船舶化石燃料“接班人”

本刊记者 王思佳

近日，全球最大航运公司马士基集团首席执行官施索仁（Soren Skou）公开呼吁，航运业应效仿汽车行业，禁止建造化石燃料船舶，并为其设定一个期限。那么，化石燃料船应在未来什么时候停建？停建后，哪种船舶燃料将接过接力棒？这其中还将涉及哪些工作呢？

停建化石燃料船舶

今年7月，欧盟宣布正在准备发起一项针对汽车行业的提议，建议自2035年起，欧盟国家销售的所有新车都应实现零排放，这是一项宏伟计划的一部分，旨在将欧盟的经济发展与雄心勃勃的环保目标保持相同步调。据媒体报道，欧盟执行委员会计划从2030年开始要求在欧盟成员国销售的新车和货车降低65%的污染物排放，并继续逐年减排。最终在2035年起降至零污染。

对此，施索仁在其社交媒体上发文称，欧盟委员会计划在2035年停止内燃机汽车的生产，国际海事组织（IMO）应该采取同样的措施——停止建造化石燃料船舶，并制定雄心勃勃的目标和措施来实现航运业去碳化。他指出：“在全球范围内征收碳税，加上为化石燃料船舶设定截止日期，将会给航运生态系统，包括船厂和燃料生产商发出一个强烈信号，告诉他们风向如何。我们需要加快努力，以实现全球减排目标。”

“一个全球性的‘截止日期’将解决未来新建船舶的燃料选择问题，碳税对现有船舶的影响则可以作为补充。随着逐步征收450美元/吨的碳税，这项税收可以解决目前化石燃料与未来碳中和燃料之间的价格差距。由于价格差距缩小，IMO的船舶能效设计指数（EEDI）在未来几个阶段可能会成为一种工具，使化石燃料船舶的截止日期成为全球现实。”他补充道。

据了解，船舶运输约占世界贸易90%，而远洋运输占全球二氧化碳排放量近3%。克拉克森的数据显示，当前全球船队规模超过101188艘，2021年二氧化碳排放量估计为8.25亿吨。

作为全球航运老大，马士基一直致力于推动航运业的去碳化。今年早些时候，马士基曾公开提议，对船舶燃料征收至少450美元/吨的碳税。马士基也已经承诺，未来所有自有新造船舶均将使用双燃料技术，能够实现碳中和运营或采用标准的极低硫燃油（VLSFO）运营。

对此，马士基并不只是说说，而是付出了实际行动。今年7月，马士基在韩国现代尾浦造船下单订造了1+2艘3500TEU级甲醇动力集装箱船，这是当时全球签订建造合同的最大甲醇动力船，也是全球首艘碳中和集装箱船，新船预计将在2023年投入运营。8月，马士基又与现代重工集团签订了8+4艘16000TEU级甲醇双燃料动力超大型集装箱船的建造合同，每艘造价1.76亿美元，备选订单全部生效后总金额将达21.12亿美元。这是全球首批搭载甲醇燃料动力发动机的大型船舶，首制船将于2024年第一季度投入远洋航线。

根据瑞典哥德堡GreenPilot项目与瑞典SUMMETH项目、德国Methaship项目的结果都表明，甲醇可以非常合理的成本用作船用燃料，而且不具有其他低排放替代品燃料的复杂性。GreenPilot项目结果显示，进气管处喷射甲醇的点燃式发动机与柴油发动机有相近的发动机效率。与传统燃料相比，甲醇中不含硫且氮氧化物(NOx)排放量较低，因此发动机可以满足氮氧化物Tier III排放标准。同时，甲醇燃烧产生的颗粒物排放也比传统燃料低99%。使用无化石原料的甲醇，温室气体排放量亦可显著降低。换句话说，船舶可通过使用甲醇作为燃料实现减排。

按照马士基的计划，虽然这种船舶能够使用符合标准的极低硫燃油运营，但该公司将从第一天起，就使用碳中和燃料e-甲醇或可持续的生物甲醇运营该船舶。为加快脱碳进程，马士基此前曾宣布将于2023年启用以绿色甲醇为燃料的小型集装箱船舶，并在2030年之前拥有一个碳中和船队，以实现2050年净零排放的目标。此外，该公司还与丹麦公司REintegrate签署了一份绿色甲醇合同以确保燃料供应。

当然，马士基也承认，从服务的第一天起，为船舶找到足够的碳中性甲醇将是“具有挑战性的”。能够同时使用甲醇和传统石油衍生的低硫船用燃料的额外设计成本将占船舶总价的10%～15%。该公司计划尽快在新船中使用碳中性e-甲醇，或可持续生物甲醇。

据了解，目前在马士基全球200家大客户中，有一半以上已经为其供应链设定或正在设定宏伟的科学减排或零碳目标。马士基将继续探索多种碳中和燃料途径，并期望未来有多种燃料解决方案并存，甲醇（电制甲醇和生物甲醇）、醇木质素混合物和氨都将是未来燃料的选择。

化石燃料接班候选人

如果真的为化石燃料设置一个期限，那么届时将有谁来接班呢？除了马士基选用的甲醇外，总结行业内近年来的研究与实践，目前已有的接班候选人包括有液化天然气（LNG）、电池、氢气、氨气、以及其他辅助推进能源（例如风能）等一系列动力技术。

LNG是目前市场对于航运业迈向零碳未来的认可度最高的最佳过渡燃料选项。经历了过去几年来不断增长的新船订单量以及创纪录的交付量，全球LNG船船队运力首度突破1亿立方米。从能源供应分布来看，LNG储存量、可开采量、探明量都十分丰富，因此，LNG是业界可采取、可立即实施的应对方案，且LNG已有半个世纪的成功应用记录。因此，行业普遍认为LNG是当下最安全、经过验证的、有竞争力的可用船用燃料,这是其他可再生能源不具备的。克拉克森因此预测，未来几年LNG船船队将继续成为世界运输船队中增长最快的船型领域之一，到2025年LNG船数量甚至可能超过VLCC。但随着环保进程的推进，人们逐渐意识到，LNG并不是真正的清洁能源。

电池作为一种环境友好型的船舶燃料选项，已经在航运领域逐步推广并初具市场规模，尤其是在欧洲。真正意义上的全球首艘大型纯电动力船舶“Ampere(安培)”号于2014年由挪威Fjellstrand船厂建造，电池容量为1.86MWh，船长80米，能运载120辆汽车和360名乘客，用于挪威Lavik与Oppedal两座城镇之间横跨松恩峡湾的运输，每天共发34班，每班航行时间为20分钟，在港期间只需10分钟即可充满。知名的全球首艘智能船舶“YARA Birkeland”号也采用了纯电动力。除了纯电动力船舶外，一些船型较大的船舶正开始采用柴电混合或LNG+电混合动力技术，用以节省燃料消耗，降低废气排放量。

氢(H)是宇宙中含量最高的物质。在《中国氢能源及燃料电池产业白皮书 2019》中，氢能被归属为清洁低碳能源，其在船应用目前仍处于起步阶段，从长远来看，氢燃料是航运业零排放解决方案的重点发展方向。业界正围绕氢燃料在内河和近海船舶上的应用开展试点研究，相关船用规范标准、技术装备、基础设施等正在逐步建立、发展和完善。基于燃料在全生命周期温室气体排放，未来的制氢方式将从化石能源转向可再生能源制取。

2006年，汽车滚装船THE METHAPU PROJECT，配备瓦锡兰公司WFC20燃料电池，SOFC燃料电池，高温燃料电池系统，船舶上储存甲醇作为燃料，配备整装装置转化为氢气使用，20kW，测试项目。2003年挪威，平台供应船Viking Lady，混合推进，MTU公司MCFC燃料电池，电池工作温度650℃，额定功率320kW，效率50%，输出3x440VAC，功率密度为12kW/m3,。该项目运行7000余小时，电池堆未发生主要故障，实测效率达到44%，LNG重整制氢。2000年投入运营的世界上第一艘采用天然气发动机驱动的渡轮Glutra，FC系统装在一个20英尺集装箱，并在甲板上方安装，带重整装置。综合国内外氢燃料电池船舶的情况来看，当下海事以测试项目为主，且示范船舶功率均不大，并以辅助能源为主，离商业运营尚存距离。

图2 Oceanbird风帆动力概念船

图3 全球首艘应用天帆技术的货轮“白鲸天帆”号

氨是未来零碳解决方案的重要发展方向之一。作为一种重要的化工原料，氨属于定价透明的全球商品，有着丰富的工业使用经验，生产、运输、交易市场相当成熟。从燃料角度考虑，氨不含碳，其能量密度与甲醇相当，是氢的2倍，且氨易于液化，较为安全，便于储存和运输，是一种理想的能量来源。但氨作为燃料应用经验极少，燃烧性能较差，且仍会产生氮氧化物排放，尚无实际使用氨燃料发动机的案例。

风能，这项古老的能源因为航运减排的推进再次回归到人们的视野，并极具竞争力。利用清洁、可再生的风能作为辅助能源推进船舶可在保持船舶航速不变的同时减小燃油消耗，达到节能减排的目的。而近年来，随着技术的发展，已不再是古老的风帆样式，如软质帆，而是更多适应于当下环境和需求的新式风帆。目前船舶应用风帆包括翼型风帆，代表有瑞典船舶设计与管理公司Wallenius Marine正在与瑞典皇家理工学院(KTH)以及SSPA公司联合开展的风帆动力汽车运输船(wPCC)研发项目推出的名为Oceanbird的概念船型，号称是全球最大的风帆动力货船，相比现有船舶，该船碳排放可降低90%；旋筒风帆，是大型圆柱形机械风帆，旋转产生压力差，称之为马格努斯效应(Magnus Effect)，从而推动船舶前进，为船舶提供辅助风动力，达到降低燃料消耗、减少污染排放、优化能效利用的效果。2018年，马士基集团旗下的马士基油轮Maersk Tankers公司，首次在其成品油船“MAERSK PELICAN”号上尝试利用了这一风能技术推进航行；天帆，形似风筝，由牵引绳索与船体相连，下挂控制吊舱，装有控制器件与驱动器件，以控制风帆飞行姿态。全球首艘应用该技术的是货轮“白鲸天帆”号(Beluga SkySails)，风力最理想的状况下最高可省下一半的燃料。其优点在于可利用上层最稳定而强劲的风力，且不占用甲板面积。

推广前的工作有哪些

经过了前期的研究与筛选，已经选出了不少可供选择的清洁燃料，那么想要将其推广应用还需要做哪些工作呢？

首先是储运问题。新的燃料应用在船上，安全储存和运输是其应用的关键问题。以氢燃料为例，一要解决“氢脆”（氢对材料产生影响，使其强度变差导致脆化甚至开裂）的问题；二要解决储运问题。液态氢要在低于-253℃以下低温存储，相比液态天然气所需的-160℃，技术难度提高了很多。在同等条件下，液氨在标准大气压下-33℃就能够实现液化，其运输难度相对更低。但是，液氨具有较强的腐蚀性，同时不论是将氢气、氮气合成氨气还是将氨气转换为氢气，都将有一定的损耗，这一反应的转换效率也有待提高。

其次，续航能力问题。这是衡量船舶经济性和效率的重要指标之一。以目前的氢燃料电池为例，其续航能力很难满足船舶，尤其是无法满足远洋船舶的需求。原因之一是氢燃料电池功率密度不够大，续航力远远不能满足远洋船舶需求，只能作为辅助能源来使用。再比如，风能的应用由于风帆自身的局限性，使得大多数的船队在使用风帆前进时容易受到风向的问题，从而造成船舶前进的不稳定性，如果遇到恶劣的天气更是容易发生意外。因此风能应用只能被用作辅助手段。

第三，燃料相关问题。每种备选燃料都存在不确定性，包括何时何地供应、供应量以及价格。这些备选燃料对于船舶行业而言均属于新燃料，大都还处于研发阶段，更别提相关法规是否完善，基础设施和设备供应是否配套，设计、工艺水平是否满足需求等。此外，新燃料船舶无论新造还是改造的成本都使得营运成本一直居高不下，经济性较差。马士基订购的16000TEU级甲醇双燃料动力超大型集装箱船的造价就高达1.76亿美元一艘，相较同吨级普通绿色节能船舶高出约30%。燃料价格方面，由于处于应用初期，生产和供应链条都还未建立起来，燃料费用相对较高，但可以预期的是，未来推广普及后将会下降至合理范围。

第四，配套基础设施不完善。未来想要推广普及选定燃料，就需要提前规划加注码头等配套基础设施的分布及建设，以满足新燃料动力船舶的推广与发展。此外，还需要有计划的培养相关船舶维修专业团队等，以保障新燃料船舶的正常运营。

第五，技术规范的建立。没有规矩不成方圆，尽管现在还处于探索起步阶段，但新燃料应用的有序、可持续发展一定是需要有规范的护航。因此，在研发的同时，相关技术规范的建立也需要同步进行，且不断完善。尽管在初期过程中难免会出现规范指导盲区或对法规理解不一致的情况，造成船舶设计、设备安装不合规定的事情时有发生，增加了船舶建造成本和影响了建造完工时间。但随着经验的积累，对法规的不断完善，这种情况会得以解决。

第六，新燃料动力操作专业船员队伍的培养。参考目前应用相对成熟的LNG动力船舶，MSC.396(95)决议明确要求LNG燃料动力船舶船员经过强制性培训和资质的最低要求。其他新燃料的应用也应如此。船员只有接受了专业的培训，上岗后才能保障船舶及人命的安全。