液化天然氣燃料在大型集裝箱船舶運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

陳捷

以溫室氣體減排為目標(biāo)的綠色航運(yùn)是當(dāng)前航運(yùn)業(yè)的熱門話題。為了實(shí)現(xiàn)國際海事組織確立的減排目標(biāo)和愿景，有必要使用無污染或污染小、碳中和且經(jīng)濟(jì)可行的綠色能源作為船用燃料。與傳統(tǒng)燃料相比，液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）燃料能夠使船舶碳排放量減少20%，加之LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為成熟，具有政策完善、供應(yīng)可靠等優(yōu)勢(shì)，LNG燃料已成為中短期內(nèi)最為現(xiàn)實(shí)可行的能夠規(guī)?；瘧?yīng)用的主流船用清潔燃料。雖然僅憑應(yīng)用LNG燃料還無法實(shí)現(xiàn)零排放的遠(yuǎn)景目標(biāo)，但隨著LNG燃料在船舶運(yùn)輸領(lǐng)域成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，航運(yùn)企業(yè)對(duì)LNG燃料的認(rèn)可度逐步提高，并將其作為中短期內(nèi)最佳的過渡性替代燃料，研發(fā)并應(yīng)用“LNG燃料+船用燃料油”的雙燃料（以下簡稱“LNG雙燃料”）技術(shù)。本文結(jié)合綠色航運(yùn)發(fā)展背景和趨勢(shì)，比較各種船用替代燃料的優(yōu)缺點(diǎn)，從訂單情況、技術(shù)路徑、市場(chǎng)供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性和安全性等角度，介紹LNG燃料在大型集裝箱船舶運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望LNG燃料應(yīng)用前景。

1 綠色航運(yùn)發(fā)展遠(yuǎn)景目標(biāo)和政策措施

2018年4月，國際海事組織發(fā)布航運(yùn)業(yè)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略和目標(biāo)：到2030年，船舶單位運(yùn)輸活動(dòng)的二氧化碳排放量比2008年減少至少40%;到2050年，船舶單位運(yùn)輸活動(dòng)的二氧化碳排放量比2008年減少70%;到21世紀(jì)末，實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)溫室氣體零排放的愿景。鑒于集裝箱船舶的溫室氣體排放量占航運(yùn)業(yè)溫室氣體排放量的比重較大，國際海事組織對(duì)集裝箱船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)提出新要求：將12萬載重噸以上及20萬載重噸以下的大型集裝箱船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)在基準(zhǔn)值的基礎(chǔ)上下調(diào)45%，并將集裝箱船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)第三階段的實(shí)施時(shí)間從2025年提前至2022年。

隨著氣候變化議題在全球范圍內(nèi)引起高度關(guān)注，中國政府承諾將采取更加有力的政策措施，力爭在2030年前使二氧化碳排放量達(dá)到峰值，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

在此背景下，具備良好環(huán)保性能并已成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的LNG燃料進(jìn)入人們的視野。原中國船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司董事長董強(qiáng)和原招商局集團(tuán)有限公司董事長李建紅均在2021年兩會(huì)上提出關(guān)于推進(jìn)綠色航運(yùn)發(fā)展和LNG應(yīng)用的議案，預(yù)計(jì)相關(guān)配套支持政策有望在不久的將來出臺(tái)。

2 船用替代燃料比較和選擇

傳統(tǒng)的船用柴油和重質(zhì)燃料油燃燒后排放的廢氣含有二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和顆粒物等，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。目前，傳統(tǒng)船用燃料的替代方案包括LNG燃料、液化石油氣（liquefied petro-leum gas，LPG）燃料、甲醇燃料、生物燃料、氫燃料和氨燃料等（見表1），其中LNG燃料的綜合性能較優(yōu)。根據(jù)挪威-德國勞氏船級(jí)社發(fā)布的第四版《2050年海事展望》：在2030年或2040年環(huán)保監(jiān)管收緊之前，化石燃料中的LNG燃料將占據(jù)相當(dāng)大的份額。另據(jù)殼牌公司估計(jì)：到2040年，全球航運(yùn)業(yè)對(duì)LNG燃料的年需求量將達(dá)到3 000萬t以上。

3 LNG雙燃料技術(shù)在大型集裝箱船舶運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 大型LNG雙燃料集裝箱船舶訂造情況

從近期14 000 TEU以上集裝箱船舶訂造情況來看，使用重質(zhì)燃料油并加裝脫硫裝置的船舶仍然占據(jù)主流地位;但自從達(dá)飛輪船訂造的超大型LNG雙燃料集裝箱船舶成功交付并實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)營后，越來越多的航運(yùn)企業(yè)和船舶所有人開始訂造LNG雙燃料集裝箱船舶，并且船型大多為以上超大型（見表2）?？偟膩砜矗罕M管LNG雙燃料集裝箱船舶訂單量占集裝箱船舶訂單總量的比重較小，但航運(yùn)企業(yè)和船舶所有人選擇LNG雙燃料集裝箱船舶的意愿逐步增強(qiáng);韓國造船企業(yè)積極研發(fā)綠色高效能船舶，在LNG雙燃料集裝箱船舶建造領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。

3.2 ?大型LNG雙燃料集裝箱船舶技術(shù)路徑

3.2.1 概述

大型LNG雙燃料集裝箱船舶建造涉及LNG燃料艙布置、LNG燃料艙選型、主機(jī)選型、燃?xì)夤?yīng)、蒸發(fā)氣體處理、燃?xì)庹{(diào)節(jié)和安全防護(hù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，其中：LNG燃料艙可選方案包括薄膜型燃料艙、B型燃料艙、C型燃料艙等;主機(jī)可選方案包括高壓主機(jī)加低壓選擇性催化還原系統(tǒng)、高壓主機(jī)加廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和低壓選擇性催化還原系統(tǒng)、低壓主機(jī)等;蒸發(fā)氣體處理可選方案包括再液化回收、供鍋爐焚燒、供主機(jī)使用等。不同的技術(shù)方案組合形成不同的技術(shù)路徑，例如：達(dá)飛輪船采用的技術(shù)路徑為，LNG燃料艙選用薄膜型燃料艙，主機(jī)選用低壓主機(jī)，蒸發(fā)氣體供鍋爐焚燒和主機(jī)使用;EPS和赫伯羅特采用的技術(shù)路徑為，LNG燃料艙選用B型燃料艙，主機(jī)選用高壓主機(jī)加廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和低壓選擇性催化還原系統(tǒng)，蒸發(fā)氣體供鍋爐焚燒;Greathorse采用的技術(shù)路徑為，LNG燃料艙選用C型燃料艙，主機(jī)選用低壓主機(jī)，蒸發(fā)氣體供鍋爐焚燒和主機(jī)使用。由此可見，當(dāng)前大型LNG雙燃料集裝箱船舶多條技術(shù)路徑并存，并且在投資成本、運(yùn)營成本、管理難度、可靠性和安全性等方面存在差異，需要結(jié)合實(shí)船運(yùn)營實(shí)踐驗(yàn)證技術(shù)路徑的可行性和有效性。本文重點(diǎn)介紹LNG燃料艙選型和主機(jī)選型。

3.2.2 LNG燃料艙選型

LNG燃料艙可選方案包括薄膜型燃料艙、B型燃料艙、C型燃料艙等，不同方案適用于不同船型，其中：薄膜型燃料艙技術(shù)由法國GTT公司研發(fā)，已成功應(yīng)用于達(dá)飛輪船的LNG雙燃料集裝箱船舶項(xiàng)目;B型燃料艙和C型燃料艙技術(shù)也較為成熟，已分別應(yīng)用于EPS和Greathorse的LNG雙燃料集裝箱船舶項(xiàng)目。與薄膜型燃料艙相比，B型燃料艙和C型燃料艙的應(yīng)用時(shí)間不長，交付實(shí)績不多;但B型燃料艙和C型燃料艙成本優(yōu)勢(shì)突出，并且可靠性更高（見表3）。

3.2.3 主機(jī)選型

目前國際上主流的船用主機(jī)和輔機(jī)生產(chǎn)企業(yè)（如MAN B&W、WinGD、HiMSEN等）已有針對(duì)LNG雙燃料集裝箱船舶的系列化產(chǎn)品可供選擇，在主機(jī)選型過程中需要綜合考慮多種因素。例如：MAN B&W ME-GI高壓主機(jī)在油耗方面的表現(xiàn)優(yōu)于WinGD X-DF低壓主機(jī);但前者價(jià)格較高，且日常維護(hù)更為復(fù)雜（見表4）。

3.3 LNG燃料市場(chǎng)供應(yīng)

（1）供應(yīng)價(jià)格 由于LNG燃料在船舶運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)間不長，市場(chǎng)仍然處于供應(yīng)設(shè)施不完善、流通性不足的階段，尚未形成統(tǒng)一的價(jià)格體系。目前有能力供應(yīng)LNG燃料的主流能源供應(yīng)商均傾向于采用長期合約（合約期限大多為5～10年），并根據(jù)航運(yùn)企業(yè)和船舶所有人對(duì)加注點(diǎn)、供應(yīng)量和計(jì)價(jià)方式等需求提供定制化加注方案，在此基礎(chǔ)上與航運(yùn)企業(yè)和船舶所有人商定供應(yīng)價(jià)格。

（2）配套設(shè)施 在航運(yùn)業(yè)排放法規(guī)日趨嚴(yán)格、船用LNG燃料技術(shù)進(jìn)步以及政府引導(dǎo)和支持的背景下，LNG動(dòng)力船舶市場(chǎng)呈現(xiàn)積極的發(fā)展勢(shì)頭，從而對(duì)LNG燃料配套設(shè)施建設(shè)形成巨大的拉動(dòng)作用。全球主要港口紛紛布局建設(shè)LNG燃料配套設(shè)施，未來LNG燃料的可獲得性和加注便利性有望逐步提高。東西干線上的兩大樞紐港鹿特丹港和新加坡港已有船舶成功加注LNG燃料的案例，國內(nèi)中石油、中石化和中海油三大石油化工企業(yè)也將LNG燃料加注點(diǎn)布局列入各自的“十四五”規(guī)劃。

3.4 大型LNG雙燃料集裝箱船舶經(jīng)濟(jì)性

以投放于遠(yuǎn)東―美東航線運(yùn)營的15 000 TEU集裝箱船舶為例：一方面，LNG雙燃料船舶造價(jià)比常規(guī)燃料船舶造價(jià)高約2 500萬美元;另一方面，由于LNG燃料艙體積較大，LNG雙燃料船舶滿載箱量比常規(guī)燃料船舶滿載箱量少500 TEU左右。盡管如此，按照目前可以獲取的市場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)算：LNG雙燃料船舶的內(nèi)部報(bào)酬率約為11%，靜態(tài)回收期和動(dòng)態(tài)回收期分別為7.3年和9.6年。就項(xiàng)目投資決策而言，上述回報(bào)均在可接受的范圍內(nèi)。雖然目前常規(guī)燃料船舶經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)更明顯，但從發(fā)展綠色航運(yùn)的角度來看，常規(guī)燃料船舶并非積極進(jìn)取的選擇。如果綜合考慮LNG燃料長期合約價(jià)格低于測(cè)算使用的價(jià)格、技術(shù)發(fā)展使LNG雙燃料船舶造價(jià)回落以及征收碳排放稅等因素，未來LNG雙燃料船舶在經(jīng)濟(jì)效益方面將有更好的表現(xiàn)。

3.5 大型LNG雙燃料集裝箱船舶安全性

LNG具有超低溫、易揮發(fā)、易燃易爆等特性，其泄漏會(huì)使人員、船舶、貨物等面臨巨大危險(xiǎn)。與柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)相比，LNG燃料推進(jìn)系統(tǒng)更復(fù)雜，需要配置更加嚴(yán)格的安全防護(hù)系統(tǒng)和措施。雖然存在諸多風(fēng)險(xiǎn)因素，但現(xiàn)有的大型LNG雙燃料集裝箱船舶均保持較為平穩(wěn)的運(yùn)營狀態(tài)，未見因關(guān)鍵設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)生重大技術(shù)問題而導(dǎo)致船舶無法繼續(xù)運(yùn)營的負(fù)面報(bào)道。為了降低大型LNG雙燃料集裝箱船舶運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)，可以采取以下措施：在船舶設(shè)計(jì)階段，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，完善設(shè)備規(guī)格和技術(shù)參數(shù);在船舶運(yùn)營階段，配備經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的高素質(zhì)船員，建立并完善相應(yīng)的船舶管理系統(tǒng)?？紤]到未來零碳燃料應(yīng)用面臨類似的安全問題，現(xiàn)階段在大型LNG雙燃料集裝箱船舶運(yùn)輸領(lǐng)域提前部署并積極應(yīng)對(duì)，有助于為未來順利過渡到零碳燃料應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

堅(jiān)持綠色航運(yùn)理念并采取持續(xù)減排措施，已成為航運(yùn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。雖然LNG燃料并非完美的替代燃料，但從大型LNG雙燃料集裝箱船舶的風(fēng)險(xiǎn)可控性和經(jīng)濟(jì)可行性來看，船用LNG燃料技術(shù)擁有廣闊的發(fā)展前景。未來，在相關(guān)政策的驅(qū)動(dòng)和引導(dǎo)下，隨著航運(yùn)企業(yè)環(huán)保壓力加大及環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，船用LNG燃料供應(yīng)鏈逐步完善，以及LNG燃料應(yīng)用的安全性、經(jīng)濟(jì)性和規(guī)范性持續(xù)改善，阻礙船用LNG燃料技術(shù)推廣應(yīng)用的因素將逐步削弱或消除，航運(yùn)企業(yè)采用LNG動(dòng)力船舶的意愿將進(jìn)一步增強(qiáng)。

（編輯：張敏 收稿日期：2021-04-12）