全球零排放船舶研發(fā)最新進展

中國船舶重工集團公司第七一四研究所 趙羿羽

據(jù)克拉克森測算，2019年航運業(yè)碳排放約8.19億噸，占當年碳排放總量的2.5%（總量約330億噸）。近年來，為滿足航運碳排放控制要求，全球開展了一系列綠色船舶技術(shù)研究，其中零排放船舶研發(fā)是實現(xiàn)“碳中和”目標的重要途徑。船舶要實現(xiàn)零排放，關(guān)鍵依靠動力變革。從近幾年全球零排放船舶研發(fā)現(xiàn)狀來看，研究熱點涉及替代燃料（氨燃料、氫燃料）、電池（蓄電池、燃料電池）、核能、可再生能源等。

氨燃料動力船舶研發(fā)動態(tài)

當前，全球氨燃料動力船舶仍處于研發(fā)階段，主要針對油船、集裝箱船、散貨船等主流船型及液化氣船進行開發(fā)，預(yù)計在2025年前后能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化運營。中、韓、日等國船廠普遍與歐洲發(fā)動機公司和船級社合作，加快氨燃料動力船舶研發(fā)與應(yīng)用進程，其中我國與韓國的多家船廠走在前列，多艘船型設(shè)計已獲得船級社原則性批準。

韓國現(xiàn)代尾浦造船、大宇造船海洋、三星重工、大韓造船等公司開展了氨燃料動力油船、集裝箱船設(shè)計。2020年7月，韓國現(xiàn)代尾浦造船設(shè)計的5萬載重噸氨燃料動力MR型油船獲得英國勞氏船級社（LR）原則性批準；2020年9月，韓國大宇造船海洋聯(lián)合德國MAN共同研發(fā)的2.3萬標準箱氨燃料動力集裝箱船獲得LR原則性批準，同時韓國三星重工、MAN和LR共同研發(fā)的8.5萬～12.5萬載重噸級蘇伊士型氨動力油船獲得LR原則性批準；韓國大韓造船公司也正在開展11.5萬載重噸級阿芙拉型氨燃料動力油船的設(shè)計與研究。此外，為了滿足未來航運對氨燃料的旺盛需求，2021年5月，韓國現(xiàn)代重工集團聯(lián)合氨燃料生產(chǎn)與儲存、造船、航運等領(lǐng)域的專業(yè)公司，欲協(xié)同打造氨燃料海上運輸產(chǎn)業(yè)鏈，搶占海洋氨燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機。

日本在氨燃料動力船舶研發(fā)方面與中、韓相比較滯后，日本郵船等正在開發(fā)一艘以氨氣為主要燃料的氨動力氨氣運輸船（AFAGC），以及一艘氨氣浮式儲存再氣化駁船（A-FSRB），并在近期與挪威化肥公司雅苒國際達成聯(lián)合研發(fā)氨動力氨氣運輸船協(xié)議。

歐洲偏重于氨燃料發(fā)動機的研發(fā)，如MAN公司已參與多家船廠的零排放船舶開發(fā)工作，而對于氨動力船型開發(fā)相對較少。2021年4月，挪威禮諾航運公司與船舶設(shè)計公司Deltamarin合作推出新的Aurora級零排放汽車運輸船，配備MAN公司B&W多燃料發(fā)動機，未來稍作修改之后，可以過渡到使用氨氣等零碳燃料運營。

圖1 挪威氫燃料動力滾裝船“Topeka”輪

中國船舶集團有限公司旗下的上海船舶研究設(shè)計院、大船集團、江南造船集團等開展了氨燃料動力散貨船、集裝箱船和液化氣船設(shè)計。2019年，上海船舶研究設(shè)計院18萬噸氨燃料動力散貨船獲得船級社原則性批準，同年，大連船舶重工集團有限公司和MAN公司設(shè)計的2.3萬標準箱氨動力超大型集裝箱船方案獲得船級社原則性批準；2020年，江南造船集團研發(fā)的氨燃料動力超大型液化氣體運輸船(VLGC)獲得船級社原則性批準；2021年3月，江南造船集團研發(fā)的氨燃料動力中型液化氣船獲船級社原則性認證。

氫燃料動力船舶研發(fā)動態(tài)

當前，日本以及挪威、荷蘭等歐洲國家開展了氫燃料動力船舶研發(fā)，涉及滾裝船、挖泥船及液氫運輸船等船型，皆處于研發(fā)階段，預(yù)計在2024年后能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化運營。

日本側(cè)重于大型遠洋氫燃料動力運輸船舶及發(fā)動機的研發(fā)。2021年1月，日本川崎重工宣布將建造全球首艘大型液化氫運輸船，該船總長約300米，型寬約50米，采用燃燒氫氣產(chǎn)生的蒸汽帶動輪機為船舶提供動力，計劃2026年完工；4月，川崎重工等多家日本公司宣布將開發(fā)用于大型船舶的船用氫燃料發(fā)動機，包括船用主機、輔機、發(fā)電機等各種用途的產(chǎn)品。

圖2 氫燃料電池動力試驗船“ZEUS”號

歐洲側(cè)重于近海氫燃料動力運輸與作業(yè)船舶的研發(fā)。2020年，挪威啟動研發(fā)一艘以液態(tài)氫(LH)為燃料的零排放滾裝船“Topeka”輪，該船可向挪威沿海的氫樞紐碼頭輸送LH，計劃于2024年投入使用；2021年4月，荷蘭皇家IHC公司與荷蘭交通水利局合作開發(fā)的氫燃料動力耙吸式挖泥船獲船級社原則性批準，該船計劃在2024年投入運營，將為荷蘭實現(xiàn)海岸線維護過程的碳中和提供重要支撐。

燃料電池動力船舶研發(fā)動態(tài)

當前，全球開展的零排放燃料電池動力船舶研發(fā)主要集中于氫燃料電池，也有部分國家正在開展氨燃料電池研究，主要面向內(nèi)河運輸小型船舶，目前基本處于研發(fā)試驗階段，且大部分與其他動力混合使用。

歐洲對氫燃料電池動力船舶的研究較多，涉及內(nèi)河運輸船舶、海工作業(yè)船及試驗船等。2019年，德國柏林科技大學設(shè)計研發(fā)了一艘氫燃料動力推船“艾麗卡”（Elektra），該推船長20米，采用氫燃料電池（主動力）、蓄電池等混合動力驅(qū)動，將用于柏林和漢堡之間的貨物運輸；2020年9月，意大利芬坎蒂尼船廠開建氫燃料電池動力試驗船“ZEUS”號，配備柴電混合動力發(fā)動機和氫燃料電池系統(tǒng)，將作為研究船用燃料電池技術(shù)的重要載體；2020年，挪威Ulstein公司推出了一種氫燃料電池海上風力發(fā)電機安裝船的新設(shè)計，采用燃料電池+柴油電力推進混合動力系統(tǒng)，能在75%的時間以零排放模式運營；2021年6月，荷蘭達門船廠與荷蘭一家內(nèi)河航運公司簽訂了氫燃料電池內(nèi)河駁船建造合同，該船長135米，計劃在2023年下水交付。此外，芬蘭瓦錫蘭公司與挪威Eidesvik等公司正在合作研發(fā)一艘以氨燃料電池動力零排放大型船舶，預(yù)計最早將于2024年下水。

日本一直注重氫燃料電池動力的研發(fā)。商船三井等正在開展“Wind Hunter”風能和氫燃料電池混合動力零排放船舶研發(fā)項目，涉及風能推進、風能制氫、氫燃料電池等技術(shù)，項目前期將利用一艘帆船進行概念驗證試驗。

我國也在推動氫燃料電池動力船舶研發(fā)。中國船舶集團正在開展500千瓦級內(nèi)河氫燃料電池動力貨船研發(fā)，包括船型開發(fā)和電池系統(tǒng)研制，已于2019年12月取得中國船級社原則性批準；2021年，武漢眾宇動力系統(tǒng)科技有限公司船用燃料電池產(chǎn)品獲得中國船級社型式認可證書。

蓄電池動力船舶研發(fā)動態(tài)

近年來，中國、日本及歐洲一些國家等開展了蓄電池動力船舶研發(fā)，包括內(nèi)河客船、小型油船、集裝箱船等，電池容量逐步大型化以滿足續(xù)航需求，部分電動船舶已投入運營。

電動船舶是日本解決沿海航運排放問題的重要手段。2020年，日本船企組建了“e5聯(lián)盟”，旨在攜手開發(fā)零排放電動船并實現(xiàn)商業(yè)化，預(yù)計在2022年3月之前推出一艘在東京灣運營的由大容量鋰離子電池供電的零排放油船。

圖3 全電動客運快速渡船“Medstraum”號

挪威在電動船舶研發(fā)方面較為突出，開發(fā)了多艘電動客船及小型貨船。2020年7月，挪威設(shè)計建造了全電動零排放客船“Legacy Of the Fjords”號，該船采用碳纖維材料，船長42米，電池容量2.4MWh，巡航速度可達16節(jié)；2020年11月，挪威Vard公司建造的電池動力集裝箱船“Yara Birkeland”號完成交付，船長80米，電池容量7MWh，最大航速13節(jié)，后續(xù)該船進行測試及自主航行功能的再次開發(fā)；2021年6月，挪威Fjellstrand船廠開建全電動客運快速渡船“Medstraum”號，該船采用鋁材雙體結(jié)構(gòu)，全長31米，電池容量2.4MWh，設(shè)計航速23節(jié)，計劃2022年試運行。

我國已建造及在建多艘內(nèi)河電動船舶，包括客船、拖船及貨船等，如“君旅”號客船、“藍海豚2020”號客船、“中天電運001”號貨船、“長江三峽1”號客船等，大部分電動船舶電池容量在1～7.5MWh之間。

核動力船舶研發(fā)動態(tài)

中國、美國、俄羅斯、西班牙、韓國等正在開展核能技術(shù)在民用船舶上的應(yīng)用研究，反應(yīng)堆為壓水堆、熔鹽堆等堆型。受成本及潛在的安全風險等因素制約，除俄羅斯運營的核動力破冰船外，現(xiàn)階段核動力運輸船舶仍處于研發(fā)階段，距離商業(yè)化運營還較遙遠。

美國泰拉能源公司正在開發(fā)船用熔鹽反應(yīng)堆技術(shù)，計劃用于大型船舶推進動力，并為清潔燃料制備提供能源； 2020年，俄羅斯建造的全球最大核動力破冰船“北極”號正式服役，目前正在建造更加強大的“領(lǐng)袖”級“俄羅斯”號核動力破冰船，皆采用壓水堆；2021年，西班牙游艇制造商Iddes Yachts公司推出了一款核動力科學探險船設(shè)計，該船將采用熔鹽堆，但受核動力技術(shù)認證的限制，運營初期將采用清潔燃料作為過渡，預(yù)計于2025年下水；2021年6月，韓國三星重工與韓國原子能研究所簽訂協(xié)議，將聯(lián)合研發(fā)核動力船舶，采用小型模塊化熔鹽堆，計劃于2025年開始原型堆的試驗。我國也在開展海洋核動力平臺研發(fā)，推出了核動力綜合保障船和核動力疏浚船等船型。

可再生能源動力船舶

一些國家也開展了風能、太陽能等可再生能源在小型船舶動力領(lǐng)域的應(yīng)用研究，但要用于大型船舶，需與其他動力形式混合使用。2021年3月，英國風船技術(shù)公司推出了一款用于遠洋散貨船和油船的零排放船舶解決方案，綜合了風能、太陽能、柴電推進、碳捕獲等相關(guān)技術(shù)。

從近兩年全球零排放船舶研發(fā)現(xiàn)狀來看，根據(jù)船型大小和用途的不同，零排放船舶采用不同技術(shù)路徑，涉及氨燃料、氫燃料、電池、核能、風能等相關(guān)動力技術(shù)。綜合來看，未來，內(nèi)河和沿海運輸及作業(yè)船舶等可通過電池技術(shù)實現(xiàn)零排放，大型遠洋運輸船舶及其他大型船舶則更多依賴氨/氫燃料等替代燃料實現(xiàn)零排放，核能、風能可為替代燃料的制備提供能源保障；同時，多種動力技術(shù)的綜合集成應(yīng)用也將成為重要發(fā)展方向。我國應(yīng)加快零碳排放船型開發(fā)、零碳燃料船舶新型發(fā)動機研制及船舶碳捕獲技術(shù)研究，搶占零排放船舶市場先機，助力碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)。