船舶化石燃料“接班人”

本刊記者 王思佳

近日，全球最大航運(yùn)公司馬士基集團(tuán)首席執(zhí)行官施索仁（Soren Skou）公開呼吁，航運(yùn)業(yè)應(yīng)效仿汽車行業(yè)，禁止建造化石燃料船舶，并為其設(shè)定一個(gè)期限。那么，化石燃料船應(yīng)在未來什么時(shí)候停建？停建后，哪種船舶燃料將接過接力棒？這其中還將涉及哪些工作呢？

停建化石燃料船舶

今年7月，歐盟宣布正在準(zhǔn)備發(fā)起一項(xiàng)針對(duì)汽車行業(yè)的提議，建議自2035年起，歐盟國家銷售的所有新車都應(yīng)實(shí)現(xiàn)零排放，這是一項(xiàng)宏偉計(jì)劃的一部分，旨在將歐盟的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與雄心勃勃的環(huán)保目標(biāo)保持相同步調(diào)。據(jù)媒體報(bào)道，歐盟執(zhí)行委員會(huì)計(jì)劃從2030年開始要求在歐盟成員國銷售的新車和貨車降低65%的污染物排放，并繼續(xù)逐年減排。最終在2035年起降至零污染。

對(duì)此，施索仁在其社交媒體上發(fā)文稱，歐盟委員會(huì)計(jì)劃在2035年停止內(nèi)燃機(jī)汽車的生產(chǎn)，國際海事組織（IMO）應(yīng)該采取同樣的措施——停止建造化石燃料船舶，并制定雄心勃勃的目標(biāo)和措施來實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)去碳化。他指出：“在全球范圍內(nèi)征收碳稅，加上為化石燃料船舶設(shè)定截止日期，將會(huì)給航運(yùn)生態(tài)系統(tǒng)，包括船廠和燃料生產(chǎn)商發(fā)出一個(gè)強(qiáng)烈信號(hào)，告訴他們風(fēng)向如何。我們需要加快努力，以實(shí)現(xiàn)全球減排目標(biāo)。”

“一個(gè)全球性的‘截止日期’將解決未來新建船舶的燃料選擇問題，碳稅對(duì)現(xiàn)有船舶的影響則可以作為補(bǔ)充。隨著逐步征收450美元/噸的碳稅，這項(xiàng)稅收可以解決目前化石燃料與未來碳中和燃料之間的價(jià)格差距。由于價(jià)格差距縮小，IMO的船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）在未來幾個(gè)階段可能會(huì)成為一種工具，使化石燃料船舶的截止日期成為全球現(xiàn)實(shí)?！彼a(bǔ)充道。

據(jù)了解，船舶運(yùn)輸約占世界貿(mào)易90%，而遠(yuǎn)洋運(yùn)輸占全球二氧化碳排放量近3%?？死松臄?shù)據(jù)顯示，當(dāng)前全球船隊(duì)規(guī)模超過101188艘，2021年二氧化碳排放量估計(jì)為8.25億噸。

作為全球航運(yùn)老大，馬士基一直致力于推動(dòng)航運(yùn)業(yè)的去碳化。今年早些時(shí)候，馬士基曾公開提議，對(duì)船舶燃料征收至少450美元/噸的碳稅。馬士基也已經(jīng)承諾，未來所有自有新造船舶均將使用雙燃料技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)碳中和運(yùn)營(yíng)或采用標(biāo)準(zhǔn)的極低硫燃油（VLSFO）運(yùn)營(yíng)。

對(duì)此，馬士基并不只是說說，而是付出了實(shí)際行動(dòng)。今年7月，馬士基在韓國現(xiàn)代尾浦造船下單訂造了1+2艘3500TEU級(jí)甲醇動(dòng)力集裝箱船，這是當(dāng)時(shí)全球簽訂建造合同的最大甲醇動(dòng)力船，也是全球首艘碳中和集裝箱船，新船預(yù)計(jì)將在2023年投入運(yùn)營(yíng)。8月，馬士基又與現(xiàn)代重工集團(tuán)簽訂了8+4艘16000TEU級(jí)甲醇雙燃料動(dòng)力超大型集裝箱船的建造合同，每艘造價(jià)1.76億美元，備選訂單全部生效后總金額將達(dá)21.12億美元。這是全球首批搭載甲醇燃料動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的大型船舶，首制船將于2024年第一季度投入遠(yuǎn)洋航線。

根據(jù)瑞典哥德堡GreenPilot項(xiàng)目與瑞典SUMMETH項(xiàng)目、德國Methaship項(xiàng)目的結(jié)果都表明，甲醇可以非常合理的成本用作船用燃料，而且不具有其他低排放替代品燃料的復(fù)雜性。GreenPilot項(xiàng)目結(jié)果顯示，進(jìn)氣管處噴射甲醇的點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有相近的發(fā)動(dòng)機(jī)效率。與傳統(tǒng)燃料相比，甲醇中不含硫且氮氧化物(NOx)排放量較低，因此發(fā)動(dòng)機(jī)可以滿足氮氧化物Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，甲醇燃燒產(chǎn)生的顆粒物排放也比傳統(tǒng)燃料低99%。使用無化石原料的甲醇，溫室氣體排放量亦可顯著降低。換句話說，船舶可通過使用甲醇作為燃料實(shí)現(xiàn)減排。

按照馬士基的計(jì)劃，雖然這種船舶能夠使用符合標(biāo)準(zhǔn)的極低硫燃油運(yùn)營(yíng)，但該公司將從第一天起，就使用碳中和燃料e-甲醇或可持續(xù)的生物甲醇運(yùn)營(yíng)該船舶。為加快脫碳進(jìn)程，馬士基此前曾宣布將于2023年啟用以綠色甲醇為燃料的小型集裝箱船舶，并在2030年之前擁有一個(gè)碳中和船隊(duì)，以實(shí)現(xiàn)2050年凈零排放的目標(biāo)。此外，該公司還與丹麥公司REintegrate簽署了一份綠色甲醇合同以確保燃料供應(yīng)。

當(dāng)然，馬士基也承認(rèn)，從服務(wù)的第一天起，為船舶找到足夠的碳中性甲醇將是“具有挑戰(zhàn)性的”。能夠同時(shí)使用甲醇和傳統(tǒng)石油衍生的低硫船用燃料的額外設(shè)計(jì)成本將占船舶總價(jià)的10%～15%。該公司計(jì)劃盡快在新船中使用碳中性e-甲醇，或可持續(xù)生物甲醇。

據(jù)了解，目前在馬士基全球200家大客戶中，有一半以上已經(jīng)為其供應(yīng)鏈設(shè)定或正在設(shè)定宏偉的科學(xué)減排或零碳目標(biāo)。馬士基將繼續(xù)探索多種碳中和燃料途徑，并期望未來有多種燃料解決方案并存，甲醇（電制甲醇和生物甲醇）、醇木質(zhì)素混合物和氨都將是未來燃料的選擇。

化石燃料接班候選人

如果真的為化石燃料設(shè)置一個(gè)期限，那么屆時(shí)將有誰來接班呢？除了馬士基選用的甲醇外，總結(jié)行業(yè)內(nèi)近年來的研究與實(shí)踐，目前已有的接班候選人包括有液化天然氣（LNG）、電池、氫氣、氨氣、以及其他輔助推進(jìn)能源（例如風(fēng)能）等一系列動(dòng)力技術(shù)。

LNG是目前市場(chǎng)對(duì)于航運(yùn)業(yè)邁向零碳未來的認(rèn)可度最高的最佳過渡燃料選項(xiàng)。經(jīng)歷了過去幾年來不斷增長(zhǎng)的新船訂單量以及創(chuàng)紀(jì)錄的交付量，全球LNG船船隊(duì)運(yùn)力首度突破1億立方米。從能源供應(yīng)分布來看，LNG儲(chǔ)存量、可開采量、探明量都十分豐富，因此，LNG是業(yè)界可采取、可立即實(shí)施的應(yīng)對(duì)方案，且LNG已有半個(gè)世紀(jì)的成功應(yīng)用記錄。因此，行業(yè)普遍認(rèn)為L(zhǎng)NG是當(dāng)下最安全、經(jīng)過驗(yàn)證的、有競(jìng)爭(zhēng)力的可用船用燃料,這是其他可再生能源不具備的?？死松虼祟A(yù)測(cè)，未來幾年LNG船船隊(duì)將繼續(xù)成為世界運(yùn)輸船隊(duì)中增長(zhǎng)最快的船型領(lǐng)域之一，到2025年LNG船數(shù)量甚至可能超過VLCC。但隨著環(huán)保進(jìn)程的推進(jìn)，人們逐漸意識(shí)到，LNG并不是真正的清潔能源。

電池作為一種環(huán)境友好型的船舶燃料選項(xiàng)，已經(jīng)在航運(yùn)領(lǐng)域逐步推廣并初具市場(chǎng)規(guī)模，尤其是在歐洲。真正意義上的全球首艘大型純電動(dòng)力船舶“Ampere(安培)”號(hào)于2014年由挪威Fjellstrand船廠建造，電池容量為1.86MWh，船長(zhǎng)80米，能運(yùn)載120輛汽車和360名乘客，用于挪威Lavik與Oppedal兩座城鎮(zhèn)之間橫跨松恩峽灣的運(yùn)輸，每天共發(fā)34班，每班航行時(shí)間為20分鐘，在港期間只需10分鐘即可充滿。知名的全球首艘智能船舶“YARA Birkeland”號(hào)也采用了純電動(dòng)力。除了純電動(dòng)力船舶外，一些船型較大的船舶正開始采用柴電混合或LNG+電混合動(dòng)力技術(shù)，用以節(jié)省燃料消耗，降低廢氣排放量。

氫(H)是宇宙中含量最高的物質(zhì)。在《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書 2019》中，氫能被歸屬為清潔低碳能源，其在船應(yīng)用目前仍處于起步階段，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，氫燃料是航運(yùn)業(yè)零排放解決方案的重點(diǎn)發(fā)展方向。業(yè)界正圍繞氫燃料在內(nèi)河和近海船舶上的應(yīng)用開展試點(diǎn)研究，相關(guān)船用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)裝備、基礎(chǔ)設(shè)施等正在逐步建立、發(fā)展和完善。基于燃料在全生命周期溫室氣體排放，未來的制氫方式將從化石能源轉(zhuǎn)向可再生能源制取。

2006年，汽車滾裝船THE METHAPU PROJECT，配備瓦錫蘭公司W(wǎng)FC20燃料電池，SOFC燃料電池，高溫燃料電池系統(tǒng)，船舶上儲(chǔ)存甲醇作為燃料，配備整裝裝置轉(zhuǎn)化為氫氣使用，20kW，測(cè)試項(xiàng)目。2003年挪威，平臺(tái)供應(yīng)船Viking Lady，混合推進(jìn)，MTU公司MCFC燃料電池，電池工作溫度650℃，額定功率320kW，效率50%，輸出3x440VAC，功率密度為12kW/m3,。該項(xiàng)目運(yùn)行7000余小時(shí)，電池堆未發(fā)生主要故障，實(shí)測(cè)效率達(dá)到44%，LNG重整制氫。2000年投入運(yùn)營(yíng)的世界上第一艘采用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的渡輪Glutra，F(xiàn)C系統(tǒng)裝在一個(gè)20英尺集裝箱，并在甲板上方安裝，帶重整裝置。綜合國內(nèi)外氫燃料電池船舶的情況來看，當(dāng)下海事以測(cè)試項(xiàng)目為主，且示范船舶功率均不大，并以輔助能源為主，離商業(yè)運(yùn)營(yíng)尚存距離。

圖2 Oceanbird風(fēng)帆動(dòng)力概念船

圖3 全球首艘應(yīng)用天帆技術(shù)的貨輪“白鯨天帆”號(hào)

氨是未來零碳解決方案的重要發(fā)展方向之一。作為一種重要的化工原料，氨屬于定價(jià)透明的全球商品，有著豐富的工業(yè)使用經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)、運(yùn)輸、交易市場(chǎng)相當(dāng)成熟。從燃料角度考慮，氨不含碳，其能量密度與甲醇相當(dāng)，是氫的2倍，且氨易于液化，較為安全，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，是一種理想的能量來源。但氨作為燃料應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)極少，燃燒性能較差，且仍會(huì)產(chǎn)生氮氧化物排放，尚無實(shí)際使用氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的案例。

風(fēng)能，這項(xiàng)古老的能源因?yàn)楹竭\(yùn)減排的推進(jìn)再次回歸到人們的視野，并極具競(jìng)爭(zhēng)力。利用清潔、可再生的風(fēng)能作為輔助能源推進(jìn)船舶可在保持船舶航速不變的同時(shí)減小燃油消耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。而近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，已不再是古老的風(fēng)帆樣式，如軟質(zhì)帆，而是更多適應(yīng)于當(dāng)下環(huán)境和需求的新式風(fēng)帆。目前船舶應(yīng)用風(fēng)帆包括翼型風(fēng)帆，代表有瑞典船舶設(shè)計(jì)與管理公司W(wǎng)allenius Marine正在與瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)以及SSPA公司聯(lián)合開展的風(fēng)帆動(dòng)力汽車運(yùn)輸船(wPCC)研發(fā)項(xiàng)目推出的名為Oceanbird的概念船型，號(hào)稱是全球最大的風(fēng)帆動(dòng)力貨船，相比現(xiàn)有船舶，該船碳排放可降低90%；旋筒風(fēng)帆，是大型圓柱形機(jī)械風(fēng)帆，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生壓力差，稱之為馬格努斯效應(yīng)(Magnus Effect)，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)，為船舶提供輔助風(fēng)動(dòng)力，達(dá)到降低燃料消耗、減少污染排放、優(yōu)化能效利用的效果。2018年，馬士基集團(tuán)旗下的馬士基油輪Maersk Tankers公司，首次在其成品油船“MAERSK PELICAN”號(hào)上嘗試?yán)昧诉@一風(fēng)能技術(shù)推進(jìn)航行；天帆，形似風(fēng)箏，由牽引繩索與船體相連，下掛控制吊艙，裝有控制器件與驅(qū)動(dòng)器件，以控制風(fēng)帆飛行姿態(tài)。全球首艘應(yīng)用該技術(shù)的是貨輪“白鯨天帆”號(hào)(Beluga SkySails)，風(fēng)力最理想的狀況下最高可省下一半的燃料。其優(yōu)點(diǎn)在于可利用上層最穩(wěn)定而強(qiáng)勁的風(fēng)力，且不占用甲板面積。

推廣前的工作有哪些

經(jīng)過了前期的研究與篩選，已經(jīng)選出了不少可供選擇的清潔燃料，那么想要將其推廣應(yīng)用還需要做哪些工作呢？

首先是儲(chǔ)運(yùn)問題。新的燃料應(yīng)用在船上，安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸是其應(yīng)用的關(guān)鍵問題。以氫燃料為例，一要解決“氫脆”（氫對(duì)材料產(chǎn)生影響，使其強(qiáng)度變差導(dǎo)致脆化甚至開裂）的問題；二要解決儲(chǔ)運(yùn)問題。液態(tài)氫要在低于-253℃以下低溫存儲(chǔ)，相比液態(tài)天然氣所需的-160℃，技術(shù)難度提高了很多。在同等條件下，液氨在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下-33℃就能夠?qū)崿F(xiàn)液化，其運(yùn)輸難度相對(duì)更低。但是，液氨具有較強(qiáng)的腐蝕性，同時(shí)不論是將氫氣、氮?dú)夂铣砂睔膺€是將氨氣轉(zhuǎn)換為氫氣，都將有一定的損耗，這一反應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率也有待提高。

其次，續(xù)航能力問題。這是衡量船舶經(jīng)濟(jì)性和效率的重要指標(biāo)之一。以目前的氫燃料電池為例，其續(xù)航能力很難滿足船舶，尤其是無法滿足遠(yuǎn)洋船舶的需求。原因之一是氫燃料電池功率密度不夠大，續(xù)航力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足遠(yuǎn)洋船舶需求，只能作為輔助能源來使用。再比如，風(fēng)能的應(yīng)用由于風(fēng)帆自身的局限性，使得大多數(shù)的船隊(duì)在使用風(fēng)帆前進(jìn)時(shí)容易受到風(fēng)向的問題，從而造成船舶前進(jìn)的不穩(wěn)定性，如果遇到惡劣的天氣更是容易發(fā)生意外。因此風(fēng)能應(yīng)用只能被用作輔助手段。

第三，燃料相關(guān)問題。每種備選燃料都存在不確定性，包括何時(shí)何地供應(yīng)、供應(yīng)量以及價(jià)格。這些備選燃料對(duì)于船舶行業(yè)而言均屬于新燃料，大都還處于研發(fā)階段，更別提相關(guān)法規(guī)是否完善，基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備供應(yīng)是否配套，設(shè)計(jì)、工藝水平是否滿足需求等。此外，新燃料船舶無論新造還是改造的成本都使得營(yíng)運(yùn)成本一直居高不下，經(jīng)濟(jì)性較差。馬士基訂購的16000TEU級(jí)甲醇雙燃料動(dòng)力超大型集裝箱船的造價(jià)就高達(dá)1.76億美元一艘，相較同噸級(jí)普通綠色節(jié)能船舶高出約30%。燃料價(jià)格方面，由于處于應(yīng)用初期，生產(chǎn)和供應(yīng)鏈條都還未建立起來，燃料費(fèi)用相對(duì)較高，但可以預(yù)期的是，未來推廣普及后將會(huì)下降至合理范圍。

第四，配套基礎(chǔ)設(shè)施不完善。未來想要推廣普及選定燃料，就需要提前規(guī)劃加注碼頭等配套基礎(chǔ)設(shè)施的分布及建設(shè)，以滿足新燃料動(dòng)力船舶的推廣與發(fā)展。此外，還需要有計(jì)劃的培養(yǎng)相關(guān)船舶維修專業(yè)團(tuán)隊(duì)等，以保障新燃料船舶的正常運(yùn)營(yíng)。

第五，技術(shù)規(guī)范的建立。沒有規(guī)矩不成方圓，盡管現(xiàn)在還處于探索起步階段，但新燃料應(yīng)用的有序、可持續(xù)發(fā)展一定是需要有規(guī)范的護(hù)航。因此，在研發(fā)的同時(shí)，相關(guān)技術(shù)規(guī)范的建立也需要同步進(jìn)行，且不斷完善。盡管在初期過程中難免會(huì)出現(xiàn)規(guī)范指導(dǎo)盲區(qū)或?qū)Ψㄒ?guī)理解不一致的情況，造成船舶設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝不合規(guī)定的事情時(shí)有發(fā)生，增加了船舶建造成本和影響了建造完工時(shí)間。但隨著經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)法規(guī)的不斷完善，這種情況會(huì)得以解決。

第六，新燃料動(dòng)力操作專業(yè)船員隊(duì)伍的培養(yǎng)。參考目前應(yīng)用相對(duì)成熟的LNG動(dòng)力船舶，MSC.396(95)決議明確要求LNG燃料動(dòng)力船舶船員經(jīng)過強(qiáng)制性培訓(xùn)和資質(zhì)的最低要求。其他新燃料的應(yīng)用也應(yīng)如此。船員只有接受了專業(yè)的培訓(xùn)，上崗后才能保障船舶及人命的安全。