇發動機具有良好的NOx和SOx排放性能，能有效地減少碳排放和大氣污染。因此，已有相關航運巨頭將甲醇燃料作為實現航運中長期減碳目標的重點發展方向。目前，國際上已制定《甲醇/乙醇燃料船舶安全暫行指南》，國內即將出臺相關法規和指南，船舶設計、建造和檢驗的技術標準障礙有望快速解決。

船舶利用甲醇燃料仍存在一些問題尚待解決。從燃料全生命周期角度考慮，化石基甲醇不能滿足未來碳減排目標，而電合成綠色甲醇和生物質甲醇實際應用較少。船用甲醇燃料供應系統、船用甲醇發動機目前實船應用經驗不足且市場可用產品選擇不多，甲醇發動機存在潛在的甲醇、甲醛等非常規排放問題，需進行深入研究。同時還需加強船用甲醇燃料加注設施建設，完善相關監管要求等。除此之外，甲醇價格、燃料艙艙容等因素對經濟性、船舶布置的影響仍待進一步評估。

3、生物柴油

目前，受到業界關注且在實船上有一定應用經驗的生物柴油主要是脂肪酸甲酯（FAME）和氫化植物油（HVO）。FAME在氧化穩定性、腐蝕性、低溫流動性等方面還存在一定問題，目前船用燃料油國際標準（ISO 8217）僅允許在規定體積比例內（7%）與船用柴油（MGO）摻混使用。HVO理化性質與MGO類似，滿足ISO 8217關于餾分型燃料油的標準，無需與石化柴油調和便可在現有柴油機和基礎設施中兼容使用。從全生命周期角度看，生物柴油的溫室氣體排放量主要取決于其生產原料和生產工藝。從經濟性方面看，生物柴油的價格受生物質原料供應、生產轉化工藝等因素影響較大，造成價格較高。同時，能源作物及其殘余物等植物類生物原料的供應量和價格可能存在季節性波動，餐廚廢油等油脂類生物質原料的供應量較為有限，這些因素均會造成生物柴油價格較高且存在較大波動。

4、氫燃料

氫是一種綠色、清潔、高效、來源廣泛的二次能源，其在船應用目前仍處于起步階段，從長遠來看，氫燃料是航運業零排放解決方案的重點發展方向。業界正圍繞氫燃料在內河和近海船舶上的應用開展試點研究，相關船用規范標準、技術裝備、基礎設施等正在逐步建立、發展和完善?；谌剂显谌芷跍厥覛怏w排放，未來的制氫方式將從化石能源轉向可再生能源制取。儲氫技術方面，現階段內河和近海船舶主要采用陸上應用較為成熟的高壓儲氫技術，未來為滿足國際遠洋航行船舶的續航里程需求，尚需進一步發展能量密度更高的儲氫技術，包括液氫、金屬氫化物、液體有機化合物儲氫和在線重整制氫等技術。除此之外，目前終端氫氣價格昂貴，但隨著氫能市場規模的擴大、技術的成熟，氫燃料成本未來將持續降低。

5、氨燃料

氨是未來零碳解決方案的重要發展方向之一。作為一種重要的化工原料，氨屬于定價透明的全球商品，有著豐富的工業使用經驗，生產、運輸、交易市場相當成熟。從燃料角度考慮，氨不含碳，其能量密度與甲醇相當，是氫的2倍，且氨易于液化，較為安全，便于儲存和運輸，是一種理想的能量來源。

但氨作為燃料應用經驗極少，燃燒性能較差，且仍會產生氮氧化物排放，尚無實際使用氨燃料發動機的案例。氨燃料電池幾乎不產生有害氣體和溫室氣體，但其功率密度較低，不能滿足船舶應用需要，目前仍處在研發試驗階段。在現有國際法規框架下，由于氨具有毒性，尚無相關技術法規支持氨燃料的船舶應用。在安全性方面，氨具有毒性、腐蝕性、可燃性等特點，船上應用時需考慮特別防護措施。

除此之外，從燃料使用的全生命周期角度，現行的合成氨工藝仍會導致大量碳排放。通過使用氨燃料減少碳排放的前提是開發基于可再生能源的合成氨工藝，實現氨的廉價、高效、綠色制備。

就目前而言，氨雖是理想的能量載體，但氨燃料的利用仍處于研究階段，作為船舶燃料也缺乏相關技術標準支撐。進一步突破氨燃料船舶應用技術瓶頸,建立完整的供應鏈，形成健全的政策法規,是實現氨燃料船舶實際運營的關鍵所在。

三、動力裝置與系統多元化發展

清潔燃料的發展與動力裝置的發展相輔相成，面向船舶應用清潔燃料的發展需求，船舶動力裝置與系統呈現出多元化的發展趨勢，除內燃機外，燃料電池、鋰電池、混合動力系統等新型動力裝置與系統在船上的應用越來越多。在實際應用中，不同噸位、不同航程的船舶存在不同的加注和動力需求，應綜合考慮清潔燃料的能量密度和動力裝置的輸出功率，為不同需求的船舶選擇合適的清潔燃料及相應的動力裝置。

1、內燃機

天然氣發動機主要有高壓和低壓兩種技術路線，高壓機型在熱效率、燃料品質適應性、甲烷逃逸控制、功率范圍等方面具有一定優勢，低壓機型在NOx排放、供氣系統復雜程度及成本等方面表現較好?？傮w而言，天然氣發動機技術基本趨于成熟，規?；瘧靡殉蔀榭赡?，業界正在針對甲烷排放控制、動態特性優化等方面開展技術攻關。

甲醇-柴油雙燃料低速二沖程發動機已有成熟產品，并在甲醇運輸船上投入應用，基于柴油機改造的甲醇燃料中速機在國外車客渡輪上有一定應用經驗，但仍有待進一步發展，業界正針對滿足Tier III要求的NOx排放控制方案，以及甲醇、甲醛等非常規排放控制開展技術研發。

氫-柴油雙燃料內燃機在小型客船上已開展試點應用，兆瓦級氫-柴油雙燃料中速機目前處于研發階段，業界正在針對氫燃料點火能量低、火焰傳播速度快、燃燒溫度高等問題，重點突破氫燃料燃燒控制、NOx排放控制等關鍵技術。

氨燃料內燃機的研發正在進行中，重點針對氨燃料燃燒特性差（自燃溫度高、火焰傳播速度慢、可燃極限范圍窄等）及排放問題（NOx、N2O）研發解決方案。

2、燃料電池

從現階段已有燃料電池船舶應用來看，主流的幾種燃料電池類型為：1）低工作溫度（100℃左右）的質子交換膜燃料電池（PEMFC）；2）高工作溫度（600-1000℃）的固體氧化物燃料電池（SOFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）；3）高溫質子交換膜燃料電池（HT-PEMFC，工作溫度約200℃）。

PEMFC對純氫的依賴性較高，從近十余年燃料電池產業鏈的發展來看，大規模工業制氫已有數十年的歷史，相當成熟，使得PEMFC有望在船舶領域形成一定規模應用，但高壓氫氣體積能量密度較低，因此主要局限在內河和近海應用，很難在長航程的遠洋船舶上使用。而HTPEMFC由于可以使用多種燃料，在一定程度上拓展了PEMFC的應用場景。但高溫燃料電池可以直接采用LNG、甲醇、乙醇等易于儲存的液態燃料，避免了對于氫氣的依賴，大大減少了推廣難度，且功率等級正在向兆瓦級突破，遠期來看有望成為適用于遠洋船舶的技術路線。

3、鋰電池

鋰電池的能量密度和安全性是重點關注的性能。從能量密度來看，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是船舶動力電池的首選。單體三元鋰電池能量密度高于磷酸鐵鋰電池，且仍有開發空間，但三元鋰電池系統需要鋼制外殼和更復雜的冷卻系統保護，因此組成系統后能量密度與磷酸鐵鋰相差不大。從安全性考慮，三元鋰電池由于正極材料特性，在使用過程中易觸發熱失控，造成大量熱量釋放，且會產生可燃有毒氣體和大量氧氣，存在安全隱患。而磷酸鐵鋰電池中的正極材料磷酸鐵鋰高溫穩定，較難分解，在實際使用中具有耐高溫、安全穩定性強、循環性能更好的優勢。對于船舶而言，安全性能的優先度高于續航里程，現階段磷酸鐵鋰電池更符合船舶安全發展的需要。

未來鋰離子電池會以追求高系統能量比為目標，相比傳統鋰離子電池，固態鋰電池的安全性更好，能量密度更高、循環壽命更長，有望成為電池船舶的新選擇。

4、混合動力系統

隨著儲能技術的快速發展，基于鋰電池、超級電容等儲能裝置與內燃機/燃料電池組成的混合動力系統應運而生?；旌蟿恿ο到y可根據不同工況的推進功率需求靈活選擇運行模式，進而改善船舶能效和排放，對工況復雜多變的船舶有較好適應性。應用混合動力系統的船型目前以車客渡船、客船為主，少量內河貨船、海工船舶及海洋科考船舶也有應用。相關實船應用案例表明，與燃油動力船舶相比，采用混合動力系統的船舶可實現節能減排約為15%。

5、核動力系統

自上世紀50年代以來，基于壓水堆技術的核動力系統在商船上開始應用，由于具有系統簡單、結構緊湊、運行安全等特點，非常適合商船小空間和高貨物載重量的設計要求，逐漸成為船用堆的主力堆型。

核動力系統船舶在環保性方面具有巨大優勢，基本上可實現所有船舶大氣污染物和溫室氣體零排放。但經濟性能差。此外，核動力船舶在安全性方面存在較大風險，港口或海上的意外事故（如操作、維護失誤）和有意行為（如恐怖襲擊）引起的核泄漏事故是難以承受的安全隱患。隨著核反應堆技術的安全性不斷提高，以及港口監管措施逐步完善，核動力在功率要求較高的破冰船、挖泥船和超大型貨船上將具有一定應用前景。

四、碳捕捉、利用與封存，“明日之星”潛力可期

碳捕捉、利用與封存（CCUS）是將CO2從工業或相關排放源中分離后或直接加以利用或封存的工業過程。作為一項有望實現化石能源大規模低碳利用的戰略性技術，CCUS具有大幅度減少傳統能源密集型產業整個生命周期內溫室氣體排放的潛力，是未來減少二氧化碳排放、保障能源安全、構建生態文明和實現可持續發展的重要手段。當前CCUS技術仍處于研發和示范階段，存在較多制約其發展的瓶頸，包括能耗和成本過高，長期封存的安全性和可靠性有待驗證等問題。

船舶CCUS系統一般由捕集、分離、液化存儲和利用封存四部分組成。船舶封存的CO2可在港口直接交給運輸船，或運輸到工廠中做為堿、醇等化工品的原料，或運輸到海洋指定位置進行封存，也可制成干冰投入海底封存。

相較于陸上，船舶應用CCUS受到尾氣成份復雜、CO2濃度較低、艙室空間有限、船上能源受限、運行環境惡劣等因素的限制，在安全性、技術性、經濟性等方面存在更多挑戰，如：CO2捕集及存儲裝置占用空間大、CO2儲存管理安全要求高、設備投資及運行成本較高、配套岸基設施建設不足、減排貢獻度評估與CO2轉移認證法規欠缺等，因而在船上的應用前景存在一定的不確定性。

五、未來展望

從當前船舶低碳技術應用現狀和發展趨勢來看，船舶實現減排的技術措施多種多樣。單個或多個能效技術的應用可有效提升船舶能效水平、減少碳排放，但面向中長期減碳目標，根本性的解決方案則是應用清潔燃料。

不同的清潔燃料在不同時期擁有各自的競爭優勢，為航運業實現溫室氣體減排目標提供了多種可能的方向。從能源層面實現船舶減排，完成燃料綠色化轉型是一項涉及能源、船舶和物流等多個工業部門的長期性、復雜性系統工程，對清潔燃料應用前景的研判，需要綜合考慮燃料供應、應用技術、環保特性、政策法規和經濟成本等多方面因素。針對液化天然氣（LNG）、甲醇、生物柴油、氫、氨等清潔燃料，上述六個方面對其船用適應性進行不同時期的綜合分析和研判，分析情況如圖1、圖2和圖3。

圖1 清潔燃料船用適應性綜合分析（2021年）

圖2 清潔燃料船用適應性綜合分析（2025年）

圖3 清潔燃料船用適應性綜合分析（2030年）

綜合前述五個方面因素，當前優選的船用清潔燃料依次為LNG、甲醇、生物柴油、氫和氨燃料。鑒于產業鏈上游清潔燃料的生產尚未形成規模，當前難以大范圍推廣使用。未來隨著清潔燃料制備技術和清潔燃料船上應用技術的逐步成熟，綠色甲醇由于其更為優異的環保特性，預計將超過LNG成為最具競爭力的清潔燃料。待技術逐漸成熟和產業鏈配套逐步完善，各項成本將進一步降低，綠氫和綠氨的潛力逐步被釋放后，預計將會大規模推廣應用。

除能效技術和清潔燃料外，需對碳捕捉、利用與封存技術保持高度關注。隨著技術革新，解決船舶布置、能耗、經濟性和安全性等主要問題，在船舶上成熟應用碳捕捉、利用與封存技術，將會對航運業低碳發展產生深刻影響。