2020年,船舶動力的脫碳之路

本刊記者 王思佳

動力，是船舶進(jìn)行海上貿(mào)易的必備要素。如要實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，最簡單直接，最有效的方法便是從動力入手。

船舶，是海上貿(mào)易運(yùn)輸?shù)闹匾d體，亦是航運(yùn)業(yè)排放污染的重要來源。海上運(yùn)輸所造成的絕大部分污染（包括硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳和顆粒物等），大都來源于為這一重要載體提供動力的船用燃料。據(jù)了解，化石燃料的燃燒約占人為溫室氣體排放的二氧化碳排放量的四分之三。

為應(yīng)對氣候變暖，減少航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放，全球航運(yùn)業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)國際海事組織（IMO）于2018年4月通過了全球首份航運(yùn)業(yè)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，提出到2050年溫室氣體年度總排放量與2008年相比至少減少50%，并努力逐步實(shí)現(xiàn)零碳目標(biāo)。選用清潔的新能源或新動力技術(shù)將是航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)最終減排目標(biāo)的重要途徑之一。

LNG：完美與適合，哪個更重要？

隨著國際社會對于環(huán)保的日益關(guān)注，尋找安全且價格合理的替代清潔能源的需求不斷攀升，這必將導(dǎo)致國際能源結(jié)構(gòu)的重構(gòu)。此外，隨著2020年腳步的臨近，幾大重量級環(huán)保法規(guī)將陸續(xù)生效，包括IMO限硫法規(guī)的生效、船能效設(shè)計指數(shù)（EEDI）進(jìn)入第三階段等，盡快找到合適的替代清潔能源顯得更為急迫。

隨著航運(yùn)業(yè)減排進(jìn)程的不斷推進(jìn)，作為替代能源代表選手的液化天然氣（LNG）逐漸嶄露頭角。據(jù)全生命周期（Well-to-Wake）研究證實(shí)，使用LNG作為船用燃料可以帶來顯著的環(huán)境效益，與當(dāng)前和2020年以后的油基船用燃料相比，可減少21%的排放。與常規(guī)船用燃料相比，使用LNG作為船用燃料可以將硫氧化物降至幾乎為零，氮氧化物降低95%，顆粒物降低99%。

尤其近幾年，全球LNG需求迎來爆發(fā)式增長，使得LNG在世界能源結(jié)構(gòu)中的地位不斷被拉高。盡管全球LNG消費(fèi)在2011年～2016年期間只增長了1700萬噸。但在2017年和2018年，LNG需求猛增至6300萬噸。2018年，全球LNG市場規(guī)模更是達(dá)到了3.2億噸。究其原因，很大程度是因?yàn)镮MO下屬海上環(huán)境保護(hù)委員會在2016年10月召開的第70次會議上通過的一項(xiàng)決議——2020年1月1日起，全球船用燃料硫排放上限從目前的3.5%下調(diào)至0.5%。值得注意的是，今年2月，IMO污染預(yù)防及響應(yīng)分委會起草了有關(guān)防治船舶污染的《MARPOL公約》修正案，禁止船舶運(yùn)載不符合標(biāo)準(zhǔn)的燃料油，這意味著，除安裝廢氣處理裝置的船舶外，禁止船舶運(yùn)載任何硫含量超過0.5%的燃料油。這直接或間接地導(dǎo)致了LNG燃料需求的波動，將LNG的應(yīng)用推向了又一高潮。

近日，景順資產(chǎn)管理公司資深投資組合經(jīng)理Justin Leverenz 在其最新報告中也表達(dá)出了他對LNG市場的期許。他表示十分看好LNG在未來十年的表現(xiàn)。他預(yù)計，未來十年，LNG市場規(guī)模將在2018年的基礎(chǔ)上翻番。

然而，就在LNG燃料的發(fā)展一路高歌猛進(jìn)的時候，有人對其“清潔”屬性提出了質(zhì)疑，甚至呼吁IMO將LNG“踢出”全球溫室氣體減排戰(zhàn)略。

在IMO MEPC75次會議前夕，環(huán)保組織清潔航運(yùn)聯(lián)盟(Clean Shipping Coalition)向IMO遞交了一份技術(shù)報告，聲稱LNG燃料中的甲烷成分將加快溫室氣體排放總量的增長，盡管它的含碳量較重燃油要低。該組織呼吁IMO將LNG從低碳替代燃料的名單中剔除。清潔航運(yùn)聯(lián)盟還表示，從長遠(yuǎn)來看，在幫助航運(yùn)業(yè)實(shí)現(xiàn)2016年巴黎協(xié)定設(shè)置的溫室氣體減排目標(biāo)上，LNG是沒有未來的。該組織認(rèn)為，IMO的溫室氣體減排戰(zhàn)略應(yīng)當(dāng)關(guān)注“真正的”低碳燃料。

清潔航運(yùn)聯(lián)盟在提案中提到：“作為一種暫時呈現(xiàn)液態(tài)但在自然狀態(tài)下為氣態(tài)的化石燃料，LNG大部分由甲烷構(gòu)成。甲烷不僅是一種燃料，自身還是一種強(qiáng)大的溫室氣體……盡管其生命周期很短(大約10到12年)，但以100年時間來計算，每克化石甲烷對氣候造成的直接影響卻是等量二氧化碳的30倍。換句話來說，甲烷在10到12年里給地球產(chǎn)生的熱量是等量二氧化碳在100年里產(chǎn)生的30倍?！?/p>

其實(shí)，有關(guān)對LNG“清潔”屬性的質(zhì)疑早已存在，但行業(yè)有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，雖然LNG燃料并不是一種十全十美的最終方案，但是在溫室氣體減排方面，LNG確實(shí)擁有巨大優(yōu)勢，LNG將是航運(yùn)業(yè)通往零排放目標(biāo)的最佳過渡能源。而且不可否認(rèn)，在未來幾年內(nèi)，LNG船舶將是所以替代燃料中應(yīng)用最廣泛的一種。

本次清潔航運(yùn)聯(lián)盟的這份提議將LNG的問題搬上了臺面，且不論清潔航運(yùn)聯(lián)盟的提議最終會對IMO的決策產(chǎn)生多大影響，至少可以肯定的是，它為LNG燃料的長遠(yuǎn)發(fā)展增添了更多不確定性。當(dāng)下，越來越多的船東為了滿足減排要求而選擇訂造LNG動力船舶，清潔航運(yùn)聯(lián)盟的提議會對這個日益龐大的群體帶去何影響，我們目前還不得而知。

新/替代燃料：誰將取代石油？

且不論LNG燃料最終發(fā)展將走向何方，從理論上來說，其作為不可再生能源總有資源耗盡的一天。因此，為了航運(yùn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，業(yè)界不得不加快挖掘其他可行的替代燃料的步伐。而氣候變化因素也必將推動全球能源供應(yīng)向低碳或零碳轉(zhuǎn)型。

目前，市場已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的可用于為船舶提供動力的替代燃料主要有LNG、液化石油氣（LPG）、甲醇、生物燃料、氫氣和氨氣。據(jù)中國船舶工業(yè)經(jīng)濟(jì)與市場研究中心科技與配套部部長翁雨波介紹，LPG與LNG類似，也是全球海運(yùn)的重要能源。目前，MAN已經(jīng)開發(fā)出ME-LGIP低速機(jī)，其可以以LPG為燃料，全球有4艘5.5萬載重噸采用LPG為燃料的LPG船正在建造中。甲醇屬于可再生能源，也是全球海運(yùn)的重要化學(xué)品，近年來，MAN已經(jīng)開發(fā)了ME-LGI系列發(fā)動機(jī)，可采用甲醇作為燃料。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前全球已有7艘甲醇運(yùn)輸船采用甲醇作為燃料，另有4艘正在建造中。乙烷也是全球貿(mào)易的重要化學(xué)品，MAN已經(jīng)開發(fā)了ME-GIE系列發(fā)動機(jī)，可以采用乙烷作為燃料。目前全球已有4艘乙烷運(yùn)輸船采用乙烷作為燃料，另有2艘正在建造中。生物燃料屬于可再生能源，目前ABC、Scania等發(fā)動機(jī)廠商已經(jīng)開發(fā)出了生物燃料柴油機(jī)。目前全球有5艘采用生物燃料為動力的船舶，另有4艘正在建造中，主要船型為客渡船。此外，馬士基等也在試驗(yàn)在傳統(tǒng)燃油中添加生物燃料的方式，從而達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的效果。目前，氫燃料研究相對較少。在2017年，比利時公司Cie. Maritime BelgeSA（CMB）完成了雙燃料氫動力渡輪Hydroville的建造，這是全球第一艘通過認(rèn)證的柴油和氫能雙燃料動力內(nèi)燃機(jī)客船。

IMO秘書長林基澤（Kitack Lim）認(rèn)為，IMO的雄心只有通過技術(shù)創(chuàng)新的研發(fā)應(yīng)用和引進(jìn)替代燃料才能實(shí)現(xiàn)，這意味應(yīng)盡快運(yùn)用低碳排放或零碳排放燃料。那么，未來誰將在這場零排放競賽中最終勝出，成為石油的替代者？目前業(yè)界呼聲最高的當(dāng)屬氫氣和氨氣。

圖1 全球首艘柴油和氫雙燃料動力內(nèi)燃機(jī)客船Hydroville號

倫敦大學(xué)學(xué)院能源學(xué)會(UCL Energy Institute)的Tristan Smith博士表示：“從長遠(yuǎn)來看，未來的燃料將是某種氫基燃料?！盌NV GL首席顧問Tore Longva也認(rèn)為：“到2050年，氫燃料和氨燃料將取代化石燃料，用于船舶發(fā)動機(jī)?！睋?jù)零排放船舶技術(shù)協(xié)會的Madadh Maclaine表示：“目前氫氣已經(jīng)在許多小型船舶中成功部署，并且有擴(kuò)大規(guī)模的潛力?！?/p>

2017年，全球首艘柴油和氫雙燃料動力內(nèi)燃機(jī)客船Hydroville在比利時最大港口安特衛(wèi)普誕生。相比于仍會產(chǎn)生二氧化碳的LNG，氫氣完全燃燒的唯一反應(yīng)產(chǎn)物只有水。據(jù)介紹，隨著制氫成本的逐步下降，Hydroville號使用的混合燃料中的氫氣占比未來將達(dá)到80%以上。今年9月，比利時海事集團(tuán)（CMB）的全球首艘氫動力拖船——Hydrotug號的建造項(xiàng)目也已啟動。未來，比利時海事集團(tuán)還將繼續(xù)加碼氫-柴油雙燃料技術(shù)，計劃在未來兩年內(nèi)于安特衛(wèi)普港投入裝備新型發(fā)動機(jī)的拖船和駁船，并在十年內(nèi)推出全球第一艘基于氫內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的集裝箱船。此外，由Point和Sandwick Trust牽頭額蘇格蘭西部群島氫動力渡船運(yùn)輸（SWIFTH2）項(xiàng)目也已啟動，這一研究項(xiàng)目評估了在渡船公司Caledonian MacBrayne服務(wù)于蘇格蘭西部群島的現(xiàn)有9條航線上部署氫動力客渡船的可行性。這意味著，服務(wù)于蘇格蘭西部群島和西海岸的渡船不久后或?qū)⒂申懮蠉u嶼風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的氫氣提供動力。今年6月，荷蘭船舶設(shè)計公司C-Job Naval Architects公布了其所進(jìn)行的氨氣作為船用燃料的可行性研究報告。根據(jù)C-Job的研究結(jié)果顯示，氨氣可以安全有效地作為船用燃料，以便減少海運(yùn)業(yè)有害氣體排放。該研究將采用一種全新的概念設(shè)計，即以自有貨物為燃料的氨氣運(yùn)輸船，用于研究以氨氣作為船舶燃料并大幅減少船舶溫室氣體排放的概念。結(jié)果表明，如果在設(shè)計中考慮多種安全措施，氨氣可以作為船用燃料。C-Job的研究負(fù)責(zé)人Niels de Vrie指出：“在審查了所有氨氣發(fā)電選擇后，固體氧化物燃料電池(SOFC)顯然是最有效的。不過，這確實(shí)面臨著實(shí)際的挑戰(zhàn)，功率密度和負(fù)載響應(yīng)能力尚未達(dá)到可接受的水平。因此，在短期內(nèi)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)是發(fā)展方向?！?/p>

此外，日本發(fā)動機(jī)公司 (J-ENG)于今年10月時宣布，公司計劃與日本國家海洋研究所（NMRI）合作進(jìn)行氫和氨作為發(fā)動機(jī)燃料的研發(fā)。J-ENG公司指出，氫能源不僅將作為實(shí)現(xiàn)脫碳社會的有希望的能源載體，目前正在進(jìn)行各種有關(guān)使用液化氫和氨的作為發(fā)動機(jī)燃料的各種研究。日本國家海洋研究所一直在進(jìn)行利用氫和氨作為一種減少溫室氣體排放的潛在方法的研發(fā)。該研發(fā)包括利用氫和氨作為燃?xì)獍l(fā)動機(jī)燃料的研究。

圖2 全球首艘氫動力拖船——Hydrotug號效果圖

輔助動力：新能源大有可為

全球能源發(fā)展正處于重要轉(zhuǎn)型期，大多新的替代燃料都還處于研究和探索期，距離成熟的商業(yè)應(yīng)用還需一些時日。同時，想要實(shí)現(xiàn)最終的零碳目標(biāo)，僅有新的替代燃料顯然不夠，還需挖掘新的能源。

近年來，新能源方面的研究一直在提速，包括風(fēng)能，太陽能，燃料電池等方面的研發(fā)應(yīng)用均已有一定突破。但由于這些新能源目前尚存一些不確定限制性因素的影響智能主要作為輔助性節(jié)能措施，例如風(fēng)能和太陽能容易受到天氣狀況影響等。風(fēng)能方面，主要利用包括風(fēng)帆、風(fēng)筒、天帆等裝置為航行中的船舶提供額外助推力，從而達(dá)到降低主機(jī)能耗的目的。目前，芬蘭Norsepower公司制造的旋筒風(fēng)帆動力裝置（Rotor Sails）已經(jīng)獲得了首個型式認(rèn)證，利用這套裝置船舶可以減少7%～10%的燃料消耗，并已經(jīng)安裝在馬士基油輪Maersk Pelican號等3艘船上。大連船舶重工建造的世界上第一艘機(jī)帆混合動力VLCC船也采用了風(fēng)帆技術(shù)。太陽能方面，主要利用太陽能電池板或薄膜太陽能電池產(chǎn)生電能，為船舶提供輔助性電力供應(yīng)。日本生態(tài)海洋電力公司(EMP)的船舶用風(fēng)力與太陽能動力系統(tǒng)Aquarius MRE已獲得了美國專利，這種系統(tǒng)集成了剛性帆、船用級太陽能電池板、儲能模塊和海洋計算機(jī)等，能利用風(fēng)能和太陽能使船舶進(jìn)入可再生能源領(lǐng)域。船上的計算機(jī)系統(tǒng)能自動定位剛性帆的排布，以便能最佳匹配天氣狀況，在惡劣天氣或不能使用時還能被降低和儲存。該系統(tǒng)是基于EMP公司的EnergySail技術(shù)，可用于船舶拋錨或入港時提供可替換動力，從而減少船上輔助發(fā)電機(jī)組的燃料消耗，實(shí)現(xiàn)污染零排放。EMP認(rèn)為在可再生能源方面，80%的能源將來自于風(fēng)帆的作用，還有20%來自于太陽能電池板。Eco Marine Power公司希望在大型散貨船上對其系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。燃料電池方面，2018年7月，英國船廠Ferguson Marine 聯(lián)合挪威康士伯海事、巴拉德動力系統(tǒng)公司等合作伙伴啟動了氫燃料動力客滾船HySeas III號建造項(xiàng)目，而美國Golden Gate Zero EmissionMarine（GGZEM）公司將建造美國首艘氫氣燃料電池船Water-Go-Round號，該船將能運(yùn)輸84名乘客，最高航速可達(dá)22節(jié)。

翁雨波認(rèn)為，風(fēng)帆動力是可再生清潔能源，是助力航運(yùn)業(yè)減排重要方案。目前，風(fēng)帆輔助推進(jìn)技術(shù)正加快發(fā)展，通過將風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)與計算機(jī)計算技術(shù)在不斷結(jié)合，實(shí)時計算風(fēng)向、風(fēng)速與船舶航行狀態(tài)。未來，風(fēng)帆動力將作為輔助動力得到大規(guī)模應(yīng)用。受成本、安全、壽命等多種因素影響，燃料電池在民用船舶領(lǐng)域目前尚不具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的條件，但是隨著國際公約法規(guī)對船舶排放要求的日益嚴(yán)格，燃料電池系統(tǒng)卓越的排放性能有可能將其推向船舶動力市場的新風(fēng)口。目前限制船用燃料電池系統(tǒng)走向大規(guī)模商業(yè)化的歸根結(jié)底還是技術(shù)與成本問題，但隨著技術(shù)的不斷革新，燃料電池將有可能打破現(xiàn)有的船用動力系統(tǒng)格局，在船舶上的應(yīng)用范圍將逐步擴(kuò)大。

圖3 美國首艘氫氣燃料電池船Water-Go-Round號效果圖

的確，業(yè)界的實(shí)際行動也充分證明了風(fēng)能、太陽能和燃料電池被看做未來船用輔助動力的重點(diǎn)研究方向。2019挪威海事展（Nor-Shipping）期間，日本航運(yùn)巨頭川崎汽船便與這家法國船舶自動風(fēng)帆動力研發(fā)商公司Airseas簽署了一份為期20年的協(xié)議，Airseas將為川崎汽船的一艘船安裝“海翼”（Seawing）風(fēng)帆裝置并提供服務(wù)，一旦首套風(fēng)帆裝置交付，川崎汽船將考慮訂購多達(dá)50套自動風(fēng)帆。川崎汽船指出，利用風(fēng)能是最清潔和最具競爭力的減少二氧化碳方式。據(jù)了解，“海翼”（Seawing）風(fēng)帆以繩索連接船頭，且風(fēng)帆上安裝感應(yīng)器。風(fēng)帆系統(tǒng)實(shí)時收集和分析氣象和海洋數(shù)據(jù)，通知船長揚(yáng)帆時機(jī)及順應(yīng)風(fēng)向的航行路線，同時確保最大的安全性。當(dāng)不再需要拖曳時，風(fēng)帆會自動重新折疊并回收。這種風(fēng)帆基于翼傘技術(shù)，面積達(dá)1000平方米，能實(shí)現(xiàn)超過20%的燃料節(jié)約和污染減排。根據(jù)船舶的航線，Airseas公司的技術(shù)能使一艘好望角船每年減少5200噸二氧化碳排放。希臘知名散運(yùn)公司Star Bulk在去年與日本EMP公司簽訂一份諒解備忘錄，計劃在兩年內(nèi)共同研究將可再生能源技術(shù)安裝到現(xiàn)有船舶和新船上的可行性。根據(jù)諒解備忘錄，雙方將啟動一項(xiàng)聯(lián)合研究，涉及如何將各種設(shè)備（包括太陽能電池板、電池和其他設(shè)備）安裝到現(xiàn)有散貨船和新造散貨船上的各種問題。自有、租賃并運(yùn)營著全球100多艘船舶的法國船東路易達(dá)孚集團(tuán)(LDA)也于近日加入了國際風(fēng)船協(xié)會（IWSA），旨在進(jìn)一步開發(fā)主要的可再生解決方案。2019年初，路易達(dá)孚集團(tuán)啟動了一艘大型越洋滾裝船的設(shè)計，該船完全融合了風(fēng)力輔助推進(jìn)系統(tǒng)，并計劃繼續(xù)開展該領(lǐng)域的開發(fā)工作。