2020年，船舶动力的脱碳之路

 

　　为应对气候变暖，减少航运业的温室气体排放，全球航运业监管机构国际海事组织(IMO)于2018年4月通过了全球首份航运业温室气体减排初步战略，提出到2050年温室气体年度总排放量与2008年相比至少减少50%，并努力逐步实现零碳目标。选用清洁的新能源或新动力技术将是航运业实现最终减排目标的重要途径之一。

 

　　LNG：完美与适合，哪个更重要？

 

　　随着国际社会对于环保的日益关注，寻找安全且价格合理的替代清洁能源的需求不断攀升，这必将导致国际能源结构的重构。此外，随着2020年脚步的临近，几大重量级环保法规将陆续生效，包括IMO限硫法规的生效、船能效设计指数(EEDI)进入第三阶段等，尽快找到合适的替代清洁能源显得更为急迫。

 

　　随着航运业减排进程的不断推进，作为替代能源代表选手的液化天然气(LNG)逐渐崭露头角。据全生命周期(Well-to-Wake)研究证实，使用LNG作为船用燃料可以带来显著的环境效益，与当前和2020年以后的油基船用燃料相比，可减少21%的排放。与常规船用燃料相比，使用LNG作为船用燃料可以将硫氧化物降至几乎为零，氮氧化物降低95%，颗粒物降低99%。

 

　　尤其近几年，全球LNG需求迎来爆发式增长，使得LNG在世界能源结构中的地位不断被拉高。尽管全球LNG消费在2011年～2016年期间只增长了1700万吨。但在2017年和2018年，LNG需求猛增至6300万吨。2018年，全球LNG市场规模更是达到了3.2亿吨。究其原因，很大程度是因为IMO下属海上环境保护委员会在2016年10月召开的第70次会议上通过的一项决议——2020年1月1日起，全球船用燃料硫排放上限从目前的3.5%下调至0.5%。值得注意的是，今年2月，IMO污染预防及响应分委会起草了有关防治船舶污染的《MARPOL公约》修正案，禁止船舶运载不符合标准的燃料油，这意味着，除安装废气处理装置的船舶外，禁止船舶运载任何硫含量超过0.5%的燃料油。这直接或间接地导致了LNG燃料需求的波动，将LNG的应用推向了又一高潮。

 

　　近日，景顺资产管理公司资深投资组合经理Justin Leverenz在其最新报告中也表达出了他对LNG市场的期许。他表示十分看好LNG 在未来十年的表现。他预计，未来十年，LNG市场规模将在2018年的基础上翻番。

 

　　然而，就在LNG燃料的发展一路高歌猛进的时候，有人对其“清洁”属性提出了质疑，甚至呼吁IMO将LNG“踢出”全球温室气体减排战略。

 

　　在IMO MEPC75次会议前夕，环保组织清洁航运联盟(Clean Shipping Coalition)向IMO递交了一份技术报告，声称LNG燃料中的甲烷成分将加快温室气体排放总量的增长，尽管它的含碳量较重燃油要低。该组织呼吁IMO将LNG从低碳替代燃料的名单中剔除。清洁航运联盟还表示，从长远来看，在帮助航运业实现2016年巴黎协定设置的温室气体减排目标上，LNG是没有未来的。该组织认为，IMO的温室气体减排战略应当关注“真正的”低碳燃料。

 

　　清洁航运联盟在提案中提到：“作为一种暂时呈现液态但在自然状态下为气态的化石燃料，LNG大部分由甲烷构成。甲烷不仅是一种燃料，自身还是一种强大的温室气体……尽管其生命周期很短(大约10到12年)，但以100年时间来计算，每克化石甲烷对气候造成的直接影响却是等量二氧化碳的30倍。换句话来说，甲烷在10到12年里给地球产生的热量是等量二氧化碳在100年里产生的30倍。”

 

　　其实，有关对LNG“清洁”属性的质疑早已存在，但行业有一种观点认为，虽然LNG燃料并不是一种十全十美的最终方案，但是在温室气体减排方面，LNG确实拥有巨大优势，LNG将是航运业通往零排放目标的最佳过渡能源。而且不可否认，在未来几年内，LNG船舶将是所以替代燃料中应用最广泛的一种。

 

　　本次清洁航运联盟的这份提议将LNG的问题搬上了台面，且不论清洁航运联盟的提议最终会对IMO的决策产生多大影响，至少可以肯定的是，它为LNG燃料的长远发展增添了更多不确定性。当下，越来越多的船东为了满足减排要求而选择订造LNG动力船舶，清洁航运联盟的提议会对这个日益庞大的群体带去何影响，我们目前还不得而知。

 

　　新/替代燃料：谁将取代石油？

 

　　且不论LNG燃料最终发展将走向何方，从理论上来说，其作为不可再生能源总有资源耗尽的一天。因此，为了航运业的可持续发展，业界不得不加快挖掘其他可行的替代燃料的步伐。而气候变化因素也必将推动全球能源供应向低碳或零碳转型。

 

　　目前，市场已经发现的可用于为船舶提供动力的替代燃料主要有LNG、液化石油气(LPG)、甲醇、生物燃料、氢气和氨气。据中国船舶工业经济与市场研究中心科技与配套部部长翁雨波介绍，LPG与LNG类似，也是全球海运的重要能源。目前，MAN已经开发出ME-LGIP低速机，其可以以LPG为燃料，全球有4艘5.5万载重吨采用LPG为燃料的LPG船正在建造中。甲醇属于可再生能源，也是全球海运的重要化学品，近年来，MAN已经开发了ME-LGI系列发动机，可采用甲醇作为燃料。根据相关数据统计，目前全球已有7艘甲醇运输船采用甲醇作为燃料，另有4艘正在建造中。乙烷也是全球贸易的重要化学品，MAN已经开发了ME-GIE系列发动机，可以采用乙烷作为燃料。目前全球已有4艘乙烷运输船采用乙烷作为燃料，另有2艘正在建造中。生物燃料属于可再生能源，目前ABC、Scania等发动机厂商已经开发出了生物燃料柴油机。目前全球有5艘采用生物燃料为动力的船舶，另有4艘正在建造中，主要船型为客渡船。此外，马士基等也在试验在传统燃油中添加生物燃料的方式，从而达到大规模应用的效果。目前，氢燃料研究相对较少。在2017年，比利时公司Cie. Maritime BelgeSA(CMB)完成了双燃料氢动力渡轮Hydroville的建造，这是全球第一艘通过认证的柴油和氢能双燃料动力内燃机客船。

 

　　IMO秘书长林基泽(Kitack Lim)认为，IMO的雄心只有通过技术创新的研发应用和引进替代燃料才能实现，这意味应尽快运用低碳排放或零碳排放燃料。那么，未来谁将在这场零排放竞赛中最终胜出，成为石油的替代者？目前业界呼声最高的当属氢气和氨气。

 

　　伦敦大学学院能源学会(UCL Energy Institute)的Tristan Smith博士表示：“从长远来看，未来的燃料将是某种氢基燃料。”DNV GL首席顾问Tore Longva也认为：“到2050年，氢燃料和氨燃料将取代化石燃料，用于船舶发动机。”据零排放船舶技术协会的Madadh Maclaine表示：“目前氢气已经在许多小型船舶中成功部署，并且有扩大规模的潜力。”

 

　　2017年，全球首艘柴油和氢双燃料动力内燃机客船Hydroville在比利时最大港口安特卫普诞生。相比于仍会产生二氧化碳的LNG，氢气完全燃烧的唯一反应产物只有水。据介绍，随着制氢成本的逐步下降，Hydroville号使用的混合燃料中的氢气占比未来将达到80%以上。今年9月，比利时海事集团(CMB)的全球首艘氢动力拖船——Hydrotug号的建造项目也已启动。未来，比利时海事集团还将继续加码氢-柴油双燃料技术，计划在未来两年内于安特卫普港投入装备新型发动机的拖船和驳船，并在十年内推出全球第一艘基于氢内燃机技术的集装箱船。此外，由Point和Sandwick Trust牵头额苏格兰西部群岛氢动力渡船运输(SWIFTH2)项目也已启动，这一研究项目评估了在渡船公司Caledonian MacBrayne服务于苏格兰西部群岛的现有9条航线上部署氢动力客渡船的可行性。这意味着，服务于苏格兰西部群岛和西海岸的渡船不久后或将由陆上岛屿风力发电产生的氢气提供动力。今年6月，荷兰船舶设计公司C-Job Naval Architects公布了其所进行的氨气作为船用燃料的可行性研究报告。根据C-Job的研究结果显示，氨气可以安全有效地作为船用燃料，以便减少海运业有害气体排放。该研究将采用一种全新的概念设计，即以自有货物为燃料的氨气运输船，用于研究以氨气作为船舶燃料并大幅减少船舶温室气体排放的概念。结果表明，如果在设计中考虑多种安全措施，氨气可以作为船用燃料。C-Job的研究负责人Niels de Vrie指出：“在审查了所有氨气发电选择后，固体氧化物燃料电池(SOFC)显然是最有效的。不过，这确实面临着实际的挑战，功率密度和负载响应能力尚未达到可接受的水平。因此，在短期内应用于内燃机是发展方向。”

 

　　此外，日本发动机公司(J-ENG)于今年10月时宣布，公司计划与日本国家海洋研究所(NMRI)合作进行氢和氨作为发动机燃料的研发。J-ENG公司指出，氢能源不仅将作为实现脱碳社会的有希望的能源载体，目前正在进行各种有关使用液化氢和氨的作为发动机燃料的各种研究。日本国家海洋研究所一直在进行利用氢和氨作为一种减少温室气体排放的潜在方法的研发。该研发包括利用氢和氨作为燃气发动机燃料的研究。

 

　　辅助动力：新能源大有可为

 

　　全球能源发展正处于重要转型期，大多新的替代燃料都还处于研究和探索期，距离成熟的商业应用还需一些时日。同时，想要实现最终的零碳目标，仅有新的替代燃料显然不够，还需挖掘新的能源。

 

　　近年来，新能源方面的研究一直在提速，包括风能，太阳能，燃料电池等方面的研发应用均已有一定突破。但由于这些新能源目前尚存一些不确定限制性因素的影响智能主要作为辅助性节能措施，例如风能和太阳能容易受到天气状况影响等。风能方面，主要利用包括风帆、风筒、天帆等装置为航行中的船舶提供额外助推力，从而达到降低主机能耗的目的。目前，芬兰Norsepower公司制造的旋筒风帆动力装置(Rotor Sails)已经获得了首个型式认证，利用这套装置船舶可以减少7%～10%的燃料消耗，并已经安装在马士基油轮Maersk Pelican号等3艘船上。大连船舶重工建造的世界上第一艘机帆混合动力VLCC船也采用了风帆技术。太阳能方面，主要利用太阳能电池板或薄膜太阳能电池产生电能，为船舶提供辅助性电力供应。日本生态海洋电力公司(EMP)的船舶用风力与太阳能动力系统Aquarius MRE已获得了美国专利，这种系统集成了刚性帆、船用级太阳能电池板、储能模块和海洋计算机等，能利用风能和太阳能使船舶进入可再生能源领域。船上的计算机系统能自动定位刚性帆的排布，以便能最佳匹配天气状况，在恶劣天气或不能使用时还能被降低和储存。该系统是基于EMP公司的EnergySail技术，可用于船舶抛锚或入港时提供可替换动力，从而减少船上辅助发电机组的燃料消耗，实现污染零排放。EMP认为在可再生能源方面，80%的能源将来自于风帆的作用，还有20%来自于太阳能电池板。Eco Marine Power公司希望在大型散货船上对其系统进行试验。燃料电池方面，2018年7月，英国船厂Ferguson Marine 联合挪威康士伯海事、巴拉德动力系统公司等合作伙伴启动了氢燃料动力客滚船HySeas III号建造项目，而美国Golden Gate Zero EmissionMarine(GGZEM)公司将建造美国首艘氢气燃料电池船Water-Go-Round号， 该船将能运输84名乘客，最高航速可达22节。

 

　　翁雨波认为，风帆动力是可再生清洁能源，是助力航运业减排重要方案。目前，风帆辅助推进技术正加快发展，通过将风力辅助推进系统与计算机计算技术在不断结合，实时计算风向、风速与船舶航行状态。未来，风帆动力将作为辅助动力得到大规模应用。受成本、安全、寿命等多种因素影响，燃料电池在民用船舶领域目前尚不具备大规模商业化应用的条件，但是随着国际公约法规对船舶排放要求的日益严格，燃料电池系统卓越的排放性能有可能将其推向船舶动力市场的新风口。目前限制船用燃料电池系统走向大规模商业化的归根结底还是技术与成本问题，但随着技术的不断革新，燃料电池将有可能打破现有的船用动力系统格局，在船舶上的应用范围将逐步扩大。

 

　　的确，业界的实际行动也充分证明了风能、太阳能和燃料电池被看做未来船用辅助动力的重点研究方向。2019挪威海事展(Nor-Shipping)期间，日本航运巨头川崎汽船便与这家法国船舶自动风帆动力研发商公司Airseas签署了一份为期20年的协议，Airseas将为川崎汽船的一艘船安装“海翼”(Seawing)风帆装置并提供服务，一旦首套风帆装置交付，川崎汽船将考虑订购多达50套自动风帆。川崎汽船指出，利用风能是最清洁和最具竞争力的减少二氧化碳方式。据了解，“海翼”(Seawing)风帆以绳索连接船头，且风帆上安装感应器。风帆系统实时收集和分析气象和海洋数据，通知船长扬帆时机及顺应风向的航行路线，同时确保最大的安全性。当不再需要拖曳时，风帆会自动重新折叠并回收。这种风帆基于翼伞技术，面积达1000平方米，能实现超过20%的燃料节约和污染减排。根据船舶的航线，Airseas公司的技术能使一艘好望角船每年减少5200吨二氧化碳排放。希腊知名散运公司Star Bulk在去年与日本EMP公司签订一份谅解备忘录，计划在两年内共同研究将可再生能源技术安装到现有船舶和新船上的可行性。根据谅解备忘录，双方将启动一项联合研究，涉及如何将各种设备(包括太阳能电池板、电池和其他设备)安装到现有散货船和新造散货船上的各种问题。自有、租赁并运营着全球100多艘船舶的法国船东路易达孚集团(LDA)也于近日加入了国际风船协会(IWSA)，旨在进一步开发主要的可再生解决方案。2019年初，路易达孚集团启动了一艘大型越洋滚装船的设计，该船完全融合了风力辅助推进系统，并计划继续开展该领域的开发工作。