綠色低碳燃料船舶總擁有成本分析

汪穎異 魏 梅

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

0 引 言

從2018年IMO制定2050年碳減排目標(biāo)到我國(guó)提出2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和目標(biāo)來(lái)看，航運(yùn)業(yè)的溫室氣體減排越發(fā)重要，減碳成為船舶工業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向、零碳排放船舶成為未來(lái)造船及航運(yùn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)中國(guó)船級(jí)社報(bào)告，全球航運(yùn)業(yè)溫室氣體排放占全球總排放量的2%，國(guó)內(nèi)內(nèi)河和沿海溫室氣體排放量占國(guó)內(nèi)總排放量的0.8%。盡管占比較小，但是全球貿(mào)易的90%通過(guò)海運(yùn)完成，如果不加以控制溫室氣體，隨著海運(yùn)貿(mào)易量的增加，2050年海運(yùn)排放量將增加到18%。在2018年，中國(guó)水路貨運(yùn)量達(dá)到9.9億萬(wàn)t·km，其中內(nèi)河、沿海和海外貨運(yùn)量分別占16%、32%和52%，在未來(lái)航運(yùn)業(yè)的貨運(yùn)量將會(huì)越來(lái)越大，因此航運(yùn)必須面對(duì)減排的挑戰(zhàn)。除此之外，2021年3月，歐盟議會(huì)投票通過(guò)設(shè)立碳邊境稅的議案，決定自2023年起，與歐盟有貿(mào)易往來(lái)的國(guó)家若不遵守碳排放相關(guān)規(guī)定，其出口至歐盟的商品將面臨碳關(guān)稅，如果仍然按照原模式發(fā)展，行駛至歐洲的船舶無(wú)疑會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本。

船舶的綠色化一直是航運(yùn)業(yè)的熱點(diǎn)話題，海事界早已著手于綠色船舶的研發(fā)，從多家公司提出的概念船型中可以發(fā)現(xiàn)，采用的綠色技術(shù)主要包括：船型優(yōu)化、采用清潔能源、混合電力推進(jìn)、加裝減排設(shè)備及采用新型減阻涂料等多種方式。但是要實(shí)現(xiàn)未來(lái)的碳中和以及船舶零碳排放，船型優(yōu)化等傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)不足以應(yīng)對(duì)，燃料中碳組分的減少才是最直接、最有效的解決方式。目前船用燃料正從化石燃料逐漸向可再生能源轉(zhuǎn)變，以LNG為過(guò)渡燃料，氫、氨等零碳燃料為終極燃料的熱潮正被掀起。海事界已開始研究低碳燃料在船舶的應(yīng)用，且有些船已交付，如2020年9月已交付的由我院為法國(guó)達(dá)飛公司研發(fā)設(shè)計(jì)的全球首艘23 000 TEU雙燃料集裝箱船達(dá)飛雅克薩德號(hào)，一些國(guó)家也研發(fā)了氨動(dòng)力遠(yuǎn)洋船舶的船型等，但鮮有學(xué)者研究零碳排放船的經(jīng)濟(jì)性。因此，本文以航行于亞歐航線上的15 000 TEU集裝箱船為例，建立船舶的經(jīng)濟(jì)性分析模型，分析該船使用氨燃料作為主動(dòng)力和氫燃料作為電站的成本，并與以重油為動(dòng)力的船舶成本進(jìn)行比較，明確導(dǎo)致兩種船舶成本差異的因素，同時(shí)也為船舶經(jīng)濟(jì)性分析提供一種思路和方法。

1 研究背景

由于氫的特性，氫在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒容易發(fā)生回火、早燃和爆震等現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)且導(dǎo)致較低的燃燒效率，這些問題難以克服，使氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)展緩慢。除此之外，氫在內(nèi)燃機(jī)中高溫燃燒會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物，背離了人們使用氫的初衷，因此人們逐漸將眼光投向氫燃料電池。單臺(tái)氫燃料電池的功率為百千瓦級(jí)別，只能應(yīng)用如內(nèi)河船等功率需求較小的船舶上，目前全球的氫燃料電池應(yīng)用現(xiàn)狀如表1所示。受限于燃料電池的功率以及氫較低的體積能量密度，氫燃料電池未來(lái)僅可能作為電站應(yīng)用在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船上。

表1 全球氫燃料電池船現(xiàn)狀

續(xù)表1

目前全球?qū)τ诎弊鳛榇萌剂系难芯空谌缁鹑巛钡剡M(jìn)行，盡管沒有實(shí)船，但全球已研發(fā)出各種船型（參見表2）。此外，MAN、瓦錫蘭和WIN GD等主機(jī)研發(fā)單位正在進(jìn)行氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，預(yù)計(jì)將于2024年出現(xiàn)示范樣機(jī)。從表中看出目前全球?qū)τ诎弊鳛榇萌剂系拇脱芯恐饕性诖笮瓦h(yuǎn)洋運(yùn)輸船上，說(shuō)明未來(lái)氨燃料更有可能作為遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船的主動(dòng)力。

表2 全球氨動(dòng)力船研究現(xiàn)狀

因此本文以航行于亞歐航線的15 000 TEU集裝箱船為例，研究氫燃料電池作為電站、氨燃料內(nèi)燃機(jī)作為主動(dòng)力的船舶（簡(jiǎn)稱“綠色燃料”動(dòng)力船）成本，同時(shí)將得到的結(jié)果與傳統(tǒng)的重油/柴油動(dòng)力船的成本進(jìn)行分析對(duì)比，明確造成成本差距的原因。本文分析基本方案和對(duì)比方案，基本方案為采用傳統(tǒng)燃料的船舶，對(duì)比方案為采用氨動(dòng)力、氫電站的船舶。

2 成本構(gòu)成

本文建立了傳統(tǒng)燃料船舶和“綠色燃料”動(dòng)力船舶的TCO，在建模過(guò)程中，采用了自上而下的極細(xì)顆粒度的建模方法，通過(guò)分析具體到每一個(gè)系統(tǒng)設(shè)備的成本構(gòu)成來(lái)構(gòu)建船的總成本模型，模型框架如表3所示?？紤]到主動(dòng)力和輔助動(dòng)力的變化是導(dǎo)致該箱船與燃油動(dòng)力箱船區(qū)別的主要因素，為準(zhǔn)確了解發(fā)生變化部分對(duì)整個(gè)成本的影響，將建造成本分成主動(dòng)力、輔助動(dòng)力、燃料儲(chǔ)罐、船身及其他零部件等方面。由于氨和氫特殊的物理性質(zhì)，且與氨相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料電池的發(fā)展還不成熟，應(yīng)用在船上必然會(huì)造成船舶其他零部件的改變，因此在建造成本方面考慮了由于缺乏規(guī)模效應(yīng)而造成的成本加成。運(yùn)營(yíng)成本主要由燃料費(fèi)用、維修成本、箱位損失、人員工資、保險(xiǎn)費(fèi)及其他構(gòu)成，由于氨和氫體積能量密度低，燃料艙體積比重油燃料艙大，因此在營(yíng)運(yùn)成本中有必要考慮由于燃料艙體積增加導(dǎo)致的貨艙損失。

表3 船舶的總擁有成本構(gòu)成

2.1 目標(biāo)航線

通過(guò)對(duì)貨運(yùn)量、航線通航情況等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與調(diào)研，發(fā)現(xiàn)與目標(biāo)船型箱量相近的集裝箱船主要集中投放在亞歐航線，因此本研究考慮目標(biāo)船型也瞄準(zhǔn)這一航線。假設(shè)目標(biāo)船從大連港出發(fā)，并沿途掛靠煙臺(tái)、新加坡港，通過(guò)蘇伊士運(yùn)河到達(dá)澤布呂赫港，裝卸貨物后返回。

按照IHS Ports and Terminal數(shù)據(jù)庫(kù)給出的數(shù)據(jù)，計(jì)算出航行距離和航行天數(shù)（見表4）。該船的平均航速為22 kn，裝卸貨、停泊、航行和進(jìn)出港這4種工況下所需要的時(shí)間分別是2.5 d、5.5 d、41.5 d和2.1 d，行駛一個(gè)航次約需51.6 d。假設(shè)船舶一年行駛330 d，約為6.4個(gè)航次。

表4 目標(biāo)運(yùn)營(yíng)航線數(shù)據(jù)

2.2 建造成本

兩種方案船舶的主動(dòng)力為51 MW，輔助動(dòng)力為12 MW。對(duì)于“綠色燃料”動(dòng)力船，主動(dòng)力采用1臺(tái)51 MW的氨發(fā)動(dòng)機(jī)，輔助動(dòng)力采用2臺(tái)4 000 kW和2臺(tái)2 000 kW的氫燃料電池。對(duì)于傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船，主動(dòng)力采用1臺(tái)51 MW的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，輔助動(dòng)力采用4臺(tái)3 000 kW的輔機(jī)。氨發(fā)動(dòng)機(jī)目前未推出樣機(jī)，對(duì)于其成本的估算基于LNG雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料電池按照目前的市場(chǎng)價(jià)格計(jì)算?！熬G色燃料”動(dòng)力船中氨以液態(tài)方式儲(chǔ)存，氫以目前已成熟的高壓氣態(tài)方式儲(chǔ)存。兩種方案的建造成本見下頁(yè)表5，結(jié)果對(duì)比見下頁(yè)圖1。

表5 兩種方案的建造成本構(gòu)成

“綠色燃料”動(dòng)力船中輔助動(dòng)力沒有考慮氫燃料艙的成本，燃料艙采用罐箱的方式直接向氫氣供氣商租用，租金攤在氫氣價(jià)格上。由于傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船已經(jīng)成熟且應(yīng)用廣泛，因此無(wú)需考慮由于缺乏規(guī)模效應(yīng)而造成的零部件成本加成。

由圖1可見，“綠色燃料”動(dòng)力船的建造成本約是傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船的2倍，主動(dòng)力和輔助動(dòng)力系統(tǒng)的建造成本約占總成本的30%，是柴油機(jī)的10倍。由于氨發(fā)動(dòng)機(jī)、大功率氫燃料電池等系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)成熟度低，尚不具備商業(yè)化的能力，由此導(dǎo)致其他零部件的成本加成占總投資的16%。

圖1 兩種方案建造成本拆分結(jié)果對(duì)比

2.3 運(yùn)營(yíng)成本

船舶的運(yùn)營(yíng)成本可分成燃料費(fèi)用、箱位損失、維修費(fèi)用、人員工資、保險(xiǎn)費(fèi)及其他等幾項(xiàng)，本文將著重說(shuō)明燃料費(fèi)用和箱位損失的計(jì)算方式。

傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船的主、輔機(jī)參數(shù)假設(shè)如表6所示，根據(jù)柴油機(jī)的參數(shù)計(jì)算主機(jī)、輔機(jī)每天的油耗分別為240 t和16 t。由于目前并未研發(fā)出氨動(dòng)力的主機(jī)，很難根據(jù)主機(jī)參數(shù)估算每天的消耗量，本文采用釋放熱量相等的方式用熱值計(jì)算每天所需的氨，公式如式（1）所示。重油和氨的熱值分別為39.8 MJ/kg和22.8 MJ/kg，由此計(jì)算每天氨的消耗量為419 t。每天的耗氫量根據(jù)電站的功率為12 MW，氫的質(zhì)量能量密度為120 MJ/kg（33.3 kWh/kg）計(jì)算而得為9 t。

表6 傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船主、輔機(jī)參數(shù)假設(shè)

式中：

A

為質(zhì)量能量密度，MJ/kg；

M

為船舶每天消耗燃料的質(zhì)量，kg；

J

為釋放的熱量，MJ。

船舶4種工況下主機(jī)、輔機(jī)運(yùn)行功率如表7所示，計(jì)算在各工況下燃料消耗如下頁(yè)表8所示。

表7 目標(biāo)船型運(yùn)營(yíng)工況

表8 各工況下每年的燃料消耗

由于氨和氫的體積能量密度比重油小，因此“綠色燃料”動(dòng)力船的燃料艙會(huì)產(chǎn)生額外的體積貨損，重油、氨燃料根據(jù)每年的消耗可計(jì)算出燃料所需的艙容。40 ft規(guī)格集裝箱體積為60 m，由此可得燃料的貨損。氫燃料采用高壓方式儲(chǔ)存，一個(gè)40 ft集裝箱，按照500 MPa壓力，能夠儲(chǔ)存1 400 kg氫氣。重油、氨和氫所導(dǎo)致的集裝箱船的箱位損耗如表9所示。相較于傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船，“綠色燃料”動(dòng)力船會(huì)多損失448個(gè)箱位。

表9 燃料導(dǎo)致船舶的箱位損耗TEU

假設(shè)船舶的全生命周期為25 a，則兩種方案全生命周期運(yùn)營(yíng)成本如圖2所示。

圖2 兩種方案全生命周期運(yùn)營(yíng)成本對(duì)比

燃料費(fèi)用是船舶全生命周期的主要支出，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，重油為4 000元/t，氨為4 000元/t，氫采用由煤制備而得，為4萬(wàn)元/t，“綠色燃料”高昂的價(jià)格導(dǎo)致“綠色燃料”動(dòng)力船的燃料費(fèi)用約為傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船的2倍。由于“綠色燃料”較低的體積能量密度使“綠色燃料”動(dòng)力船的燃料艙造成的損失占了運(yùn)營(yíng)成本的6%。

3 總擁有成本分析

兩種方案的總擁有成本如圖3所示。對(duì)于船舶來(lái)說(shuō)，燃料費(fèi)用是船舶最主要的支出。“綠色燃料”動(dòng)力船中氫燃料費(fèi)用和氨燃料費(fèi)用分別占總?cè)剂腺M(fèi)用的15%和85%，因此氨燃料的價(jià)格是“綠色燃料”動(dòng)力船總擁有成本的主導(dǎo)因素。“綠色燃料”動(dòng)力船總擁有成本隨著氨燃料價(jià)格變化如下頁(yè)圖4所示，當(dāng)氨燃料為0.17萬(wàn)元/t時(shí)，“綠色燃料”動(dòng)力船總擁有成本與傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船總擁有成本相當(dāng)。模型中假設(shè)氨燃料的價(jià)格為0.4萬(wàn)元/t，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果確定，這里的氨是根據(jù)煤、天然氣等化石能源制備而得（灰氨），會(huì)產(chǎn)生大量溫室氣體，如果未來(lái)船用燃料排放的溫室氣體考慮燃料全生命周期溫室氣體的排放，灰氨將會(huì)被綠氨（可再生能源電解水產(chǎn)生的氫氣與氮?dú)夂铣啥茫┐?，這時(shí)候綠氨的成本將高于目前的灰氨，基本不可能降至0.17萬(wàn)元/t。從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，“綠色燃料”動(dòng)力船的經(jīng)濟(jì)性將比傳統(tǒng)燃料動(dòng)力船差。

圖3 兩種方案的TCO對(duì)比

圖4 “綠色燃料”動(dòng)力船總擁有成本隨氨燃料價(jià)格變化情況

由于氨的體積能量密度與質(zhì)量能量密度均小于重油，導(dǎo)致當(dāng)釋放同樣的能量時(shí)，氨的質(zhì)量和體積均大于重油，因此使船舶損失了相當(dāng)一部分的箱位并產(chǎn)生了高昂的燃料費(fèi)用。除LNG外，目前熟知的能用作船用的低碳燃料為甲醇、乙醇、氨和氫等，它們的能量密度如表10所示。

表10 燃料的能量密度

顯然，這些低碳燃料的體積能量密度均小于重油，除氫外的其他低碳燃料質(zhì)量能量密度也小于重油。由此可見，目前市場(chǎng)上的低碳燃料很難做到既環(huán)保又有與重油相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)性。如果隨著環(huán)保法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，不得不使用低碳燃料，必然會(huì)損失一部分經(jīng)濟(jì)性。

本文測(cè)算傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船的成本時(shí)未考慮由于使用重油而增加的額外成本，如應(yīng)對(duì)硫排放的脫硫塔、應(yīng)對(duì)氮氧化物排放的選擇性催化還原裝置（SCR）和未來(lái)由于溫室氣體排放造成的碳稅等，這些額外成本將在下一步的研究中考慮，以優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性分析模型。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析已明確“綠色燃料”動(dòng)力船的總擁有成本約為傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船的2倍，其主要原因在于低碳燃料的能量密度小于重油，而市場(chǎng)上低碳燃料售價(jià)與重油相近，導(dǎo)致“綠色燃料”動(dòng)力船的燃料成本增加。然而，燃料成本是影響船舶經(jīng)濟(jì)性的主要因素，“綠色燃料”動(dòng)力船的總擁有成本增加明顯。綠色低碳是航運(yùn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，隨著環(huán)保政策收緊，傳統(tǒng)的節(jié)能減排技術(shù)已不足以滿足環(huán)保要求，唯有低碳燃料的應(yīng)用才能帶來(lái)革命性的變革。屆時(shí)，船舶經(jīng)濟(jì)性會(huì)受到一定影響，而低碳燃料的成本將會(huì)是船舶低碳轉(zhuǎn)型的重要因素。