汪穎異 金 強(qiáng) 潘 放

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

0 引 言

隨著國(guó)際海事組織（IMO）于2018年發(fā)布《IMO減少船舶溫室氣體排放初步戰(zhàn)略》，國(guó)際航行船舶溫室氣體的排放控制愈發(fā)受業(yè)內(nèi)關(guān)注。90%的全球貿(mào)易通過(guò)海運(yùn)完成，船舶溫室氣體的減排對(duì)全球升溫的控制有重要意義。船舶的減排主要通過(guò)2種方式：一是傳統(tǒng)的技術(shù)變革，例如船型優(yōu)化、氣泡減阻和應(yīng)用風(fēng)帆等； 另一種是燃料的變革，即采用LNG、甲醇、氨和氫等低碳甚至零碳燃料。目前行業(yè)內(nèi)正在大力研究適用于船舶的替代燃料，LNG、甲醇、生物柴油、氫和氨等均為熱門的研究對(duì)象。有學(xué)者認(rèn)為L(zhǎng)NG是船舶轉(zhuǎn)向零碳燃料的過(guò)渡燃料，中長(zhǎng)期的選擇將會(huì)是綠甲醇和綠氨，遠(yuǎn)期將是氫能占主導(dǎo)。

本文通過(guò)調(diào)研，初步確立了船東對(duì)于替代燃料的看法，即LNG、甲醇、氨和氫都將可能是船東的選擇，未來(lái)的船用燃料極有可能呈現(xiàn)多樣化的狀態(tài)，燃料供應(yīng)鏈、主機(jī)技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施和船型等都將影響替代燃料動(dòng)力船的發(fā)展。本文將從這幾個(gè)角度出發(fā)，分析預(yù)測(cè)未來(lái)替代燃料動(dòng)力船的發(fā)展趨勢(shì)。

1 替代燃料情況分析

作為遠(yuǎn)洋船舶的替代燃料，甲醇、氨和LNG在市場(chǎng)上掀起一股熱潮。甲醇、氨和LNG作為替代燃料，在理化特性上與重油（high fuel oil，HFO）存在較大差別，與船端應(yīng)用有關(guān)的特性如表1所示。

表1 替代燃料理化特性

替代燃料全生命周期的減排能力、獲取便利性、經(jīng)濟(jì)性及船端的技術(shù)成熟度是影響船舶替代轉(zhuǎn)型的主要因素，這3種替代燃料在這些因素上的情況如表2所示。

表2 替代燃料的具體情況

生物L(fēng)NG/甲醇通過(guò)生物質(zhì)生產(chǎn)，電化甲醇由二氧化碳與綠氫合成。根據(jù)二氧化碳來(lái)源不同，電化甲醇可分成兩類：一類是綠色甲醇，二氧化碳直接通過(guò)空氣捕獲或生物質(zhì)燃燒獲得，這樣的甲醇是碳中和燃料；另一類是替代甲醇，二氧化碳從發(fā)電廠、鋼鐵和水泥廠等捕獲而來(lái)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，化石燃料將逐步被替代/零碳燃料替代。LNG作為過(guò)渡燃料依舊有發(fā)展空間，以可再生甲醇、綠氨為代表的碳中和/零碳替代燃料隨著技術(shù)和供應(yīng)鏈不斷完善將逐步得到應(yīng)用，燃料的多樣性將是未來(lái)趨勢(shì)。

盡管氫不直接作為航運(yùn)燃料，但其是電化甲醇和電化氨的制備原料。中國(guó)是世界第1產(chǎn)氫大國(guó)，2019年全國(guó)氫氣產(chǎn)量約2 000萬(wàn)t，以煤制氫為主，國(guó)內(nèi)電解水制氫不足1%，全球其他國(guó)家主要以天然氣為原料制備氫。以煤、天然氣等化石能源制氫（灰氫）會(huì)造成極高的碳排放，作為電化甲醇和電化氨的原料，氫源必須是替代甚至零碳。國(guó)際上推出藍(lán)氫，由LNG制氫配合碳捕獲、利用和封存技術(shù)（carbon capture，utilization and storage,CCUS）得到，研究表明其二氧化碳排放量相較于灰氫降低9% ～ 12%，沙特阿美、殼牌等公司均有藍(lán)氫示范項(xiàng)目，在綠氫（由可再生能源電解水制備）產(chǎn)能低下、成本較高的當(dāng)下可以藍(lán)氫作為過(guò)渡。綠氫需依靠可再生能源，丹麥、英國(guó)和德國(guó)等國(guó)家均在大力開發(fā)海上風(fēng)電制氫，目前歐洲的研發(fā)進(jìn)度幾乎領(lǐng)先全球，國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)相應(yīng)示范項(xiàng)目。

2 替代燃料動(dòng)力船現(xiàn)存問(wèn)題探討

2.1 國(guó)內(nèi)調(diào)研情況

為把握替代燃料船舶產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)方有關(guān)業(yè)務(wù)布局，加強(qiáng)對(duì)實(shí)際情況的認(rèn)識(shí)和理解，交流碰撞未來(lái)發(fā)展思路，我們?cè)谘芯刻娲剂蟿?dòng)力船時(shí)對(duì)國(guó)內(nèi)典型航運(yùn)企業(yè)、燃料供應(yīng)企業(yè)和海事監(jiān)管機(jī)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)研。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：行業(yè)內(nèi)并未對(duì)替代燃料的選擇形成明確路線，LNG、甲醇和氨等均有潛力作為中長(zhǎng)期的替代燃料，但目前仍以低硫油為主；替代燃料的供應(yīng)鏈、主機(jī)技術(shù)和加注等基礎(chǔ)設(shè)施以及監(jiān)管體系等問(wèn)題令人擔(dān)憂。

2.2 國(guó)際航行替代燃料動(dòng)力船預(yù)測(cè)

國(guó)際航行船舶噸位較大、航程較長(zhǎng)、靠港頻次低、燃料加注相對(duì)不便，所以需要使用能量密度較高的燃料和功率較大的動(dòng)力裝置。未來(lái)國(guó)際航行船舶發(fā)展和應(yīng)用的清潔能源主要為L(zhǎng)NG、甲醇和氨，相應(yīng)的動(dòng)力裝置和系統(tǒng)以內(nèi)燃機(jī)為主。

據(jù)IHS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2020年底，全球遠(yuǎn)洋船保有量2萬(wàn)艘、18億載重噸，其中船齡結(jié)構(gòu)如表3所示（由于IHS中無(wú)遠(yuǎn)洋、沿海、內(nèi)河船分類，這里假設(shè)3萬(wàn)載重噸以上船舶為遠(yuǎn)洋船）。2017—2020年，遠(yuǎn)洋船保有量年平均增長(zhǎng)率為5%，假設(shè)未來(lái)船隊(duì)穩(wěn)定增長(zhǎng)，全球新造船年產(chǎn)能維持不變（據(jù)IHS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全年新造船產(chǎn)能約1億載重噸），則假設(shè)2020—2030年全球遠(yuǎn)洋船年平均增長(zhǎng)率為5%，2030—2040年平均增長(zhǎng)率為3%。假設(shè)2020—2030年間新建船即為目前船齡15年以上船舶，2030—2040年間新建船即為目前船齡11 ～ 15年船舶。如果對(duì)船舶進(jìn)行改造，一般選擇船齡10年以上船舶。

表3 2020年遠(yuǎn)洋船船齡結(jié)構(gòu)

LNG動(dòng)力船是目前較為成熟的替代燃料動(dòng)力船，關(guān)于替代燃料動(dòng)力船的預(yù)測(cè)方法介紹以LNG動(dòng)力船為主。

據(jù)IHS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2021年12月，全球LNG動(dòng)力船1 045艘，7 278萬(wàn)載重噸，占全球船舶3.2%，其中非LNG運(yùn)輸船的LNG動(dòng)力船619艘，3 505萬(wàn)載重噸，占全球船隊(duì)的1.5%，具體如下頁(yè)表4所示。

表4 全球LNG動(dòng)力船

表4中：在營(yíng)LNG動(dòng)力船（非LNG運(yùn)輸船）共348艘、208 394萬(wàn)載重噸，占在營(yíng)船舶的26%；在建LNG動(dòng)力船（非LNG運(yùn)輸船）共274艘、2 334萬(wàn)載重噸，占在建船舶的72%。盡管LNG動(dòng)力船發(fā)展已20年有余，但目前已運(yùn)營(yíng)船舶仍很少使用LNG，基礎(chǔ)設(shè)施不完善以及船舶初投資較高等問(wèn)題都是其難以大規(guī)模使用的原因。

按照目前在建油、散、集三大主力船型的LNG動(dòng)力占比，假設(shè)2020—2030年間新建船中的LNG動(dòng)力船（非LNG運(yùn)輸船，下同）占15%；考慮到油改氣成本較高且原有船員可能無(wú)法勝任，船東改建意愿較低，則假設(shè)改建船占1%，計(jì)算得2030年LNG動(dòng)力船占比約3.4%（按載重噸計(jì)，下同），約1 029艘，10 175萬(wàn)載重噸。簡(jiǎn)要計(jì)算過(guò)程為：2020—2030年間新建船為2020年船齡15年以上船舶，這十年間的改裝船為2020年船齡11～15年的船舶，再考慮2020年在運(yùn)營(yíng)和在建的LNG動(dòng)力船即為2030年LNG動(dòng)力船的總量；2030年遠(yuǎn)洋船總量根據(jù)目前船舶總量按照5%年平均增長(zhǎng)率計(jì)算而得（計(jì)算方法下同）。

2030年之后能夠成熟應(yīng)用的替代燃料種類多樣，甲烷逃逸法規(guī)出臺(tái)后，可能會(huì)影響LNG的使用，對(duì)LNG的依存度將有所降低。假設(shè)2030—2040年間新建LNG動(dòng)力船占比5%且無(wú)改裝船，則2040年LNG動(dòng)力船占比約2.4%、1 240艘、11 872萬(wàn)載重噸。

在甲醇動(dòng)力相關(guān)技術(shù)成熟的前提下，遠(yuǎn)洋船舶對(duì)于甲醇動(dòng)力船的傾向性也會(huì)增加，相較于LNG動(dòng)力，船東更愿意接受“油改液”而非“油改氣”。除此之外，甲醇加注設(shè)施建設(shè)易于LNG。假設(shè)2020—2030年間甲醇動(dòng)力的大規(guī)模應(yīng)用處于起步階段，5%的新造船為甲醇動(dòng)力，3%的運(yùn)營(yíng)船改造成甲醇動(dòng)力船，則到2030年，甲醇動(dòng)力船預(yù)計(jì)占比約1.2%、419艘、3 619萬(wàn)載重噸。假設(shè)2030年之后甲醇動(dòng)力飛速發(fā)展，且藍(lán)甲醇廣泛應(yīng)用，2030—2040年間甲醇動(dòng)力占新造船的20%，占改裝船20%，則2040年預(yù)計(jì)甲醇動(dòng)力船占7.2%、3 084艘、2.9億載重噸。

由于氨燃燒無(wú)碳排，隨著環(huán)保要求的嚴(yán)苛，遠(yuǎn)洋船舶中可能應(yīng)用氨作為動(dòng)力。隨著MAN公司的氨主機(jī)的發(fā)布，可能在2030年前有遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船的示范應(yīng)用，但比例較小。隨著氨動(dòng)力相關(guān)技術(shù)成熟，氨動(dòng)力船有所增加，但氨仍需低溫液化，其改造成本和技術(shù)難度相較于甲醇更大，氨將更多的應(yīng)用于新造船而非改裝船。除此之外，類似LNG加注情況，氨加注設(shè)施需要一定發(fā)展時(shí)間。假設(shè)2030—2040年間5%的新造船采用氨動(dòng)力，則預(yù)計(jì)2040年氨動(dòng)力船占比約為1%、533艘、4 643萬(wàn)載重噸。

在航運(yùn)業(yè)脫碳政策相對(duì)寬松的前提下，根據(jù)目前各替代燃料動(dòng)力船發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)，以及配套設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)、加注設(shè)施情況、燃料價(jià)格、政策情況和減碳要求等，估算2030年和2040年遠(yuǎn)洋各替代燃料動(dòng)力船數(shù)量，同時(shí)考慮了船舶年增量，具體結(jié)果如表5所示。這里的LNG動(dòng)力均不包括LNG運(yùn)輸船。

表5 未來(lái)船用替代燃料預(yù)測(cè)

按照目前的情況發(fā)展，預(yù)測(cè)2030年和2040年替代燃料動(dòng)力船占比非常小，遠(yuǎn)洋船舶的新燃料占比分別為5%和11%。DNV出版的 《2050年海事展望》提出：按照IMO的要求發(fā)展，2030年遠(yuǎn)洋船舶采用碳中和燃料占比14%，2040年占60%以上。ABS出版的《船舶可持續(xù)發(fā)展路徑》提出：按照IMO要求發(fā)展，2030年和2040年遠(yuǎn)洋船采用替代燃料占比分別為18%和37%，對(duì)遠(yuǎn)景非常樂(lè)觀。然而航運(yùn)業(yè)碳排放量占比僅2%左右，如果沒(méi)有十分嚴(yán)苛的政策要求或者高昂的碳稅，按照目前替代燃料船舶相關(guān)技術(shù)的發(fā)展（既未實(shí)現(xiàn)替代燃料規(guī)?；?yīng)，又不存在成熟的主機(jī)），很難在10～20年內(nèi)實(shí)現(xiàn)替代燃料大規(guī)模應(yīng)用。

預(yù)測(cè)存在主觀性與不確定性，本節(jié)的預(yù)測(cè)主要展示筆者的思路，總體來(lái)說(shuō)預(yù)測(cè)方法較為單一，并未區(qū)分情景（一般情景、消極情景、積極情景），下一步的研究中將采用情景法，使結(jié)果更為嚴(yán)謹(jǐn)。

3 替代燃料動(dòng)力船基礎(chǔ)設(shè)施及船型分析

3.1 替代燃料動(dòng)力船基礎(chǔ)設(shè)施情況研究

目前全球尚無(wú)以甲醇和氨作為船用燃料的專用基礎(chǔ)設(shè)施，且加注方式尚未確定（筆者認(rèn)為甲醇作為液體燃料，大概率在港加注； 氨作為氣體燃料，船對(duì)船加注的可能性更大），因此關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)施的預(yù)測(cè)以LNG為主。

LNG動(dòng)力船的加注基礎(chǔ)設(shè)施仍未完善，全球LNG動(dòng)力船的加注以船對(duì)船的形式為主，且加注港口數(shù)量有限，擁有大型船舶加注能力的僅鹿特丹港、新加坡港等。據(jù)IHS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，截至2025年，全球投入運(yùn)營(yíng)的LNG加注船將有43艘，其中50%分布于鹿特丹、漢堡和澤布呂赫等歐洲港口，其他分布于北美、韓國(guó)、日本和新加坡等。總體來(lái)說(shuō)，全球LNG加注設(shè)施并不完善，未來(lái)替代燃料種類多樣，相關(guān)企業(yè)對(duì)LNG加注設(shè)施的投入可能處于觀望狀態(tài)，導(dǎo)致LNG加注設(shè)施并不充分。從加注設(shè)施、氣價(jià)波動(dòng)等角度考慮，未來(lái)LNG動(dòng)力船增長(zhǎng)并不樂(lè)觀。

LNG加注船與LNG動(dòng)力船有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如達(dá)飛集團(tuán)共38艘LNG動(dòng)力大型箱船，分別為9艘22 000 TEU和29艘15 000 TEU集裝箱船，未來(lái)將為之配備2艘1.86萬(wàn)m加注船。亞歐航線每個(gè)航程約需60 d，每個(gè)航程加注1次，每年約加注6次，達(dá)飛船隊(duì)每年需加注228次。加注船單次加注至少需3 d（加注船在接收站補(bǔ)氣1 d、加注1 d、來(lái)回航渡等待），2條加注船剛好能滿足達(dá)飛船隊(duì)加注需求。按此推算，加注船和LNG動(dòng)力船的配比理論上是1∶20，考慮到加注船運(yùn)維的冗余度，實(shí)際配比按照1∶10。針對(duì)大型運(yùn)輸船，LNG加注點(diǎn)選址需盡量靠近大型船的裝卸碼頭，同時(shí)盡量靠近LNG接收站，客觀上增加了加注點(diǎn)的建設(shè)難度。如果2030年LNG動(dòng)力船達(dá)到1 000艘，則至少需要加注船100艘，在這十年間還需增添加注船60艘，加注船和加注點(diǎn)存在供應(yīng)缺口。

為印證預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，按照目前加注船現(xiàn)狀預(yù)測(cè)2030和2040年加注船數(shù)量。據(jù)IHS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年LNG加注船訂單量為7艘，假設(shè)未來(lái)加注船穩(wěn)定增加（年增量均為7艘），按照3年的建造周期計(jì)算，2030年在營(yíng)加注船數(shù)量則為84艘，與上述對(duì)于LNG加注船需求量測(cè)算相近。2015—2030年加注船情況如圖1所示。

圖1 2015—2030年加注船情況

3.2 替代燃料船船型分析

馬士基于2021年12月公布了其16 000 TEU甲醇動(dòng)力箱船的概念方案，如下頁(yè)圖2所示。該船配置了雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和16 000 m綠色甲醇燃料儲(chǔ)罐，保證船舶可以全程往返運(yùn)營(yíng)。此船外觀與以往任何大型集裝箱船都有明顯不同，船員宿舍和船橋位于船頭，以增加集裝箱容量；煙囪則放置在船尾，而且移在船舶一側(cè)，從而為貨物提供更多空間，這種住宿與煙囪之間的分離設(shè)計(jì)也將提高船舶在港口的效率。

圖2 馬士基16 000 TEU集裝箱船概念方案

除新燃料的動(dòng)力裝置及燃料供應(yīng)鏈外，船型的研發(fā)也至關(guān)重要。替代燃料相較于傳統(tǒng)燃油，將需要更大燃油艙，如若不更改船型方案，無(wú)疑將會(huì)損失貨艙空間。馬士基于2016年就開始研發(fā)創(chuàng)新船型，以適應(yīng)甲醇燃料上船。為提高我國(guó)船舶工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，在新船型的研發(fā)上需同步考慮。

下文以氨動(dòng)力15 000 TEU集裝箱船和21萬(wàn)t散貨船為例，簡(jiǎn)要評(píng)估常規(guī)設(shè)計(jì)下的貨艙艙容損失。

集裝箱船船型方案如圖3所示。燃料艙采用26 000 m的B型艙，布置于甲板以下，保證以18 kn的營(yíng)運(yùn)航速航行22 000 n mile往返，但占用800 TEU艙位，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

圖3 15 000 TEU氨動(dòng)力集裝箱船船型方案

21萬(wàn)t散貨船船型方案見下頁(yè)圖4。該船續(xù)航力為23 000 n mile，燃料艙為16 000 m的B型艙，布置于甲板以下，占1個(gè)艙位。散貨船采用氨燃料，其管理需按氨運(yùn)輸船執(zhí)行，對(duì)船東和船員提出了更高要求。

圖4 21萬(wàn)t氨動(dòng)力散貨船船型方案

4 結(jié) 語(yǔ)

替代燃料船發(fā)展需考慮2個(gè)關(guān)鍵因素，分別是燃料供應(yīng)鏈和主機(jī)技術(shù)。在燃料供應(yīng)方面，國(guó)際上正逐步具備低碳甲醇和氨的供應(yīng)鏈，國(guó)內(nèi)需實(shí)現(xiàn)這些燃料的自主可控，而非類似LNG受制于人。國(guó)內(nèi)在燃料供應(yīng)上需抓緊布局，在2030年能夠?qū)崿F(xiàn)綠氨、合成替代燃料等試點(diǎn)示范，為下一步商業(yè)化奠定基礎(chǔ)。在主機(jī)技術(shù)方面，MAN已有50缸徑甲醇中速機(jī)，將在2024年推出90缸徑甲醇低速機(jī)，同年將推出50缸徑氨中速機(jī)，而國(guó)內(nèi)的此類研發(fā)計(jì)劃相對(duì)落后。 我們需盡快研制面向遠(yuǎn)洋船的大功率甲醇、氨內(nèi)燃機(jī)，以實(shí)現(xiàn)主機(jī)的自主可控。新燃料上船必然導(dǎo)致船舶布置發(fā)生變化，我們也需抓緊布局新船型的研發(fā)，在滿足船舶強(qiáng)度、穩(wěn)定性等要求的前提下，盡量減少貨艙空間的損失。