船舶低碳技術(shù)未來發(fā)展重點方向

中國船舶工業(yè)經(jīng)濟與市場研究中心 樊志遠 江文成

2019 年5月13日，國際海事組織（IMO）海上環(huán)境保護委員會（MEPC）第74屆會議在倫敦召開，有關(guān)降低船舶碳排放的措施成為國際關(guān)注重點。作為全球航運業(yè)監(jiān)管機構(gòu)，IMO一直以來都在推動航運業(yè)溫室氣體減排工作。2018年4月，IMO制定了航運業(yè)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，提出到2050年航運業(yè)溫室氣體排放相比2008年至少降低50%，這也是全球航運業(yè)首個關(guān)于溫室氣體減排的戰(zhàn)略。面對碳減排目標(biāo)，船舶工業(yè)將從何處著手，未來船舶低碳技術(shù)將何去何從。本文對當(dāng)前船舶低碳技術(shù)進行了匯總分析，并在此基礎(chǔ)上對未來低碳技術(shù)發(fā)展重點方向進行分析，旨在為行業(yè)提供參考。

當(dāng)前船舶低碳技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）作為當(dāng)前IMO控制船舶溫室氣體排放的主要手段，其數(shù)值越低代表船舶CO2排放越低。2011年，IMO通過了船舶能效設(shè)計指數(shù)，該指數(shù)代表船舶將單位載重量貨物運輸單位距離產(chǎn)生的溫室氣體排放。根據(jù)IMO要求，船舶EEDI從2015年開始分三個階段實施，目前處于第一階段，EEDI要求低于基準線10%；第三階段將從2025年1月1日開始，船舶EEDI需低于基線30%。

從當(dāng)前新建船舶滿足EEDI要求來看，基本滿足EEDI第二階段要求，部分船舶也能滿足第三階段要求，但大型船舶（尤其是散貨船和油船）滿足EEDI第三階段的難度較大。而從IMO近期動向來看，其關(guān)于EEDI的要求逐漸趨嚴，在MEPC 74會議上，針對集裝箱船、普通雜貨船、LNG運輸船、非傳統(tǒng)推進郵輪和15000DWT及以上氣體運輸船等12種船型的船舶EEDI第三階段實施時間已經(jīng)提前至2022年，其中集裝箱船EEDI折減率根據(jù)不同噸位在原有基礎(chǔ)上有所提升。

從目前EEDI的執(zhí)行力度來看，其距離IMO實現(xiàn)2050年航運業(yè)溫室氣體減排50%的目標(biāo)還有差距，當(dāng)前的EEDI規(guī)定或?qū)H是航運業(yè)乃至船舶工業(yè)低碳排放過程的一個階段性政策工具，未來不排除繼續(xù)修訂更為嚴格的碳排放減排規(guī)定，甚至很有可能致力于實現(xiàn)航運業(yè)零排放，如若實現(xiàn)，船舶工業(yè)將面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

目前業(yè)界較為公認的降低EEDI的措施主要包括使用新燃料（如LNG、甲醇、乙烷等）、新能源（如風(fēng)能、太陽能、燃料電池等）、船型優(yōu)化、安裝節(jié)能裝置、低速航行等。國外船舶企業(yè)已在相關(guān)領(lǐng)域開展了大量研究，技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先，尤其是在前瞻性技術(shù)研究方面。例如MAN、瓦錫蘭、羅·羅等企業(yè)是雙燃料發(fā)動機和純氣體機領(lǐng)域的市場領(lǐng)導(dǎo)者；芬蘭Norsepower公司旋筒風(fēng)帆已應(yīng)用于豪華客滾船；ABB正在開展燃料電池在船舶上的應(yīng)用研究；日本郵船正在開展零排放船舶研究等。

除了船舶企業(yè)積極開展綠色船舶研發(fā)，一些航運公司也在大力推動綠色船舶運營。2018年12月，丹麥馬士基航運公司宣布計劃到2050年旗下船隊實現(xiàn)溫室氣體零排放，并且2030年首先實現(xiàn)零排放集裝箱船的商業(yè)運營，這一目標(biāo)與IMO提出的2050年溫室氣體減排50%相比也大幅提高。

我國在綠色船舶領(lǐng)域也開展了大量研究，取得了一系列成果，部分技術(shù)研究處于世界先進水平。例如外高橋開發(fā)的32萬噸VLCC EEDI低于基準線37.5%，達到第三階段要求，是目前獲得船級社認可的最大噸位雙燃料超大型油船；安慶中船柴油機有限公司研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的純天然氣發(fā)動機已獲得批量訂單；中遠海運已在汽車運輸船“中遠騰飛”號上安裝了太陽能面板等。

總體來看，我國在綠色船舶領(lǐng)域的研究能夠滿足現(xiàn)階段IMO相關(guān)綠色環(huán)保要求，但面向未來更高綠色環(huán)保要求的前瞻性技術(shù)研究仍落后于國外，而且我國建造的綠色船舶部分核心配套設(shè)備如雙燃料發(fā)動機、尾氣減排裝置等仍大量依賴國外產(chǎn)品。

船舶低碳技術(shù)發(fā)展重點方向

從船舶低碳排放實現(xiàn)手段來看，目前造船界還沒有成熟的解決方案，DNV GL此前曾表示，航運業(yè)要實現(xiàn)IMO溫室氣體減排50%的目標(biāo)難度很大，潛在的技術(shù)措施包括LNG燃料、碳中性燃料、電池動力等。另外，按照日本郵船推出的零排放船舶概念設(shè)計“NYK Super Eco Ship 2050”，其通過使用燃料電池、太陽能面板、電力推進系統(tǒng)、空氣潤滑系統(tǒng)、輕質(zhì)材料等技術(shù)措施實現(xiàn)航行過程中不產(chǎn)生溫室氣體排放。

雖然目前無法預(yù)測未來低排放船舶的具體形式，但從DNV GL和日本郵船的研究來看，從實現(xiàn)減排目的角度來看，未來業(yè)界基本將圍繞船舶總體優(yōu)化和船舶動力變革兩個維度展開多種低碳技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

1、船舶總體優(yōu)化

船舶總體優(yōu)化主要圍繞四個方面開展，一是通過型線優(yōu)化降低阻力；二是通過推進系統(tǒng)優(yōu)化，提高推進效率和燃油效率；三是應(yīng)用新材料，通過降低船舶質(zhì)量降低能耗；四是通過安轉(zhuǎn)節(jié)能裝置，降低船舶能耗。

（1）船舶型線優(yōu)化

雖然基于傳統(tǒng)的船型優(yōu)化有段降低船體阻力空間有限，且不同船型減阻效果差異也較大，但隨著人工智能及大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，使得船型多維度參數(shù)大范圍優(yōu)化成為可能。美國在汽車車身及零部件、飛機氣動外形、螺旋槳等領(lǐng)域已經(jīng)成功應(yīng)用智能化設(shè)計技術(shù)，提高設(shè)計效率的同時，性能也有顯著提升，而在船體型線設(shè)計領(lǐng)域，美、日、韓、歐等國家也著手開展船型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、數(shù)據(jù)挖掘、專家系統(tǒng)構(gòu)建和三維型線設(shè)計等技術(shù)研究，并在此基礎(chǔ)上初步開展了人工智能在船型設(shè)計方面的探索研究。

（2）推進系統(tǒng)優(yōu)化

得益于數(shù)值仿真、拓撲優(yōu)化等技術(shù)的發(fā)展，使得新型高效推進裝置成為可能，如美國Sharrow Engineering公司推出新型高效螺旋槳方案，其結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)螺旋槳有較大不同，推進效率較標(biāo)準系列螺旋槳推進效率提高9%～15%。此外隨著信息技術(shù)和發(fā)動機技術(shù)的不斷發(fā)展，通過發(fā)動機技術(shù)改進并配合智能管控系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)降低能耗延長使用壽命的目的。

（3）新材料應(yīng)用

得益于新材料技術(shù)及3D打印、合金激光焊接等先進材料加工技術(shù)的飛速發(fā)展，碳纖維、高強合金等新型材料在船舶建造過程中的應(yīng)用范圍逐步擴大。短期來看，碳纖維材料雖然更輕，性能也更好，但由于原材料制備及加工成本較高，造船市場廣泛應(yīng)用仍不現(xiàn)實，主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒁躁P(guān)鍵構(gòu)件及小型船艇為主；高強合金由于強度高、質(zhì)量輕，在大型船艇將會有更大應(yīng)用市場，尤其對于大型客滾船、豪華郵輪、大型渡船等上部結(jié)構(gòu)較高的船型，合金的應(yīng)用將有利于重心控制和質(zhì)量控制。

（4）節(jié)能裝置

從研發(fā)布局來看，未來船舶行業(yè)比較熱衷的節(jié)能裝置將以空氣潤滑系統(tǒng)、節(jié)能附體等為主，其中，空氣潤滑系統(tǒng)由于降阻效果顯著，歐、日、韓等主要造船國家在開發(fā)空氣潤滑系統(tǒng)加大研發(fā)和應(yīng)用力度，日本最新提出的零排放船舶中也有提到應(yīng)用空氣潤滑系統(tǒng)，也表明該裝置具有較好的應(yīng)用前景；節(jié)能附體主要包括米維斯導(dǎo)管、預(yù)旋定子等裝置，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，不過在不同節(jié)能附體組合使用下的效果目前少有研究，有望成為研究的一個熱點。

2、船舶動力變革

船舶動力變革主要圍繞三類能源方式展開，一是LNG等清潔燃料；二是采用電池動力；三是可再生能源。

（1）清潔燃料

從供應(yīng)端來看，未來具備應(yīng)用基礎(chǔ)的低碳燃料主要以LNG為主。LNG作為目前應(yīng)對EEDI第三階段最為有效的方式，當(dāng)前已實現(xiàn)對主要船型的全面覆蓋，包括油船、散貨船、集裝箱船、汽車運輸船、超大型礦砂船、郵輪等。從碳排放角度來看，對于集裝箱船、小型油船及散貨船，使用LNG等清潔能源作為動力并輔之以其它減排措施，能夠達到碳減排50%的目標(biāo)；但對于大型船舶尤其是VLCC及好望角型散貨船來講，將很難滿足IMO碳排放降低50%的目標(biāo)，需要尋找其他替代性燃料。

（2）電力驅(qū)動

從動力來源來看，電力驅(qū)動主要包括燃料電池和蓄電池兩種動力形式。

對于燃料電池動力形式，從應(yīng)用效果來看，氫燃料電池是未來航運業(yè)的首選，尤其是近年來燃料電池技術(shù)的不斷進步，使得氫燃料電池在船舶領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)，但從碳排放角度來看，當(dāng)今幾乎所有商業(yè)化氫燃料均源自工業(yè)生產(chǎn)，按照DNV GL的研究，過程中產(chǎn)生的二氧化碳水平實際高于重油從開采到主機消耗過程，而用可再生電力電解水產(chǎn)生的氫氣成本較為昂貴，諸多限制性因素使得船用氫燃料電池廣泛應(yīng)用尚不具備基礎(chǔ)，不過隨著可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的持續(xù)改進，氫燃料電池注定會逐步推廣應(yīng)用，倘若IMO后續(xù)繼續(xù)出臺更加嚴厲的碳排放政策，甚至實現(xiàn)零排放，氫燃料電池?zé)o疑是首選。

對于蓄電池動力形式，在節(jié)能減排的政策逐步趨嚴的大背景下，隨著港口及河岸電力設(shè)施的逐步完備，全電力推進技術(shù)在內(nèi)河運輸船及港口作業(yè)船等領(lǐng)域應(yīng)用范圍不斷擴大，但在長距離運輸船領(lǐng)域應(yīng)用范圍仍然有限，雖然柴油+電力驅(qū)動雖然能夠解決長距離運輸動力供應(yīng)問題，但與IMO航運業(yè)碳排放降低50%的目標(biāo)仍相差一段距離。一種潛在的解決方案是燃料電池+蓄電池動力模式，國外也在開展相關(guān)的研究，在降低排放和長距離運輸需求的雙重壓力下，燃料電池+蓄電池電力驅(qū)動有可能是未來船舶低碳技術(shù)突破的重要方向。

（3）可再生能源

從目前國內(nèi)外船舶領(lǐng)域可再生能源利用研發(fā)力度來看，未來船舶可再生能源利用將主要集中在兩個層面，一是安裝太陽能、風(fēng)能等可再生能源利用裝置；二是碳中和燃料。

國內(nèi)外在太陽能及風(fēng)能利用方面均已經(jīng)實現(xiàn)實船應(yīng)用，從技術(shù)應(yīng)用成熟度來看，太陽能利用裝置主要包括集中在太陽能電池板或薄膜太陽能電池領(lǐng)域，通過太陽能電池產(chǎn)生電能，用于提供輔助性電力供應(yīng)；風(fēng)能利用裝置主要包括風(fēng)帆、風(fēng)筒、天帆等，用來在船舶航行時提供額外助推力，從而達到降低主機能耗的目的?？傮w來看，未來風(fēng)能和太陽能仍將作為船舶可再生能源利用的重點方向，但由于易受到天氣狀況影響，故只能作為輔助性節(jié)能措施。

碳中和燃料是可再生能源開發(fā)利用的重要方向，國內(nèi)外在碳中和燃料研發(fā)方面正在開展積極研究，并取得一系列進展。由于碳中和燃料以生物質(zhì)為基礎(chǔ)，來源廣泛且可再生，使得碳中和燃料成為未來船舶燃料推廣應(yīng)用的重要方向。

推動船舶低碳技術(shù)發(fā)展的建議

從國內(nèi)外船舶發(fā)展趨勢來看，低碳技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用將越來越廣泛和深入，為此，筆者提出如下幾點建議：

一是密切關(guān)注國際公約動向。一方面做好相關(guān)政策應(yīng)對措施準備，并積極參與公約制定，爭取行業(yè)話語權(quán)；另一方面充分發(fā)揮政策導(dǎo)向作用，鼓勵、推動船舶企業(yè)及相關(guān)科研院所開展船舶低碳技術(shù)攻關(guān)，做好船型儲備。

二是堅持補齊短板與重點研發(fā)齊頭并進。一方面，建議業(yè)界加快雙燃料發(fā)動機及新型燃料發(fā)動機研發(fā)步伐，打造系列化、標(biāo)準化動力產(chǎn)品供應(yīng)體系；另一方面建議業(yè)界以氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈、LNG燃料電池應(yīng)用技術(shù)、大功率電力儲能系統(tǒng)為重點突破口，加大研發(fā)力度，依托國內(nèi)市場加快技術(shù)推廣應(yīng)用，形成應(yīng)用示范效應(yīng)和規(guī)模化應(yīng)用，全面推動航運業(yè)減排。

三是充分借鑒其他行業(yè)技術(shù)。充分借鑒我國在光伏、新能源汽車電池技術(shù)等領(lǐng)域的成熟技術(shù)，圍繞技術(shù)同心圓和產(chǎn)業(yè)同心圓，充分借鑒國內(nèi)其他行業(yè)成熟技術(shù)、發(fā)揮產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應(yīng)和推動技術(shù)跨界融合，全面推動船舶低碳技術(shù)的發(fā)展。