日本船舶工业的脱碳与数字化技术研发进展

谢 予 孙崇波 阴 晴

近期，日本造船企业协会、日本船舶技术研究协会等5家机构发布了《日本船舶工业的脱碳与数字化》报告，详细介绍了日本船舶工业在清洁燃料（氨、氢、碳回收甲烷）、液氢运输、氢燃料船舶、数字化智能化与自主船舶等领域的技术创新研发和示范应用计划及最新进展。以此报告为基础，本文结合日本造船业特点，梳理分析其在脱碳与数字化方面的研发方向及进展，归纳总结日本推动造船业科技创新的做法与经验，并提出相关建议供业界参考。

一、日本脱碳与数字化研发最新进展

脱碳与数字化是当前世界造船业发展的重点方向，日本在该领域处于领先地位。在脱碳方面，日本的重点是氢、氨等清洁燃料及相关装备研发以及碳回收甲烷相关技术研发；在数字化方面，日本主要研发领域包括自主航行船舶、智能辅助船、船体监测技术等。

（一）通过清洁燃料替代实现脱碳目标

使用清洁燃料将是全球航运业实现脱碳目标的关键。据DNV GL发布的《面向2050年的海事展望》预测，未来5～10年液化天然气将成为过渡期主要替代能源，到2050年氨气和甲醇将成为最具前景的碳中和燃料。日本海事界认为，实现航运业“碳中和”需转向“零排放”船舶，这类船舶将采用氨、氢、碳回收甲烷等新型可替代燃料。为此，日本将通过推进以氢和氨为替代燃料的 “下一代船舶”开发及商业化项目，实现在2030年前完成零排放船舶部署的目标。

1.氢燃料技术装备研制实现多点突破

日本在氢燃料相关技术研发与应用方面的起步较早。2017年，日本成为世界首个发布氢能基本战略和提出实现氢能社会的国家，并且积极探索氢燃料船舶的可能性，目前的重点是推进液氢运输船研发、氢燃料发动机产品及核心配套系统开发，以及氢动力装备在小型船舶上的示范应用。日本取得的最新进展如下。

（1）完成了世界首艘液氢运输船海上载货航行。2014年，川崎重工开始研发世界第一艘液氢专用运输船。2016年，川崎重工、日本岩谷材料（Iwatani）、壳牌日本（Shell Japan）和日本电力开发公司（J-Power）成立了“零碳氢能源供应链技术研究协会（HYSTRA）”，旨在推动氢能源在日本实现社会化应用。2019年12月，川崎重工建造的液氢运输船“SUISO Frontier”号完工下水，该船全长116 m，宽19 m，约8 000总吨，配备有一个1 250 m3液氢储罐，可装载约90 t液态氢。2021年底新船首航，并于2022年1月抵达澳大利亚哈斯汀港（Hastings），在当地装载了澳大利亚氢能源供应链（HESC）项目的氢气，然后于2月25日返回日本神户，这是世界上首次实现液氢长距离海上运输。“SUISO Frontier”号船舶如图1所示。

图1 “SUISO Frontier”号船舶

（2）联合推进氢燃料发动机产品及核心配套系统的研发及示范验证。川崎重工、洋马动力技术（Yanmar Power Technology）和日本发动机（JENG）组成联合体共同开展氢燃料商业化应用开发项目，并由川崎重工牵头协调液氢运输船验证、液氢供应链商业化等各个环节。具体分工如图2所示，在项目中，川崎重工负责开发4冲程中速机（2 000～3 000 kW），以及船用氢燃料系统（MHFS）——包括氢燃料储罐和燃料供应系统；洋马动力技术负责开发4冲程中速、高速辅机（800～1 400 kW）；日本发动机负责开发2冲程低速机（5 000 kW以上）。2021年8月，3家公司还联合设立新公司HyEng，负责基础技术（基本燃烧分析、材料和密封技术等）开发，并研究如何满足船级社规范要求。此外，九州（Kyushu）大学和广岛（Hiroshima）大学将承担基础研究（技术测试），航运公司和船厂将配合开展新技术应用前的实船验证。项目总投资约219亿日元（约210亿日元来自绿色创新基金），计划2026年完成用于各种场景的发动机产品系列以及船用氢燃料储罐、燃料供应系统的开发与示范验证。

图2 氢燃料商业化应用开发项目

（3）氢燃料渡轮“Hydro Bingo”完工标志着日本海事业“未来氢社会的开端”。2019年，日本常石集团旗下铝合金客船建造企业TFC（Tsuneishi Facilities &Craft）与比利时海事集团（CMB）合资成立宾果研究院（Bingo Research Institute），共同开发氢动力船舶。2021年7月，世界上第一艘氢燃料渡轮“Hydro Bingo”完工。该船配备2台氢-柴双燃料发动机“Hypenta DB-1000”，可实现较传统柴油发动机减少50%的CO2排放。由于采用混合燃料发动机，“Hydro Bingo”可在无法获得氢燃料的海域仅使用柴油航行。此外，氢燃料储罐安装在可移动拖车上，可通过替换整个储罐方式实现加氢，从而不需在码头建设专门的氢加注设施。2021年，CMB和神原汽船（KAMBARA KISEN）增加了Bingo研究院的资本金并将其更名为“JPNH2YDRO”，参与项目合作的公司增加至3家。利用建造“Hydro Bingo”号积累的专有技术，JPNH2YDRO已决定2024年在常石造船建造1艘氢动力拖船，并从2022年开始着手解决新拖船需要更强大动力、大型氢发动机安装与使用等技术问题。

2.氨燃料船舶及配套系统研发有序推进

氨燃料船舶（拖船、液氨运输船及相关推进系统）作为“下一代船舶”开发及商业化项目内容之一，获得了日本政府专项支持。目前，从事船用氨燃料技术商业化项目的联合体有两家。

第一家联合体由日本邮船（NYK）、日本造船①由日本两大造船巨头今治造船、日本联合造船（JMU）于2021年1月合资成立。（NSY）、日本发动机（J-ENG）、IHI动力系统等4家公司组成，将完成1艘国内拖船和1艘远洋氨动力船的开发和运营，按计划前者2024年完工，后者2026年完工，日本船级社也将参与项目（见表1、图3）。本项目总投资约120亿日元，其中财政支持最多可达84亿日元。

表1 氨燃料船舶开发综合项目

图3 氨燃料船舶开发综合项目

另一家项目联合体由伊藤忠商事（Itochu）、日本造船（NSY）、三井E&S、川崎汽船和NS United海运5家公司组成。项目将开发1套氨燃料推进系统和1艘船舶，并建设覆盖燃料生产、燃料供应的供应链，目标是最早在2028年实现氨燃料船舶商业化应用。项目预计总投资30亿日元，其中20亿日元为财政支持。

3.积极研发碳回收甲烷技术装备

LNG动力船舶降低甲烷逃逸技术是“下一代船舶”开发及商业化项目之一，由日立造船、洋马动力技术和商船三井联合承担。

氢、氨将发展为未来广泛使用的清洁燃料，但考虑到技术开发、硬件基础设施建设等不确定性，在2050年前的能源消费中，LNG和碳回收甲烷仍然有望作为国际航运的主要燃料之一。然而，降低甲烷逃逸是面临的主要问题。因此，上述3家公司将合作开发催化技术，以及采用降低甲烷逃逸技术的新型发动机系统，并由商船三井在日本名村造船订造的1艘大型LNG燃料运煤船上进行验证，预计到2026年实现LNG动力船甲烷逃逸降低70%以上的目标。本项目总投资约11亿日元，其中约6亿日元由财政支持。

应用催化技术是降低甲烷逃逸的关键手段之一。日立造船将开发一种甲烷氧化催化剂，使主机在运行时具有较高的甲烷逃逸还原性能。本项目将验证日立造船的催化剂和船用发动机技术，同时还将联合洋马动力系统进行发动机技术升级，包括创新发动机燃烧技术、提高甲烷氧化催化剂的还原比例、开发降低主机甲烷逃逸技术，并基于以上技术开发一种新型发动机。

（二）加快新一代信息技术等在船舶领域的示范应用

智能船舶融合了现代信息技术和人工智能等新技术，是未来船舶发展的重点方向之一。日本将智能船舶研发作为未来产业突破的关键领域，重点方向是自主航行船舶、智能辅助船舶和智能监测系统的研发和示范应用。

1.自主航行船舶完成实船验证

依托“Nippon Foundation MEGURI 2040全自主无人船”计划，日本正在开展“完全自主船舶未来设计（Designing the Future of Full Autonomous Ship，DFFAS）”项目，具体路线如图4所示。本项目不仅涉及靠泊和离泊的自动化、按照航行计划和避碰计划进行航行，还包括开发和验证一套能够实现包括陆上监视、态势评估和紧急情况下远程操纵等自动操作的综合系统。同时，该项目还将致力于安全和环保，帮助解决沿海航运业劳动力不足问题。

图4 DFFA S项目路线

2022年2月，项目利用749总吨的“SUZAKU”集装箱船，在东京湾和伊势湾（Ise Bay）之间的拥挤水域完成了航行验证。船上的自主系统作为一个模块被安置在40英尺的集装箱内。在航行前，陆上基于船舶的信息、航速和其他条件自动生成航行计划，在完成安全检查和授权后，按照计划进入自主航行。位于东京附近的岸上船队运营中心，可实时收集与航行相关的所有数据（如气候和海况），并完全掌握船只位置以及自主系统采取的避碰决策。在自主航行的同时，也可根据情况由陆上进行远程操控，从而确保航行安全。

2.交付首艘智能辅助近海船舶

2019年，40多家日本近海航运船东、发动机制造商和设计公司组建了近海航运未来研究（the Future Study of Coastal Shipping）小组，以解决日本近海航运业面临的劳动力老龄化、人员短缺等问题，并改善工作条件和减少温室气体排放。在各方努力下，智能辅助船（Smart Assist Ship）作为应用数字技术的下一代节能型近海船舶已经诞生。

日本近海船建造企业本瓦造船（Hongawara SY）开发了一套包含“远程货物中央处理系统”“靠泊和离泊支持系统”和“远程管理系统”的新系统，并成功用于199总吨的液态苏打专用运输船近海船“RYUTO”号，有效满足了船东Fuji Kisen对新型船舶的需求，包括减少货物装卸和清洁工作、减少靠泊和离泊作业中所需的船员高技能工作量并增强安全性、减少主机舱工作量等。

3.实现智能监测系统示范应用

2018年，日本船舶技术研究协会在日本最大私人基金会之一的日本财团（Nippon Foundation）支持下启动了“船体结构高精度数字孪生模型研发”项目，有包括日本联合造船在内6家造船企业以及大学、航运公司、国家海事研究机构和日本船级社等参与，共同研究数字孪生技术（把船舶海上航行时船体状态在网络空间再现）。2021年7月28日，21万t散货船“DREAM CLOVER”号在日本联合造船的津（Tsu）工场下水，其安装了可以测量和记录船体压力的船体监测系统。通过监测系统，船体产生的应力可以与海况等实时数据一并获得，从而更加准确地掌握船舶在海上的实际情况，通过评估船体结构强度，为船员提供适当的技术支持。

在此之前，2016—2020年，日本联合造船与日本邮船及其下属研发机构MTI在国土交通省的支持下，已经完成了“超大型集装箱船的船体结构健康监测研究”项目，通过在14 000 TEU集装箱船整个船体上布置传感器，可收集船舶航行时船体上承受的压力数据，通过了解压力如何影响船体强度，帮助开发船舶设计验证和安全航行相关系统。

二、典型做法与经验分析

日本船舶工业在推进脱碳与数字化研发过程中，按照研发的重要程度、产业趋势、需求特点等，形成了具有自身特点的研发体系、组织模式和政策体系，其以政府主导、协同分工、国际合作等为特色的科技研发管理做法值得借鉴。

对于任意的档案实体Ai∈D设Fi为该实体的特征集合，经过特征提取映射步骤后，档案实体被添加到关联图中，档案特征映射到对应的特征关联视图内，表示为 MAP（Ai）={Ai,Fi，}。因为档案特征多样性，同一视图中的特征节点vi,vj∈Gi可以划分为以下3种关系：

（一）将绿色船舶研发纳入国家“碳中和”战略体系，提出明确的发展目标和实施路径

2020年12月，日本政府发布《绿色增长战略》，2021年更新为《2050碳中和绿色增长战略》，这被视为日本2050年实现“碳中和”时间表和路线图，其中，船舶产业作为 14个产业之一，明确了未来发展目标和重点。该战略确立了船舶产业在推动日本“碳中和”战略中的重要作用，对产业发展具有顶层牵引和推动作用。

根据上述战略，日本船舶产业发展目标是在2025—2030年实现零排放船舶商用化，到2050年将现有传统燃料船舶全部转化为氢、氨、LNG等无碳/低碳燃料船舶。重点任务包括：促进面向近距离、小型船只使用的氢燃料电池系统和电推进系统的研发和普及；推进面向远距离、大型船只使用的氢、氨燃料发动机以及附带的燃料储罐、燃料供给系统的开发和实用化进程；积极参与国际海事组织（IMO）主导的船舶燃料性能指标修订工作，以减少外来船舶CO2排放；提升LNG燃料船舶的运输能力，提升运输效率。

（二）通过政府主导的绿色创新基金支持“下一代船舶”研制项目，推动绿色智能技术突破

为了推动“2050碳中和绿色增长战略”实施，2021年3月日本经济产业省设立“绿色创新基金”，总额达2万亿日元（超过1 000亿元人民币），共覆盖17个领域，“下一代船舶”开发及商业化项目是其中之一。经济产业省产业结构委员会绿色创新分委会负责制定“项目资金分配政策”，相关资金提供给经济产业省下属独立行政法人机构——新能源产业技术综合开发机构（NEDO），用以支持研发、示范及社会实施。

目前，日本已安排350亿日元（约合18亿元人民币）预算资金用于“下一代船舶”开发及商业化项目，2021年10月确定的4项课题由航运公司、船厂、主机厂商和贸易公司等12家单位合作承担，此外还有大学、航运协会等参与，目标是在2030年前实现零排放船舶的商业化运营。

（三）引导航运、造船、配套等产业链上下游协同参与研发项目，整合优势资源，打造共赢生态

不同于韩国龙头企业扛大旗的组织方式，日本开展清洁能源、智能船舶等方面研究开发，主要由国土交通省等政府部门引领，由政府背景的社会团体组织牵头（如NEDO），联合业内优势企业、船级社、船东等利益相关方共同参与，通过产业上下游联合研发，积极培育和打造产业生态圈，推动全产业链整体提升和变革。

以DFFAS项目为例，该项目由日本海洋科学公司（Japan Marine Science）牵头，初始有参研单位22家，现已达到30家。与以往智能船舶项目聚焦船舶本身不同，DFFAS项目的参研单位囊括了航运、造船、科研机构、海事服务、机械制造商、通导设备制造商等诸多领域的日本企业，甚至包括了日本电报电话公司（NTT）、日本无线电公司（Japan R adio）等通信服务商，显示设备制造商艺卓（EIZO Corporation）、日本气象新闻公司、东京海上日动火灾保险和SKY Perfect JSAT卫星服务公司等。

（四）高度重视国际法规、标准对产业发展的引领作用，积极争夺国际话语权和构建技术壁垒

日本格外重视国际法规、标准对产业发展的引领作用，早在2006年就发布《日本国际标准综合战略》，从顶层谋划和布局国际标准制定竞争。在海事领域，日本是IMO重要成员国，近年来积极抢占国际标准高地，提升清洁燃料替代、智能船舶等领域的竞争力。

以智能船舶为例，日本将国际规则制定作为其智能船舶发展战略的重要一环，认为这是面向智能船舶未来竞争和发展的重要“战场”。日本以“智能船舶应用平台（Smart Ship Application Platform，SSAP）”项目为基础，先后主导提出并推动了10余项国际标准，覆盖了船舶通导、航向控制、航行记录、信息传输等领域，形成了围绕“船舶数据中心”（ShipDC）概念和架构的系列国际标准集合，在国际上具有了一定的认可度，可能对全球智能船舶未来技术路线的选择起到一定引领作用。

三、相关启示

日本作为零碳船舶、智能船舶产业国际海事规则制定的强势参与方，其在科研项目设置、技术路线选择等方面的做法，对我国的发展具有很好的借鉴价值。

一是在全球造船业绿色化、智能化发展加速和竞争日趋激烈的背景下，我国造船业应加强顶层统筹规划，研究制定造船业中长期绿色化、智能化转型战略，加大政策引导与资金支持，争取在船舶绿色化、智能化竞争中抢夺先机。

二是发挥我国造船业在研发设计、组装建造、配套服务等全产业链优势，构建产业链上下游企业分工明确、协同协作的行业发展格局，推动国内海事领域绿色、智能技术和装备研发、设计制造、试验验证、示范应用和产业化推广。

三是重视国际规则将对未来行业发展的“塑造”作用，积极参与国际标准研究与制定，主动向IMO、ISO等国际组织提案，争夺国际话语权，在面向未来的竞争中掌握主动。