日本船舶工業(yè)的脫碳與數(shù)字化技術(shù)研發(fā)進展

謝 予 孫崇波 陰 晴

近期，日本造船企業(yè)協(xié)會、日本船舶技術(shù)研究協(xié)會等5家機構(gòu)發(fā)布了《日本船舶工業(yè)的脫碳與數(shù)字化》報告，詳細介紹了日本船舶工業(yè)在清潔燃料（氨、氫、碳回收甲烷）、液氫運輸、氫燃料船舶、數(shù)字化智能化與自主船舶等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)和示范應(yīng)用計劃及最新進展。以此報告為基礎(chǔ)，本文結(jié)合日本造船業(yè)特點，梳理分析其在脫碳與數(shù)字化方面的研發(fā)方向及進展，歸納總結(jié)日本推動造船業(yè)科技創(chuàng)新的做法與經(jīng)驗，并提出相關(guān)建議供業(yè)界參考。

一、日本脫碳與數(shù)字化研發(fā)最新進展

脫碳與數(shù)字化是當前世界造船業(yè)發(fā)展的重點方向，日本在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。在脫碳方面，日本的重點是氫、氨等清潔燃料及相關(guān)裝備研發(fā)以及碳回收甲烷相關(guān)技術(shù)研發(fā)；在數(shù)字化方面，日本主要研發(fā)領(lǐng)域包括自主航行船舶、智能輔助船、船體監(jiān)測技術(shù)等。

（一）通過清潔燃料替代實現(xiàn)脫碳目標

使用清潔燃料將是全球航運業(yè)實現(xiàn)脫碳目標的關(guān)鍵。據(jù)DNV GL發(fā)布的《面向2050年的海事展望》預(yù)測，未來5～10年液化天然氣將成為過渡期主要替代能源，到2050年氨氣和甲醇將成為最具前景的碳中和燃料。日本海事界認為，實現(xiàn)航運業(yè)“碳中和”需轉(zhuǎn)向“零排放”船舶，這類船舶將采用氨、氫、碳回收甲烷等新型可替代燃料。為此，日本將通過推進以氫和氨為替代燃料的 “下一代船舶”開發(fā)及商業(yè)化項目，實現(xiàn)在2030年前完成零排放船舶部署的目標。

1.氫燃料技術(shù)裝備研制實現(xiàn)多點突破

日本在氫燃料相關(guān)技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用方面的起步較早。2017年，日本成為世界首個發(fā)布氫能基本戰(zhàn)略和提出實現(xiàn)氫能社會的國家，并且積極探索氫燃料船舶的可能性，目前的重點是推進液氫運輸船研發(fā)、氫燃料發(fā)動機產(chǎn)品及核心配套系統(tǒng)開發(fā)，以及氫動力裝備在小型船舶上的示范應(yīng)用。日本取得的最新進展如下。

（1）完成了世界首艘液氫運輸船海上載貨航行。2014年，川崎重工開始研發(fā)世界第一艘液氫專用運輸船。2016年，川崎重工、日本巖谷材料（Iwatani）、殼牌日本（Shell Japan）和日本電力開發(fā)公司（J-Power）成立了“零碳氫能源供應(yīng)鏈技術(shù)研究協(xié)會（HYSTRA）”，旨在推動氫能源在日本實現(xiàn)社會化應(yīng)用。2019年12月，川崎重工建造的液氫運輸船“SUISO Frontier”號完工下水，該船全長116 m，寬19 m，約8 000總噸，配備有一個1 250 m3液氫儲罐，可裝載約90 t液態(tài)氫。2021年底新船首航，并于2022年1月抵達澳大利亞哈斯汀港（Hastings），在當?shù)匮b載了澳大利亞氫能源供應(yīng)鏈（HESC）項目的氫氣，然后于2月25日返回日本神戶，這是世界上首次實現(xiàn)液氫長距離海上運輸。“SUISO Frontier”號船舶如圖1所示。

圖1 “SUISO Frontier”號船舶

（2）聯(lián)合推進氫燃料發(fā)動機產(chǎn)品及核心配套系統(tǒng)的研發(fā)及示范驗證。川崎重工、洋馬動力技術(shù)（Yanmar Power Technology）和日本發(fā)動機（JENG）組成聯(lián)合體共同開展氫燃料商業(yè)化應(yīng)用開發(fā)項目，并由川崎重工牽頭協(xié)調(diào)液氫運輸船驗證、液氫供應(yīng)鏈商業(yè)化等各個環(huán)節(jié)。具體分工如圖2所示，在項目中，川崎重工負責開發(fā)4沖程中速機（2 000～3 000 kW），以及船用氫燃料系統(tǒng)（MHFS）——包括氫燃料儲罐和燃料供應(yīng)系統(tǒng)；洋馬動力技術(shù)負責開發(fā)4沖程中速、高速輔機（800～1 400 kW）；日本發(fā)動機負責開發(fā)2沖程低速機（5 000 kW以上）。2021年8月，3家公司還聯(lián)合設(shè)立新公司HyEng，負責基礎(chǔ)技術(shù)（基本燃燒分析、材料和密封技術(shù)等）開發(fā)，并研究如何滿足船級社規(guī)范要求。此外，九州（Kyushu）大學和廣島（Hiroshima）大學將承擔基礎(chǔ)研究（技術(shù)測試），航運公司和船廠將配合開展新技術(shù)應(yīng)用前的實船驗證。項目總投資約219億日元（約210億日元來自綠色創(chuàng)新基金），計劃2026年完成用于各種場景的發(fā)動機產(chǎn)品系列以及船用氫燃料儲罐、燃料供應(yīng)系統(tǒng)的開發(fā)與示范驗證。

圖2 氫燃料商業(yè)化應(yīng)用開發(fā)項目

（3）氫燃料渡輪“Hydro Bingo”完工標志著日本海事業(yè)“未來氫社會的開端”。2019年，日本常石集團旗下鋁合金客船建造企業(yè)TFC（Tsuneishi Facilities &Craft）與比利時海事集團（CMB）合資成立賓果研究院（Bingo Research Institute），共同開發(fā)氫動力船舶。2021年7月，世界上第一艘氫燃料渡輪“Hydro Bingo”完工。該船配備2臺氫-柴雙燃料發(fā)動機“Hypenta DB-1000”，可實現(xiàn)較傳統(tǒng)柴油發(fā)動機減少50%的CO2排放。由于采用混合燃料發(fā)動機，“Hydro Bingo”可在無法獲得氫燃料的海域僅使用柴油航行。此外，氫燃料儲罐安裝在可移動拖車上，可通過替換整個儲罐方式實現(xiàn)加氫，從而不需在碼頭建設(shè)專門的氫加注設(shè)施。2021年，CMB和神原汽船（KAMBARA KISEN）增加了Bingo研究院的資本金并將其更名為“JPNH2YDRO”，參與項目合作的公司增加至3家。利用建造“Hydro Bingo”號積累的專有技術(shù)，JPNH2YDRO已決定2024年在常石造船建造1艘氫動力拖船，并從2022年開始著手解決新拖船需要更強大動力、大型氫發(fā)動機安裝與使用等技術(shù)問題。

2.氨燃料船舶及配套系統(tǒng)研發(fā)有序推進

氨燃料船舶（拖船、液氨運輸船及相關(guān)推進系統(tǒng)）作為“下一代船舶”開發(fā)及商業(yè)化項目內(nèi)容之一，獲得了日本政府專項支持。目前，從事船用氨燃料技術(shù)商業(yè)化項目的聯(lián)合體有兩家。

第一家聯(lián)合體由日本郵船（NYK）、日本造船①由日本兩大造船巨頭今治造船、日本聯(lián)合造船（JMU）于2021年1月合資成立。（NSY）、日本發(fā)動機（J-ENG）、IHI動力系統(tǒng)等4家公司組成，將完成1艘國內(nèi)拖船和1艘遠洋氨動力船的開發(fā)和運營，按計劃前者2024年完工，后者2026年完工，日本船級社也將參與項目（見表1、圖3）。本項目總投資約120億日元，其中財政支持最多可達84億日元。

表1 氨燃料船舶開發(fā)綜合項目

圖3 氨燃料船舶開發(fā)綜合項目

另一家項目聯(lián)合體由伊藤忠商事（Itochu）、日本造船（NSY）、三井E&S、川崎汽船和NS United海運5家公司組成。項目將開發(fā)1套氨燃料推進系統(tǒng)和1艘船舶，并建設(shè)覆蓋燃料生產(chǎn)、燃料供應(yīng)的供應(yīng)鏈，目標是最早在2028年實現(xiàn)氨燃料船舶商業(yè)化應(yīng)用。項目預(yù)計總投資30億日元，其中20億日元為財政支持。

3.積極研發(fā)碳回收甲烷技術(shù)裝備

LNG動力船舶降低甲烷逃逸技術(shù)是“下一代船舶”開發(fā)及商業(yè)化項目之一，由日立造船、洋馬動力技術(shù)和商船三井聯(lián)合承擔。

氫、氨將發(fā)展為未來廣泛使用的清潔燃料，但考慮到技術(shù)開發(fā)、硬件基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等不確定性，在2050年前的能源消費中，LNG和碳回收甲烷仍然有望作為國際航運的主要燃料之一。然而，降低甲烷逃逸是面臨的主要問題。因此，上述3家公司將合作開發(fā)催化技術(shù)，以及采用降低甲烷逃逸技術(shù)的新型發(fā)動機系統(tǒng)，并由商船三井在日本名村造船訂造的1艘大型LNG燃料運煤船上進行驗證，預(yù)計到2026年實現(xiàn)LNG動力船甲烷逃逸降低70%以上的目標。本項目總投資約11億日元，其中約6億日元由財政支持。

應(yīng)用催化技術(shù)是降低甲烷逃逸的關(guān)鍵手段之一。日立造船將開發(fā)一種甲烷氧化催化劑，使主機在運行時具有較高的甲烷逃逸還原性能。本項目將驗證日立造船的催化劑和船用發(fā)動機技術(shù)，同時還將聯(lián)合洋馬動力系統(tǒng)進行發(fā)動機技術(shù)升級，包括創(chuàng)新發(fā)動機燃燒技術(shù)、提高甲烷氧化催化劑的還原比例、開發(fā)降低主機甲烷逃逸技術(shù)，并基于以上技術(shù)開發(fā)一種新型發(fā)動機。

（二）加快新一代信息技術(shù)等在船舶領(lǐng)域的示范應(yīng)用

智能船舶融合了現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能等新技術(shù)，是未來船舶發(fā)展的重點方向之一。日本將智能船舶研發(fā)作為未來產(chǎn)業(yè)突破的關(guān)鍵領(lǐng)域，重點方向是自主航行船舶、智能輔助船舶和智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)和示范應(yīng)用。

1.自主航行船舶完成實船驗證

依托“Nippon Foundation MEGURI 2040全自主無人船”計劃，日本正在開展“完全自主船舶未來設(shè)計（Designing the Future of Full Autonomous Ship，DFFAS）”項目，具體路線如圖4所示。本項目不僅涉及靠泊和離泊的自動化、按照航行計劃和避碰計劃進行航行，還包括開發(fā)和驗證一套能夠?qū)崿F(xiàn)包括陸上監(jiān)視、態(tài)勢評估和緊急情況下遠程操縱等自動操作的綜合系統(tǒng)。同時，該項目還將致力于安全和環(huán)保，幫助解決沿海航運業(yè)勞動力不足問題。

圖4 DFFA S項目路線

2022年2月，項目利用749總噸的“SUZAKU”集裝箱船，在東京灣和伊勢灣（Ise Bay）之間的擁擠水域完成了航行驗證。船上的自主系統(tǒng)作為一個模塊被安置在40英尺的集裝箱內(nèi)。在航行前，陸上基于船舶的信息、航速和其他條件自動生成航行計劃，在完成安全檢查和授權(quán)后，按照計劃進入自主航行。位于東京附近的岸上船隊運營中心，可實時收集與航行相關(guān)的所有數(shù)據(jù)（如氣候和海況），并完全掌握船只位置以及自主系統(tǒng)采取的避碰決策。在自主航行的同時，也可根據(jù)情況由陸上進行遠程操控，從而確保航行安全。

2.交付首艘智能輔助近海船舶

2019年，40多家日本近海航運船東、發(fā)動機制造商和設(shè)計公司組建了近海航運未來研究（the Future Study of Coastal Shipping）小組，以解決日本近海航運業(yè)面臨的勞動力老齡化、人員短缺等問題，并改善工作條件和減少溫室氣體排放。在各方努力下，智能輔助船（Smart Assist Ship）作為應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的下一代節(jié)能型近海船舶已經(jīng)誕生。

日本近海船建造企業(yè)本瓦造船（Hongawara SY）開發(fā)了一套包含“遠程貨物中央處理系統(tǒng)”“靠泊和離泊支持系統(tǒng)”和“遠程管理系統(tǒng)”的新系統(tǒng)，并成功用于199總噸的液態(tài)蘇打?qū)Ｓ眠\輸船近海船“RYUTO”號，有效滿足了船東Fuji Kisen對新型船舶的需求，包括減少貨物裝卸和清潔工作、減少靠泊和離泊作業(yè)中所需的船員高技能工作量并增強安全性、減少主機艙工作量等。

3.實現(xiàn)智能監(jiān)測系統(tǒng)示范應(yīng)用

2018年，日本船舶技術(shù)研究協(xié)會在日本最大私人基金會之一的日本財團（Nippon Foundation）支持下啟動了“船體結(jié)構(gòu)高精度數(shù)字孿生模型研發(fā)”項目，有包括日本聯(lián)合造船在內(nèi)6家造船企業(yè)以及大學、航運公司、國家海事研究機構(gòu)和日本船級社等參與，共同研究數(shù)字孿生技術(shù)（把船舶海上航行時船體狀態(tài)在網(wǎng)絡(luò)空間再現(xiàn)）。2021年7月28日，21萬t散貨船“DREAM CLOVER”號在日本聯(lián)合造船的津（Tsu）工場下水，其安裝了可以測量和記錄船體壓力的船體監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測系統(tǒng)，船體產(chǎn)生的應(yīng)力可以與海況等實時數(shù)據(jù)一并獲得，從而更加準確地掌握船舶在海上的實際情況，通過評估船體結(jié)構(gòu)強度，為船員提供適當?shù)募夹g(shù)支持。

在此之前，2016—2020年，日本聯(lián)合造船與日本郵船及其下屬研發(fā)機構(gòu)MTI在國土交通省的支持下，已經(jīng)完成了“超大型集裝箱船的船體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究”項目，通過在14 000 TEU集裝箱船整個船體上布置傳感器，可收集船舶航行時船體上承受的壓力數(shù)據(jù)，通過了解壓力如何影響船體強度，幫助開發(fā)船舶設(shè)計驗證和安全航行相關(guān)系統(tǒng)。

二、典型做法與經(jīng)驗分析

日本船舶工業(yè)在推進脫碳與數(shù)字化研發(fā)過程中，按照研發(fā)的重要程度、產(chǎn)業(yè)趨勢、需求特點等，形成了具有自身特點的研發(fā)體系、組織模式和政策體系，其以政府主導(dǎo)、協(xié)同分工、國際合作等為特色的科技研發(fā)管理做法值得借鑒。

對于任意的檔案實體Ai∈D設(shè)Fi為該實體的特征集合，經(jīng)過特征提取映射步驟后，檔案實體被添加到關(guān)聯(lián)圖中，檔案特征映射到對應(yīng)的特征關(guān)聯(lián)視圖內(nèi)，表示為 MAP（Ai）={Ai,Fi，}。因為檔案特征多樣性，同一視圖中的特征節(jié)點vi,vj∈Gi可以劃分為以下3種關(guān)系：

（一）將綠色船舶研發(fā)納入國家“碳中和”戰(zhàn)略體系，提出明確的發(fā)展目標和實施路徑

2020年12月，日本政府發(fā)布《綠色增長戰(zhàn)略》，2021年更新為《2050碳中和綠色增長戰(zhàn)略》，這被視為日本2050年實現(xiàn)“碳中和”時間表和路線圖，其中，船舶產(chǎn)業(yè)作為 14個產(chǎn)業(yè)之一，明確了未來發(fā)展目標和重點。該戰(zhàn)略確立了船舶產(chǎn)業(yè)在推動日本“碳中和”戰(zhàn)略中的重要作用，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有頂層牽引和推動作用。

根據(jù)上述戰(zhàn)略，日本船舶產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標是在2025—2030年實現(xiàn)零排放船舶商用化，到2050年將現(xiàn)有傳統(tǒng)燃料船舶全部轉(zhuǎn)化為氫、氨、LNG等無碳/低碳燃料船舶。重點任務(wù)包括：促進面向近距離、小型船只使用的氫燃料電池系統(tǒng)和電推進系統(tǒng)的研發(fā)和普及；推進面向遠距離、大型船只使用的氫、氨燃料發(fā)動機以及附帶的燃料儲罐、燃料供給系統(tǒng)的開發(fā)和實用化進程；積極參與國際海事組織（IMO）主導(dǎo)的船舶燃料性能指標修訂工作，以減少外來船舶CO2排放；提升LNG燃料船舶的運輸能力，提升運輸效率。

（二）通過政府主導(dǎo)的綠色創(chuàng)新基金支持“下一代船舶”研制項目，推動綠色智能技術(shù)突破

為了推動“2050碳中和綠色增長戰(zhàn)略”實施，2021年3月日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省設(shè)立“綠色創(chuàng)新基金”，總額達2萬億日元（超過1 000億元人民幣），共覆蓋17個領(lǐng)域，“下一代船舶”開發(fā)及商業(yè)化項目是其中之一。經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)委員會綠色創(chuàng)新分委會負責制定“項目資金分配政策”，相關(guān)資金提供給經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省下屬獨立行政法人機構(gòu)——新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO），用以支持研發(fā)、示范及社會實施。

目前，日本已安排350億日元（約合18億元人民幣）預(yù)算資金用于“下一代船舶”開發(fā)及商業(yè)化項目，2021年10月確定的4項課題由航運公司、船廠、主機廠商和貿(mào)易公司等12家單位合作承擔，此外還有大學、航運協(xié)會等參與，目標是在2030年前實現(xiàn)零排放船舶的商業(yè)化運營。

（三）引導(dǎo)航運、造船、配套等產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同參與研發(fā)項目，整合優(yōu)勢資源，打造共贏生態(tài)

不同于韓國龍頭企業(yè)扛大旗的組織方式，日本開展清潔能源、智能船舶等方面研究開發(fā)，主要由國土交通省等政府部門引領(lǐng)，由政府背景的社會團體組織牽頭（如NEDO），聯(lián)合業(yè)內(nèi)優(yōu)勢企業(yè)、船級社、船東等利益相關(guān)方共同參與，通過產(chǎn)業(yè)上下游聯(lián)合研發(fā)，積極培育和打造產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，推動全產(chǎn)業(yè)鏈整體提升和變革。

以DFFAS項目為例，該項目由日本海洋科學公司（Japan Marine Science）牽頭，初始有參研單位22家，現(xiàn)已達到30家。與以往智能船舶項目聚焦船舶本身不同，DFFAS項目的參研單位囊括了航運、造船、科研機構(gòu)、海事服務(wù)、機械制造商、通導(dǎo)設(shè)備制造商等諸多領(lǐng)域的日本企業(yè)，甚至包括了日本電報電話公司（NTT）、日本無線電公司（Japan R adio）等通信服務(wù)商，顯示設(shè)備制造商藝卓（EIZO Corporation）、日本氣象新聞公司、東京海上日動火災(zāi)保險和SKY Perfect JSAT衛(wèi)星服務(wù)公司等。

（四）高度重視國際法規(guī)、標準對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用，積極爭奪國際話語權(quán)和構(gòu)建技術(shù)壁壘

日本格外重視國際法規(guī)、標準對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的引領(lǐng)作用，早在2006年就發(fā)布《日本國際標準綜合戰(zhàn)略》，從頂層謀劃和布局國際標準制定競爭。在海事領(lǐng)域，日本是IMO重要成員國，近年來積極搶占國際標準高地，提升清潔燃料替代、智能船舶等領(lǐng)域的競爭力。

以智能船舶為例，日本將國際規(guī)則制定作為其智能船舶發(fā)展戰(zhàn)略的重要一環(huán)，認為這是面向智能船舶未來競爭和發(fā)展的重要“戰(zhàn)場”。日本以“智能船舶應(yīng)用平臺（Smart Ship Application Platform，SSAP）”項目為基礎(chǔ)，先后主導(dǎo)提出并推動了10余項國際標準，覆蓋了船舶通導(dǎo)、航向控制、航行記錄、信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域，形成了圍繞“船舶數(shù)據(jù)中心”（ShipDC）概念和架構(gòu)的系列國際標準集合，在國際上具有了一定的認可度，可能對全球智能船舶未來技術(shù)路線的選擇起到一定引領(lǐng)作用。

三、相關(guān)啟示

日本作為零碳船舶、智能船舶產(chǎn)業(yè)國際海事規(guī)則制定的強勢參與方，其在科研項目設(shè)置、技術(shù)路線選擇等方面的做法，對我國的發(fā)展具有很好的借鑒價值。

一是在全球造船業(yè)綠色化、智能化發(fā)展加速和競爭日趨激烈的背景下，我國造船業(yè)應(yīng)加強頂層統(tǒng)籌規(guī)劃，研究制定造船業(yè)中長期綠色化、智能化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，加大政策引導(dǎo)與資金支持，爭取在船舶綠色化、智能化競爭中搶奪先機。

二是發(fā)揮我國造船業(yè)在研發(fā)設(shè)計、組裝建造、配套服務(wù)等全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)分工明確、協(xié)同協(xié)作的行業(yè)發(fā)展格局，推動國內(nèi)海事領(lǐng)域綠色、智能技術(shù)和裝備研發(fā)、設(shè)計制造、試驗驗證、示范應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化推廣。

三是重視國際規(guī)則將對未來行業(yè)發(fā)展的“塑造”作用，積極參與國際標準研究與制定，主動向IMO、ISO等國際組織提案，爭奪國際話語權(quán)，在面向未來的競爭中掌握主動。