江蘇發(fā)展零碳氨燃料動力船舶的思考

申之峰，張華，康爭光

（1.江蘇理工學(xué)院；2.江蘇省科學(xué)技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究院）

一、國內(nèi)外氨動力船舶發(fā)展環(huán)境

目前國際海運業(yè)對溫室氣體減排目標(biāo)已達成共識，對船舶溫室氣體減排形成倒逼機制，主要造船和航運大國均指出，零碳排放船舶是未來造船及航運業(yè)的必然發(fā)展趨勢。

（一）國際規(guī)制：海運碳減排采取強制措施，船舶工業(yè)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

一是國際社會提高了對航運碳減排的硬性要求。2018年，國際海事組織（IMO）提出，到2030年減少40%、2050年減少50%碳排放的全球航運碳減排目標(biāo)（較2008年）；2021年，海洋環(huán)境保護委員會（MEPC）明確了現(xiàn)有船舶能效指數(shù)和年度營運碳強度指標(biāo)等新要求的生效時間；歐盟決定從2022年起將海運業(yè)納入歐盟碳排放交易體系，嚴(yán)格限制航運業(yè)的碳排放。二是替代燃料是突破當(dāng)前技術(shù)減碳局限的重中之重。國際海洋環(huán)境保護委員會表示IMO正通過實施一系列階段性措施進行碳減排，可實現(xiàn)2030年40%的減碳目標(biāo)，但2030年之后再提高減排目標(biāo)則需寄希望于新動力或替代環(huán)保燃料。國際能源機構(gòu)(IEA)預(yù)計到2060年將有60%以上的新船將使用氨或氫燃料。

（二）替代動力：氨是零碳船燃料的較優(yōu)選擇，在未來航運能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位

一是基本物理屬性優(yōu)。氨氣味強烈，泄漏時易于及時檢測；泄漏時集中高處，易于控制；爆炸性低，安全性高，宜做船用燃料。

二是儲存及運輸優(yōu)勢強。氨在常溫（25℃）下加壓即可液化，密度高，易于儲存（見表1）。儲存方面優(yōu)于沼氣或氫氣，亦可作為氫運輸載體；氨的運輸技術(shù)已經(jīng)趨于成熟、運輸成本低。因此，氨是遠程航運大型船舶燃料/能源儲存的優(yōu)先選擇。

表1 新一代燃料特性

三是經(jīng)濟優(yōu)勢明顯。未來綠色氨可通過電化學(xué)技術(shù)制成，全程使用可再生能源且電力損耗低，隨著2030年綠色可再生能源大型發(fā)電站的規(guī)模化，綠色氨的成本預(yù)計下降至400～600美元，2040年將進一步下降至275～450美元。

四是兼容性突出。氨的燃燒符合船用發(fā)動機技術(shù)要求，通過技術(shù)改進，可用于氨燃料電池、氨燃料發(fā)動機等。氨具備替代燃料和傳統(tǒng)燃料混合的雙燃料技術(shù)方案可行性，為逐步采用氨作為船動力燃料提供了有利條件。

五是航運能源結(jié)構(gòu)中占比高。根據(jù)2050年全球航運業(yè)在碳中和經(jīng)濟中的能源消耗結(jié)構(gòu)預(yù)測，氨占比將達到60%，其次為生物能源20%、氫10%等。顯然，氨在未來碳中和能源結(jié)構(gòu)中將作為主要替代能源燃料發(fā)揮重要作用。

（三）行業(yè)布局：主要發(fā)達地區(qū)搶抓部署，氨動力研發(fā)路徑逐漸清晰

世界各國普遍傾向氨燃料動力研發(fā)，相關(guān)技術(shù)路線也正齊頭并進，已經(jīng)啟動零碳排放氨動力船舶相應(yīng)的研發(fā)設(shè)計（見表2）。一是歐洲主導(dǎo)氨燃料發(fā)動機研發(fā)，曼恩、瓦錫蘭等公司參與了全球多個氨燃料船舶研發(fā)項目，均計劃在2024年左右推出氨燃料發(fā)動機；二是日本高度重視氨燃料產(chǎn)業(yè)鏈布局，計劃打造涵蓋船舶建造、設(shè)備研制、氨氣發(fā)電廠、燃料加注的全產(chǎn)業(yè)鏈；三是韓國注重標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定，韓國船級社發(fā)布氨燃料動力船舶報告并已啟動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究，提出開發(fā)氨燃料動力船舶指南；四是我國聚焦船型研發(fā)設(shè)計，部分船型屬全球首創(chuàng)，2019年上海船舶研究設(shè)計院和大連船舶重工集團在上海國際海事展覽會期間各發(fā)布了一款氨燃料船舶，江南造船為比利時船東推出氨燃料動力中型液化氣體運輸船（MGC）設(shè)計概念。

從式中可以得出，當(dāng)旋流器直徑增加時，其處理量成Q∝D2增加，礦漿向心流速減小，而由于分級粒度d∝D，則旋流器直徑越大分級粒度越大，所以大直徑旋流器可以提高分級下限，提高底流中粗粒級的含量。基于此，決定將3338號旋流器組更換為大直徑水力旋流器。

表2 全球氨動力船舶研發(fā)概況

（四）技術(shù)研發(fā)：全球處于發(fā)展探索階段，研發(fā)尚有較大提升空間

一是從全球氨動力專利情況來看。一方面，全球氨燃料動力專利申請數(shù)量較少，中國、美國、日本位列全球前三。2010—2021年，全球氨燃料動力領(lǐng)域?qū)＠暾埩壳拔逦坏貐^(qū)和占比（相關(guān)數(shù)據(jù)是2021年10月10日以氨燃料、氨儲存、氨動力、氨燃料電池、氨內(nèi)燃機為組合關(guān)鍵詞，通過國家知識產(chǎn)權(quán)局專利分析數(shù)據(jù)庫、Derwent Innovation專利數(shù)據(jù)庫檢索所得。全球相關(guān)申請專利總數(shù)15434件，因?qū)＠_有18

個月的滯后期，此處2020—2021年的數(shù)據(jù)僅供參考）分別為：中國3492件，占比23%；美國2698件，占比17%；日本2211件，占比14%；韓國896件，占比6%；德國808件，占比5%。另一方面，美國、德國、日本企業(yè)領(lǐng)跑氨燃料動力領(lǐng)域，中國創(chuàng)新主體影響力有待加強。從TOP10專利權(quán)人所屬機構(gòu)類型看，科研院所1家，企業(yè)9家。從地區(qū)來看，美國上榜機構(gòu)4家，德國3家，日本2家，中國1家。氨燃料動力領(lǐng)域有著巨大的市場潛力，吸引著許多國際巨頭參與其中。

二是從中國氨動力專利情況來看。一方面，中國專利申請主要集中在東部地區(qū)，蘇、京、遼、魯、粵、滬是全國氨燃料動力領(lǐng)域研究中最具影響力的地區(qū)（見表3）。另一方面，高校院所是專利申請的主力軍，本土企業(yè)影響力不大。中國氨燃料動力船領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶笆膶＠暾埲酥?，?家企業(yè)（其中有4家外資企業(yè)）、4所高等學(xué)校、1家科研院所。

表3 中國氨動力領(lǐng)域相關(guān)專利申請量

三是從江蘇氨動力專利情況來看。一方面，江蘇申請數(shù)量全國領(lǐng)先，但與北京、遼寧、廣東等地區(qū)差距較小。2010—2020年，江蘇氨動力專利申請數(shù)量達198件，位列全國第一，呈平穩(wěn)增長態(tài)勢。另一方面，專利權(quán)人中高校占九成。氨燃料動力領(lǐng)域?qū)＠暾埩孔疃嗟那?0位專利權(quán)人中，高校9所、企業(yè)1家，企業(yè)在氨燃料動力領(lǐng)域活躍度不高，市場主體創(chuàng)新能力和影響力有待加強。

二、江蘇氨動力船舶發(fā)展基礎(chǔ)分析

隨著“一帶一路”倡議加速推進，江蘇海洋經(jīng)濟發(fā)展步伐明顯加快，具有代表性的船舶制造業(yè)發(fā)展迅猛。江蘇船舶業(yè)擁有雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和科技資源支撐，已部署一批雙燃料動力船，氨動力船舶的創(chuàng)新發(fā)展條件已基本成熟。

（一）具有較為清晰的頂層設(shè)計

江蘇先后出臺一系列政策，積極推動綠色船舶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。如：2019年出臺了全國首部促進海洋經(jīng)濟發(fā)展的地方性法規(guī)《江蘇省海洋經(jīng)濟促進條例》，明確加強綠色環(huán)保船舶、高技術(shù)船舶等技術(shù)突破，推進全省海洋科技創(chuàng)新；2020年發(fā)布了《交通強國江蘇方案》，提出實施綠色船舶發(fā)展專項行動。2022年制定了《江蘇省“十四五”船舶與海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出實施高技術(shù)船舶產(chǎn)業(yè)鏈卓越提升工程，創(chuàng)建“內(nèi)河船舶綠色智能創(chuàng)新發(fā)展示范區(qū)”。

（二）建有較強的科研創(chuàng)新平臺

江蘇已經(jīng)形成了一批綠色船舶研發(fā)平臺載體，為綠色船舶科技創(chuàng)新提供了基礎(chǔ)條件。已擁有江蘇省綠色船舶技術(shù)重點實驗室、江蘇省船舶先進設(shè)計制造技術(shù)重點實驗室等多個省級重點實驗室；南通建成5個國家級海洋裝備工程技術(shù)研究中心，連云港與中船重工等30多家國內(nèi)知名科研單位長期合作，泰州是全國規(guī)模最大、配套最完善的民營造船基地，揚州擁有3個重點船舶工業(yè)園區(qū)；擁有江蘇科技大學(xué)、江蘇省船舶設(shè)計研究所有限公司等一批高校院所。

（三）擁有千億級船舶工業(yè)集群

據(jù)國際船舶網(wǎng)站統(tǒng)計江蘇連續(xù)11年位居全國第一造船大省，現(xiàn)有造船企業(yè)近4000家，其中規(guī)模以上船舶工業(yè)企業(yè)420多家。2019年，全省造船完工量1801.7萬載重噸，占全國份額的49.1%，實現(xiàn)銷售1180.9億元，同比增長17.4%，已形成千億級造船產(chǎn)業(yè)鏈。據(jù)江蘇省自然資源廳統(tǒng)計，近年來，江蘇海洋工程裝備制造業(yè)發(fā)展勢頭強勁，海洋工程裝備制造業(yè)總體位居全國前列，產(chǎn)量約占全國的1/3、世界的1/10。

（四）保有氫動力產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)

江蘇氫動力產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐步成熟，《江蘇省氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動規(guī)劃》指出，江蘇擁有一批優(yōu)勢氫能骨干企業(yè)，已初步具有涵蓋氫氣制備和儲運、電池系統(tǒng)、加氫站建設(shè)運營等較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈條。如神華如皋加氫站是國內(nèi)首個審批流程全閉環(huán)、35/70MPa雙加氫口、符合國際標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)加氫站；安思卓新能源專業(yè)從事制氫、加氫設(shè)備生產(chǎn)，具備儲氫、加氫一體機的生產(chǎn)技術(shù)；百應(yīng)能源專業(yè)從事氫燃料電池的研發(fā)與生產(chǎn)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、船舶等領(lǐng)域，如皋市已基本形成“五位一體”的氫能產(chǎn)業(yè)鏈?；诎迸c氫的相似燃燒特性，江蘇氫能技術(shù)的進步為氨動力研發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)。

三、江蘇氨動力船舶創(chuàng)新面臨的問題

（一）氨動力領(lǐng)域布局亟待拓展

從布局來看，歐洲、日本、韓國等國家早已開展了氨燃料發(fā)動機、氨運輸及加注、氨燃料電池等產(chǎn)業(yè)鏈布局。上海、大連已經(jīng)聯(lián)合國外船企推出氨燃料船舶設(shè)計。江蘇作為造船大省，僅在LNG（液化天然氣）動力船上開展了示范，零碳氨動力船舶研發(fā)及全產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)劃布局有待于加快完善。在研發(fā)方向上，江蘇對零碳排放標(biāo)準(zhǔn)的氨動力燃料船舶相關(guān)的研發(fā)不夠清晰，缺乏類似歐洲氨燃料發(fā)動機研發(fā)、日本氨燃料產(chǎn)業(yè)鏈布局、韓國氨燃料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等精準(zhǔn)定位；在專項資金方面，與較早設(shè)立海洋產(chǎn)業(yè)基金的山東、廣東、浙江等省相比，江蘇對社會資本投入零碳排船舶研發(fā)的引導(dǎo)作用有待加強，氨燃料動力船舶及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的專項引導(dǎo)資金有待落實完善。

（二）氨動力關(guān)鍵技術(shù)供給不足

從專利數(shù)量來看，國內(nèi)外氨動力相關(guān)研究普遍較少，尚且處于探索階段，相關(guān)技術(shù)并未成熟，距離商業(yè)化、市場化還有很大空間。從核心技術(shù)來看，江蘇海洋科技核心技術(shù)自給率不高，海工裝備和船舶制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模已穩(wěn)居全國第一、世界前列，但核心技術(shù)受制于人，大型豪華游輪、LNG（液化天然氣）運輸船、雙燃料動力船、超大型海工配套關(guān)鍵裝備等與國外技術(shù)差距較大，高技術(shù)船舶主要核心零部件和關(guān)鍵配套設(shè)備依賴進口。

（三）優(yōu)勢創(chuàng)新資源集聚度不高

從創(chuàng)新平臺來看，江蘇海洋科研機構(gòu)數(shù)量不足全國的1/10，在沿海省市中位列第十，船舶及海洋工程相關(guān)重點實驗室均為省級，尚無國家級重點實驗室，科研平臺總體數(shù)量較少且層級有限，尚未形成高端創(chuàng)新平臺引培船舶與海洋工程相關(guān)高端人才的局面。從專業(yè)人才來看，江蘇將面臨儲備人才不足的局面。江蘇海洋大學(xué)涉海學(xué)科建設(shè)仍處于起步階段，在我國大陸6所海洋大學(xué)排名中僅位列第五位。第四輪學(xué)科評估中江蘇僅江蘇科技大學(xué)1家船舶與海洋工程學(xué)科評為C類。

四、對策建議

江蘇發(fā)展零碳氨動力船舶既順應(yīng)趨勢，亦有現(xiàn)實基礎(chǔ)。在今后一段時期內(nèi)，江蘇應(yīng)多措并舉，將其納入產(chǎn)業(yè)鏈培育中去，從四個方面系統(tǒng)化推動該項工作。

（一）面向雙碳目標(biāo)，全方位強化頂層設(shè)計

一是科學(xué)布局，高位統(tǒng)籌。應(yīng)圍繞低碳減排，將船舶制造、航運物流等領(lǐng)域的減排相關(guān)技術(shù)列入江蘇船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要布局中，統(tǒng)籌研究綠色船舶產(chǎn)業(yè)總體部署、氨的研發(fā)方向、應(yīng)用、儲存、政策協(xié)同等重要事項。二是系統(tǒng)規(guī)劃，有效推進。結(jié)合江蘇實際情況和相關(guān)技術(shù)成熟度編制零碳船舶發(fā)展規(guī)劃，明確階段性目標(biāo)，出臺零碳氨動力船舶研發(fā)的全周期支持政策，構(gòu)建氨動力船舶技術(shù)研發(fā)促進機制，確保研發(fā)與計劃同步。

（二）面向海洋科技，攻關(guān)氨動力關(guān)鍵技術(shù)

一是打造國家級綠色船舶科技創(chuàng)新平臺。依托省級涉海相關(guān)重點實驗室和高校的現(xiàn)有資源，推進創(chuàng)新資源共享和整合，組建綠色船舶技術(shù)國家級實驗室，梳理共性技術(shù)資源和“卡脖子”技術(shù)，集中攻關(guān)氨燃料動力關(guān)鍵技術(shù)和成果應(yīng)用問題。二是支持氨動力產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)合作。打造內(nèi)河及海洋氨動力船舶建造、物流、發(fā)電、燃料加注供應(yīng)等不限于船舶制造的全產(chǎn)業(yè)鏈。支持產(chǎn)業(yè)間及產(chǎn)業(yè)鏈上下游的技術(shù)合作與交流，支持氨在多領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用。

（三）面向航運市場，搶占零碳船舶競爭高地

一是加緊制定氨動力船舶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。依托船級社、科研平臺、船企，推進制定符合國際標(biāo)準(zhǔn)的氨動力船舶標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。借鑒韓國船級社做法，制定開發(fā)氨燃料動力船舶指南。二是打造江蘇氨動力船舶品牌。出臺綠色船舶品牌再造計劃，確保研發(fā)創(chuàng)新與品牌打造同時發(fā)力，重點培育綠色船舶制造龍頭企業(yè)，在市場需求初期加快形成一批具有自主創(chuàng)新能力、品牌知名度達到世界水平的氨動力船舶制造技術(shù)領(lǐng)軍企業(yè)。

（四）面向研發(fā)需求，加強人才創(chuàng)新有力支撐

一是精準(zhǔn)化聚焦人才。圍繞氨燃料動力船舶領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)需求，重點引進國內(nèi)外海洋科技前沿、勇于創(chuàng)新的技術(shù)帶頭人以及能夠組織重大科技攻關(guān)項目的專家。利用在蘇高校優(yōu)勢學(xué)科資源，重點培養(yǎng)該領(lǐng)域青年人才，自然科學(xué)基金向該領(lǐng)域科技人才傾斜，加強并重視對氨動力基礎(chǔ)研究的人才集聚。二是優(yōu)化人才引培方式。探索創(chuàng)新人才引培方式，利用“揭榜掛帥”“賽馬制”等新型項目組織方式，系統(tǒng)挖掘、培育氨動力船舶領(lǐng)域高層次人才；加強交流合作，積極與國際一流獵頭機構(gòu)、知名船企、科研機構(gòu)等建立長效溝通機制，借力第三方組織開展氨燃料動力相關(guān)人才招引工作。