“雙碳”背景下綠色船舶減排路徑探索

東 亞 王 森

（1.上海振華重工(集團)股份有限公司，上海 200125；2.上海交通大學，上海 200240）

0 引言

據(jù)國際能源署發(fā)布的報告顯示，2021 年全球CO2排放量約為363 億 t，其中航運業(yè)CO2排放量約為8.33 億 t，占全球排放總量的比例約為2.3%，如不采取積極管控措施，這一數(shù)字將于2050 年飆升至18%。為加快遏制航運業(yè)及造船業(yè)的碳排放，減緩全球變暖，國際各大組織及各國家紛紛出臺相應規(guī)范及制度，國際海事組織（International Maritime Organization，簡稱IMO）特別制定了一系列碳減排的相關戰(zhàn)略指導及行業(yè)規(guī)范。中國于2020 年提出“碳達峰”和“碳中和”愿景，而新造船、改造船的技術和能源改革，是航運業(yè)完成“雙碳”目標的重要推力，綠色船舶、綠色航運勢在必行。

1 航運與造船業(yè)的碳減排目標及戰(zhàn)略愿景

由于國際航運活動具有全球動態(tài)性的特點，遠洋船舶穿梭于各個國家的不同港口之間，受不同地區(qū)的政治、經濟、法規(guī)的影響較大，該特殊現(xiàn)實情況要求全球各個國家需要統(tǒng)一組織，制定統(tǒng)一國際規(guī)范。IMO 是聯(lián)合國中承擔制定海上減排目標的專職機構，以創(chuàng)建和維護公平、有效的航運業(yè)框架為己任，促進行業(yè)內的可持續(xù)發(fā)展，保障全球海上安全。

1.1 “初步戰(zhàn)略”的制定與設立

IMO 在2018 年4 月發(fā)布了《IMO 船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》（以下簡稱“初步戰(zhàn)略”)等相關戰(zhàn)略指導，并且將在今年2023 年對初版戰(zhàn)略重新修訂，該戰(zhàn)略是全球航運業(yè)的首個氣候框架，同時對標國際氣候公約應對全球環(huán)境變暖的要求，對國際航運業(yè)作出重要減排指示，加速航運及造船業(yè)向低碳零排轉型升級。

1.2 “初步戰(zhàn)略”的減排力度與目標

對于2013 年后新交付的船舶計算“船舶能效設計指標（EEDI）”，對于2013 年前交付的存量船舶控制“現(xiàn)有船舶能效指標（EEXI）”，并對照評估船舶的“碳排放強度指標（CII）”來有效控制船舶的實際碳排放量，要求船隊根據(jù)自身的參數(shù)進行設計設置，優(yōu)化船舶的能效管理，積極應對海上溫室氣體排放新規(guī)?！俺醪綉?zhàn)略”的具體實施包含5 個步驟，要求逐步完成對海上溫室氣體排放總量的控制，力爭在2050 年達到平均碳強度同比于2008 年下降至少70%、溫室氣體排放總量下降50%的戰(zhàn)略目標，并盡早在21 世紀中葉完成溫室氣體零排放的宏偉目標。

1.3 “初步戰(zhàn)略”的三階段措施

為實現(xiàn)階段性減排目標，會議提議了3 個階段的候選措施，以船舶強制性能效要求為基礎，力求能夠有效解決溫室氣體排放問題。在“初步戰(zhàn)略”中，短期措施包括對現(xiàn)有能效框架的修改和完善，相關減排計劃制定與執(zhí)行等措施性機制改革；中期措施包括實施低碳和零碳燃料等新型燃料來替代傳統(tǒng)船舶重油和輕油，對新造船和存量船實施加裝減排設備等技術性手段提升；長期措施包括進一步開發(fā)和使用新能源燃料，引入其他減排機制等,以利于發(fā)揮行業(yè)間協(xié)同作用。

2 綠色船舶減排新技術的應用

由于“初步戰(zhàn)略”中所提及的部分要求已經生效或即將生效，行業(yè)的技術革新刻不容緩。除新造船的要求外，市場上目前仍在服役的船只及船隊可通過多種節(jié)能減排的技術手段，在保證經濟性的條件下，選擇外置加裝設備的方式來減少油耗、優(yōu)化營運以實現(xiàn)減排目標。

2.1 氣層減阻技術

氣層減阻技術是目前應用在船舶上的一種新型節(jié)能技術，其基本原理是利用水流和空氣在密度和黏度上的差異，將空氣或主機廢氣注入船舶底部形成一層薄氣層，減小船舶航行期間的風阻。據(jù)研究數(shù)據(jù)顯示，氣層減阻技術的應用能有效減少約15%～25%的船舶航行阻力，在提高船舶能效同時可有效防治船舶污染[1]。氣層減阻技術對提高船舶經濟航速、改善船舶航行污染、構建綠色低碳運輸體系具有重要的經濟及環(huán)保價值，目前已在大型運輸船舶節(jié)能減排等方面受到了業(yè)內的認可。

2.2 風帆助航技術

風能應用于船舶領域的歷史悠久，作為一種天然的可再生清潔能源，風帆自古以來被用作船舶推進動力。20 世紀六七十年代，風帆再次進入現(xiàn)代化船舶的研發(fā)視野，但因技術瓶頸及其操作復雜性曾一度擱置。近年來，由于全球氣候變暖和海上溫室氣體的排放增量，國際間組織的戰(zhàn)略減排推進，各國再次加大了對于風帆技術的研究與應用。相較于其他燃料推進方式，風力推進是一種免費且零排放的動力來源，據(jù)研究，安裝風帆可以節(jié)能4%～10%，是當前船舶外置減排技術中應用較為常見的技術手段之一[2]。目前推廣外置風帆面臨的困難，主要包括現(xiàn)有船舶甲板面積的局限性，以及風帆助航裝置的安裝與運維難度，并且需要對船員進行專業(yè)的操作培訓，選擇與替代燃料結合使用將有助于推動風帆助航的進一步市場化。

2.3 碳捕集、利用與封存技術

碳捕集、利用與封存技術自20 世紀30 年代開始進入商業(yè)化進程，指的是將燃燒排放源產生的CO2分離后，可進行再利用或處理后輸送至指定地點進行永久封存，通過該項技術處理后能夠避免溫室氣體直接排放到大氣中，從而減弱溫室效應[3]。碳捕集、利用與封存技術現(xiàn)主要應用于陸地上各大電廠和熱電廠，相較于陸上使用，海上碳捕集與封存仍面臨許多挑戰(zhàn)，一是船舶空間有限，船上改造難度大；二是該系統(tǒng)本身也需要消耗能量，設備復雜度較高，對船舶性能會產生一定的影響；三是CO2存儲在船上存在安全性以及經濟性制約；四是現(xiàn)階段碳捕集成本高昂。鑒于以上因素，碳捕集和封存的技術還需進一步的實踐來證明其效果。

3 綠色船舶減排新燃料的應用

為加快實現(xiàn)造船業(yè)與航運業(yè)的碳減排戰(zhàn)略目標，僅通過船隊運營規(guī)劃、船舶技術改進等路徑帶來的效果始終有限，必須在行業(yè)規(guī)范、技術升級的基礎上進一步研發(fā)和使用新型綠色燃料，多方面共同協(xié)作努力，推動航運業(yè)融合發(fā)展，加快實現(xiàn)IMO“初步戰(zhàn)略”的宏偉目標。

3.1 低碳燃料

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）是目前航運業(yè)碳減排過程中首選的低碳燃料，相較于傳統(tǒng)船舶燃油，LNG 的燃燒排放污染更少，并具有燃點高、抗爆性好的安全特性，是船舶航運業(yè)為加快溫室氣體減排的最佳過渡燃料[4]。

近年來，越來越多的雙燃料動力船正在取代傳統(tǒng)重油船舶，LNG 是現(xiàn)行經濟和技術條件下最成熟、最安全的動力選擇，受到了各大航運公司及船東的青睞，根據(jù)船機領導者曼恩（MAN）及瓦錫蘭（Wartsila）的市場分享，目前新造船中有超過30%選擇雙燃料發(fā)動機。相較于LNG 動力新造船市場的火爆，LNG 港口加注業(yè)務發(fā)展仍然緩慢，LNG加注模式也同樣有局限性。根據(jù)克拉克森提供的報告顯示，當前全球范圍內可提供LNG 加注服務的港口達185 個，約為全球港口數(shù)量的14%左右。與此同時，LNG 動力船的建造成本及運營成本對船舶航運業(yè)造成不小經濟壓力，而國內LNG 船舶的建造工藝和生產設備的落后同樣制約了行業(yè)的大規(guī)模發(fā)展。

3.2 零碳燃料

氫氣與氧氣的燃燒產物為清潔水，氨氣與氧氣燃燒產生氮氣和水，受制于當前經濟、技術和安全等綜合因素，氫和氨是當前綠色船舶發(fā)展的理想零碳燃料。

通過對比氫和氨2 種燃料可知，氫的存儲和處理要求遠遠高于氨，保存氫氣需要先冷卻至接近絕對零度（-239.15℃），并且必須由復雜而耗能的冷卻系統(tǒng)來完成；而氨可直接由氫和空氣中的氮氣制成，與氫相比，氨的存儲只需要在-10℃時加壓液化即可，其成本相對來說較低且更容易運輸[5]。然而，現(xiàn)階段氨氣作為替代燃料也面臨如下幾個挑戰(zhàn)，一是氨氣的缺點為熱值低，燃燒性差，并且有毒性；二是適用于氨燃料的發(fā)動機還在不斷研發(fā)過程中，仍未實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化，雖或在今年內可投入商用，但其真實效果仍待市場檢驗。

4 “雙碳”背景下綠色船舶減排的發(fā)展趨勢

隨著船舶航運業(yè)碳減排壓力增大，為了滿足國際海事組織長期減排目標，當前所使用的低碳燃料并不能達到IMO關于2050 年溫室氣體凈零排放目標，因此零碳燃料或新型動力源的應用也亟待發(fā)展，過渡期間外置減排技術如風帆助航與替代燃料的結合使用能發(fā)揮出更好的節(jié)能減排效果。

“雙碳”目標及溫室氣體減排要求對船舶的初始投資和營運成本帶來新的壓力，改變行業(yè)競爭格局，綠色低碳、節(jié)能減排成為航運船舶業(yè)的發(fā)展主流。我國在綠色船舶創(chuàng)新技術研發(fā)、標準規(guī)范制度的建立方面仍有許多不足，應不斷推進船舶設計方案的優(yōu)化改革和新型替代燃料的研究推廣，促進綠色船舶行業(yè)協(xié)同發(fā)展。