基于經(jīng)濟(jì)性分析的散貨船脫碳路徑研究

汪穎異 杜 亮 金 強(qiáng)

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

0 引言

從2023 年1 月1 日開始，營(yíng)運(yùn)碳強(qiáng)度（carbon intensity indicator,CII）和現(xiàn)有船舶技術(shù)能效（energy efficiency existing ship index,EEXI）正式生效[1]。5 000 總噸以上的船舶將需要每年度評(píng)估CII，預(yù)計(jì)采用年度能效比（annual efficiency ratio,AER）作為指標(biāo)。每艘船所達(dá)到的CII 值將與按溫室氣體減排目標(biāo)指定的CII 規(guī)定值進(jìn)行比較，按照其達(dá)標(biāo)情況，船舶將會(huì)被給予A 到E 的評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)為D 和E的船舶將需要實(shí)施能效改進(jìn)措施。歐洲碳邊界調(diào)整機(jī)制（碳關(guān)稅）將于2023 年10 月1 日正式生效，涵蓋鋼鐵、水泥、電力、化肥和鋁這5 個(gè)行業(yè)[2]。航運(yùn)業(yè)納入歐盟碳交易體系的立法方案已在2023 年2 月初步確立，將逐年提高行業(yè)需清繳的碳排放量，從2024 年的40%逐年提高到2026 年的100%，涉及歐洲航線的航運(yùn)公司在2025 年9 月30 日前需要真正繳納航運(yùn)碳稅[3]。因此，替代燃料動(dòng)力船愈發(fā)受到船東歡迎。2022 年新船訂單中，替代燃料動(dòng)力船占44.5%[4]，遠(yuǎn)高于2021 年的27.6%。

航運(yùn)業(yè)巨頭（如馬士基、達(dá)飛等公司）已率先制定了未來(lái)的脫碳規(guī)劃?，F(xiàn)階段馬士基專注于甲醇在船上的應(yīng)用，2022 年訂造的集裝箱船全部可用甲醇動(dòng)力，且其在綠色甲醇供應(yīng)鏈方面也已經(jīng)布局，目前已與Reintegrate、European Energy、?rsted 等7家公司簽訂綠色甲醇供應(yīng)協(xié)議。達(dá)飛創(chuàng)立了1 個(gè)能源基金，從2022 年開始，計(jì)劃5 年內(nèi)投資15 億美元，用于研發(fā)生物燃油、生物甲烷、電化甲烷、碳中和甲醇及其他替代燃料，其近2 年訂造的船也以液化天然氣（liquified natural gas,LNG）動(dòng)力和甲醇動(dòng)力為主。LNG 和甲醇是目前市場(chǎng)上相對(duì)成熟的替代燃料，但在三大主力船型中主要應(yīng)用于集裝箱船和油船，在低附加值的散貨船上應(yīng)用較少。

船東對(duì)替代燃料的選擇考慮多種因素，如燃料供應(yīng)鏈、存儲(chǔ)環(huán)境、能量密度、燃料價(jià)格、船舶初投資、營(yíng)運(yùn)成本，以及主機(jī)、燃料供應(yīng)系統(tǒng)等船上設(shè)備的成熟度等情況。本文將從替代燃料船舶的經(jīng)濟(jì)性角度著眼，采用總擁有成本分析法[5]，通過(guò)比較，極低硫燃料油（very low sulfur fuel oil,VLSFO）、生物柴油、LNG、綠色甲醇、綠氨等5種相對(duì)熱門的燃料應(yīng)用于散貨船的經(jīng)濟(jì)性，判斷替代燃料對(duì)散貨船船東的吸引力。

1 現(xiàn)階段散貨船脫碳方式

節(jié)能減排方式主要有2 種，分別為型線優(yōu)化、水動(dòng)力節(jié)能、加裝氣泡減阻等傳統(tǒng)方式，以及使用LNG、生物燃料、甲醇、氫、氨等低碳/零碳燃料的方式[6]。LNG 是目前最成熟的船舶替代燃料，在散貨船上也有一定應(yīng)用，即便其是三大主力船型中最晚也是最少使用LNG 燃料的船型。據(jù)IHS 公司的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[7]，截至2023 年4 月，全球共有63 艘LNG 動(dòng)力散貨船，船型集中于紐卡斯?fàn)栃秃秃猛切瓦@類大型散貨船中，其中27 艘待交付。全球主要船東的LNG 動(dòng)力散貨船訂單情況如表1 所示。

表1 全球主要船東LNG 動(dòng)力散貨船訂單情況

為了不使燃料艙的增加對(duì)貨艙產(chǎn)生影響，有船東選擇將LNG 燃料艙布置在甲板上。H-Line 公司已交付的18 萬(wàn)載重噸HL Green 號(hào)LNG 動(dòng)力散貨船（圖1）便將2 個(gè)1 600 m3的LNG 燃料罐布置于船尾甲板[8]。此種布置方式不僅縮小了生活區(qū)，給船員生活帶來(lái)不便，并且存在一定的安全隱患。運(yùn)營(yíng)散貨船的輪機(jī)管理員需參加培訓(xùn)且具備液化氣管理培訓(xùn)證書，這也增加了船東的運(yùn)營(yíng)成本。此外，LNG 動(dòng)力系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)等與燃料相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用，均會(huì)導(dǎo)致船舶建造成本增加。上述因素都會(huì)影響到散貨船船東應(yīng)用LNG 的積極性。

目前，常石造船、揚(yáng)子江集團(tuán)等已獲得甲醇動(dòng)力散貨船的訂單[9]，主要集中于卡姆薩爾型中型散貨船。從燃料儲(chǔ)存角度看，甲醇比LNG 更適用于船舶，但受限于綠色甲醇供應(yīng)鏈薄弱和較低的能量密度，甲醇動(dòng)力目前來(lái)看可能難以廣泛使用。

2 碳捕獲系統(tǒng)在散貨船上的適用性分析

預(yù)計(jì)應(yīng)用于航運(yùn)的零碳燃料（如綠氫/綠氨）、碳中和燃料（如綠色甲醇）目前供應(yīng)鏈還不成熟，成本較高。中長(zhǎng)期內(nèi)，低硫油、LNG 等燃料仍然會(huì)大規(guī)模應(yīng)用于航運(yùn)，碳捕獲系統(tǒng)可在脫碳上發(fā)揮重大作用。

二氧化碳的分離和捕獲可分為燃燒前和燃燒后[10]。燃燒前捕獲利用重整將氣體分成氫氣和二氧化碳，該工藝可將含碳燃料轉(zhuǎn)化成氫氣用于氫燃料電池中；燃燒后捕獲是捕獲并存儲(chǔ)廢氣中的二氧化碳。用液態(tài)胺吸收二氧化碳的后端捕獲系統(tǒng)包含捕獲裝置、液化裝置和儲(chǔ)罐，如 圖2 所示[10]。

圖2 二氧化碳捕獲系統(tǒng)

船端安裝二氧化碳捕獲系統(tǒng)需要考慮二氧化碳儲(chǔ)罐的存儲(chǔ)空間（目前放置在甲板上的居多）、額外能耗、儲(chǔ)罐布置對(duì)船體強(qiáng)度的影響以及二氧化碳上岸用途等因素。馬士基零碳航運(yùn)中心對(duì)應(yīng)用低硫油和甲醇的20.5 萬(wàn)載重噸散貨船安裝碳捕獲系統(tǒng)的情況進(jìn)行了研究[11]，安裝捕獲率為50%的捕獲系統(tǒng)需2 個(gè)1 200 m3的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐布置在上層建筑兩側(cè)，總布置圖如圖3 所示[11]。該散貨船航行于澳大利亞—日本航線。二氧化碳捕獲系統(tǒng)成本占船舶建造成本的41%，船端二氧化碳降低43%，但也造成了16%的額外能耗，還損失了1 500 t 的載貨量。若捕獲率高達(dá)90%，則難以布置在甲板上，因布置后將會(huì)損失1 個(gè)貨艙，這對(duì)船東來(lái)說(shuō)難以接受。捕獲的二氧化碳如何處理，也是船東安裝碳捕獲系統(tǒng)所必須考慮的問(wèn)題之一。二氧化碳可埋藏于地底，也可對(duì)外售賣。售賣或許可為船東獲得額外收益，但船端捕獲的二氧化碳成本較高，難以出售，且相關(guān)的物流環(huán)節(jié)也較繁復(fù)，二氧化碳去向這一環(huán)節(jié)較難打通。不過(guò)，對(duì)于擁有燃料供應(yīng)鏈的大船東來(lái)說(shuō)，將二氧化碳作為甲醇的原料，仍不失為一種較好的選擇。

圖3 安裝碳捕獲系統(tǒng)的20.5 萬(wàn)載重噸散貨船總布置

對(duì)于散貨船這類對(duì)貨艙容積及成本增加較敏感的船型，較難大規(guī)模采用在船上布置二氧化碳捕獲系統(tǒng)的脫碳方式。

3 替代燃料應(yīng)用在散貨船上的經(jīng)濟(jì)性比較

本文以20.5 萬(wàn)載重噸的紐卡斯?fàn)栃蜕⒇洿瑸槔?，分析比較應(yīng)用低硫油+碳稅、生物柴油+碳稅（對(duì)于不同原料種類及加工工藝對(duì)應(yīng)不同的溫室氣體減排值，這里假設(shè)原料為葵花油，減排52%[12]）、LNG+碳稅、灰甲醇+碳稅、綠甲醇、綠氨這6 種情況的經(jīng)濟(jì)性，以此為指標(biāo)得出散貨船的碳減排方式。

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)及假定

該20.5 萬(wàn)載重噸散貨船的典型航線為澳大利亞紐卡斯?fàn)柛邸毡敬筅娓?，航行距離4 153 n mile，其船型參數(shù)如表2 所示。

表2 20.5 萬(wàn)載重噸散貨船船型參數(shù)

假設(shè)正常航行平均航速為13.5 kn，單航次航行耗時(shí)35.8 d，其中包含進(jìn)出港、港內(nèi)等待、港內(nèi)裝卸貨和正常航行這4 個(gè)階段的耗時(shí)，如表3 所示。

表3 單航次航行耗時(shí)

低硫油主機(jī)型號(hào)為G70ME-C9.5，在13.5 kn 營(yíng)運(yùn)航速下的主機(jī)功率為11 035 kW，根據(jù)MAN 關(guān)于該機(jī)型的報(bào)告，可以得到在100%和75%工況下燃油消耗率分別為167 g/（kW·h）和163 g/（kW·h）。生物柴油特性與化石柴油類似，可直接應(yīng)用G70ME-C9.5 主機(jī)。LNG 雙燃料主機(jī)型號(hào)為G70MEC9.5-GI，在100%和75%工況下燃油消耗率分別為141 g/（kW·h）和135 g/（kW·h）[13]，甲醇和氨主機(jī)的燃油消耗率根據(jù)其最低熱值換算。

低硫油、甲烷、甲醇和氨的低位熱值及相應(yīng)主機(jī)在75%和100%工況下的燃油消耗率如表4 所示。查詢IHS 中關(guān)于該船的參數(shù)，該船的輔機(jī)功率為920 kW。

表4 6 種燃料的低位熱值及相應(yīng)主機(jī)的燃油消耗率

燃料費(fèi)是不同燃料動(dòng)力方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比最為重要的影響因素。可查詢到2021 年7 月大阪港的低硫油加注價(jià)格為每噸445 美元[14]，暫未查詢到該港口LNG 的加注價(jià)格。本文采用2023 年4 月24 日鹿特丹的LNG 加注價(jià)格，為每噸846 美元[15]。綠氨和綠甲醇目前尚未形成規(guī)模化，暫無(wú)市場(chǎng)價(jià)。

據(jù)畢馬威預(yù)測(cè)，2030 年綠氨將具備商業(yè)化能力，生產(chǎn)的最低成本約為每噸475 美元[16]，從生產(chǎn)端到加注端會(huì)涉及燃料運(yùn)輸、分銷以及過(guò)程中相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，假設(shè)綠氨加注價(jià)格為生產(chǎn)成本的2 倍，即950 美元/t。

據(jù)國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)（international renewable energy agency,IRENA）預(yù)測(cè)，2050 年綠甲醇將具備商業(yè)化能力，生產(chǎn)成本為每噸250～ 630 美元[17]，這里假設(shè)為每噸630 美元；同樣，假設(shè)綠甲醇加注價(jià)格為生產(chǎn)成本的2 倍，即每噸1 260 美元。

生物柴油作為船用燃料目前僅為試點(diǎn)，并無(wú)加注價(jià)格。據(jù)研報(bào)分析，2021 年中國(guó)生物柴油每噸均價(jià)為8 740 元[18]，本文假設(shè)該價(jià)格為加注價(jià)。

Methanex 公司公布了2023 年6 月份中國(guó)灰甲醇的合同價(jià)為每噸330 美元[19]，假設(shè)該價(jià)格為加注價(jià)。本文同時(shí)考慮了應(yīng)用常規(guī)燃料交碳稅的情況，并據(jù)路透社預(yù)測(cè)，2025 年歐洲碳稅為每噸102.24 歐元[20]。文中應(yīng)用的燃料費(fèi)用和碳稅如表5 所示。

表5 文中應(yīng)用的燃料費(fèi)和碳稅 美元

3.2 20.5萬(wàn)載重噸散貨船建造和運(yùn)營(yíng)成本

據(jù)IHS 公司官網(wǎng)查詢，常規(guī)燃油動(dòng)力的20.5萬(wàn)載重噸散貨船造價(jià)為7 300 萬(wàn)美元。由于生物柴油的黏度比化石柴油大，且高濃度的生物柴油可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)部件的腐蝕[21]，因此需根據(jù)生物柴油的混合比例對(duì)船舶進(jìn)行適當(dāng)改造，本文假設(shè)應(yīng)用其他燃料的船舶造價(jià)與應(yīng)用常規(guī)燃油的船舶一致。

由于LNG 需在-163 ℃超低溫儲(chǔ)存，圍護(hù)系統(tǒng)往往采用成本較高的薄膜型、B 型或C 型艙，其動(dòng)力系統(tǒng)成本也較高，故整船船價(jià)高于其他動(dòng)力的散貨船，本文假設(shè)溢價(jià)20%。甲醇可常溫常壓儲(chǔ)存，對(duì)燃料艙的要求比LNG 和氨低很多，其動(dòng)力系統(tǒng)的成本低于LNG 和氨，本文假設(shè)溢價(jià)15%。氨需在-33 ℃條件下儲(chǔ)存，通常采用C 型艙，假設(shè)其溢價(jià)在LNG 動(dòng)力和甲醇動(dòng)力之間，為17%。各動(dòng)力的散貨船船價(jià)如表6 所示。

表6 各類動(dòng)力20.5 萬(wàn)載重噸散貨船船價(jià)

運(yùn)營(yíng)成本通常包括燃油費(fèi)、港口費(fèi)、船員工資、管理費(fèi)、主機(jī)/輔機(jī)維修保養(yǎng)費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)和碳稅，其中船員人均年薪假定為3 萬(wàn)美元，管理費(fèi)取船員 資的25%；主機(jī)和輔機(jī)的保養(yǎng)周期假設(shè)為1 000 h、大修周期為25 000 h；保養(yǎng)費(fèi)取主機(jī)/輔機(jī)初投資的1%，大修費(fèi)用取初投資的30%；保險(xiǎn)費(fèi)假設(shè)為船舶造價(jià)的1%。

6 種動(dòng)力船的成本預(yù)估如圖4 所示。

綠甲醇和綠氨動(dòng)力船的年?duì)I運(yùn)成本非常高，在該碳稅下，采用綠甲醇或綠氨沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。盡管灰甲醇價(jià)格低于低硫油，但由于甲醇體積能量密度低且采用灰甲醇仍有碳排，灰甲醇動(dòng)力船的年?duì)I運(yùn)成本仍高于常規(guī)燃料油動(dòng)力船。

3.3 不同燃料方案經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

6 種動(dòng)力船的油耗及碳排放量數(shù)據(jù)如下頁(yè)表7所示。從二氧化碳的排放量來(lái)看，常規(guī)燃料方案無(wú)疑排放量最大。LNG 的二氧化碳減排為25%左右，生物柴油的二氧化碳排放比傳統(tǒng)燃油低了52%，因此LNG 和生物柴油屬于脫碳的過(guò)渡燃料。采用灰甲醇船端減排僅11%左右，考慮碳稅后，其成本仍高于常規(guī)燃料油，故幾乎沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。真正實(shí)現(xiàn)碳中和或者零碳，還是需采用綠甲醇或者綠氨作為動(dòng)力。

表7 6 種動(dòng)力船的油耗及碳排放量情況

未來(lái)對(duì)于碳排放量較高的船舶，碳稅是調(diào)節(jié)能源結(jié)構(gòu)的手段之一。在2025 年碳稅102.24 歐元/t情況下，采用常規(guī)燃料油從成本角度仍有最大優(yōu)勢(shì)，其增加的貨物成本僅為1.3 美元/t；若采用綠甲醇，則增加的貨物成本為7.6 美元/t；采用綠氨，則增加4.6 美元/t。如若采用綠甲醇和綠氨的方式，碳稅需分別增加到692 美元/t 和439 美元/t，與常規(guī)燃料油相比才有競(jìng)爭(zhēng)力。

由于甲醇和氨較低的體積能量密度，其所占燃油艙的體積是常規(guī)燃油的2～ 3 倍，故會(huì)導(dǎo)致艙損。此外，盡管綠甲醇和綠氨可認(rèn)為接近于無(wú)二氧化碳排放，但即使考慮碳稅后，傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船的營(yíng)運(yùn)成本仍遠(yuǎn)低于甲醇/氨動(dòng)力船，這是由于目前LNG 加注價(jià)格較高，即使采用LNG 比傳統(tǒng)燃油更節(jié)能，LNG 動(dòng)力船的營(yíng)運(yùn)成本仍高于傳統(tǒng)燃油動(dòng)力船，且LNG 仍有碳排，考慮碳稅后將導(dǎo)致其成本進(jìn)一步增加。生物柴油由于生物質(zhì)收集困難、成本較高，最終導(dǎo)致營(yíng)運(yùn)成本高于常規(guī)燃料和LNG。對(duì)于散貨船來(lái)說(shuō)，僅從經(jīng)濟(jì)性角度考慮（碳排因素已通過(guò)經(jīng)濟(jì)手段進(jìn)行了主動(dòng)補(bǔ)償），采用常規(guī)燃料油似乎更為合適。

4 結(jié)語(yǔ)

燃料的減排能力、燃料價(jià)格、燃料儲(chǔ)存條件、船端技術(shù)成熟度以及船端經(jīng)濟(jì)性等是替代燃料應(yīng)用于船舶的主要考慮因素，這些因素對(duì)于散貨船的影響如圖5 所示。

圖5 各燃料對(duì)散貨船影響雷達(dá)圖

對(duì)于散貨船這類低附加值船型來(lái)說(shuō)，單航次的燃料消耗并不大，“常規(guī)燃料油+碳稅”的方式或許更加適用。安裝碳捕獲系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)脫碳，但即使捕獲50%的二氧化碳，也將額外造成16%的能耗，且二氧化碳儲(chǔ)罐的布置可能會(huì)造成艙損，而且捕獲而得的二氧化碳如何處理也將是一大難題。

對(duì)散貨船而言，或?qū)⒉坏貌豢紤]傳統(tǒng)的節(jié)能方式而非采用替代燃料或加裝碳捕獲系統(tǒng)，若面臨極為嚴(yán)格的脫碳要求，則采用交碳稅的方式獲得航行許可。不過(guò)，如若長(zhǎng)此以往，散貨船的CII 評(píng)級(jí)將必定落入E 級(jí)。盡管目前還未對(duì)不遵守CII 規(guī)定的船舶出臺(tái)正式制裁規(guī)定，但考慮到極端情況下，未來(lái)可能不允許該類船舶航行，屆時(shí)，散貨船將不得不考慮采用清潔燃料。