新能源动力船舶推广应用的可行性研究

摘要：国家工信部等五部委联合发布的《关于加快内河船舶绿色智能发展的实施意见》明确提出积极稳妥发展LNG动力船舶、加快发展电池动力船舶、推动甲醇、氢等动力技术应用。近年来，伴随LNG、锂电池、醇燃料等新能源动力技术的逐步成熟，船舶清洁化改造已渐成为交通水运发展历程中的推广方向。采用清洁能源动力比如锂电池的船舶因其环保污染少、运营能耗小、舒适低噪音等优势，目前在我市西湖、京杭运河等相对水流平缓景区的小型载客游览船上得到了探索性的初步应用。本文通过对不同新能源优劣势的对比分析，得出新能源船舶推广应用的可行性方向。

关键词：新能源；船舶；推广；应用

1新能源发展的政策背景

近年来，中央、省市出台了一系列鼓励发展绿色新能源船舶发展的政策文件，2022年中国国家工信部等五部委联合发布《关于加快内河船舶绿色智能发展的实施意见》，明确提出积极稳妥发展LNG动力船舶、加快发展电池动力船舶、推动甲醇、氢等动力技术应用；《浙江省能源发展“十四五”规划的通知》（浙政办发〔2022〕29号）要求交通运输领域加快推动新能源船舶的普及应用；杭州市政府已在《杭州市大气环境质量限期达标规划的通知》（杭政办函〔2019〕2号）中要求积极推广使用纯电动等清洁能源或新能源船舶，在内河公务艇、游艇、水上公交等客运船舶中开展纯电动船舶应用试点。

2杭州航区船舶现状

杭州航区现有登记船舶约3 600艘，从动力来源看，传统动力船舶2 438艘，电池动力船舶404艘，占比11.2%（其中，铅酸电池动力船舶370艘，占现有检验登记内河船舶10.3%；锂电池新能源动力船舶34艘，占现有检验登记内河船舶0.9%）；混合动力船舶8艘（其中LNG混动4艘、锂电混动4艘），占现有登记船舶0.2%；从航行区域来看，新能源船舶主要集中在封闭水域区域运营；从船型来说，小型电动客船（20 m以下）占比约95%；从新能源的种类来看，锂电池动力船舶占杭州新能源船舶数量的90.4%，LNG动力船舶占比8.6%，而氢燃料、醇燃料及氨燃料等尚未有实船案例。综上所述，目前我市新能源船舶仍处于起步阶段。

3新能源的主要优劣势对比

当前新能源替代燃料包括LNG、甲醇、氨、氢以及电池动力方案。总体来看，成熟程度：LNG >甲醇/锂电/氢>液氨；减碳程度：氨/氢/锂电>甲醇>LNG；体积密度：LNG>甲醇>氨>液氢>锂电。。

3.1LNG：最佳过渡能源。LNG（液化天然气）指预处理并加压冷却至-162℃以下的天然气。LNG可在短期作为过渡燃料，中长期也可以作为备用燃料。

优势：一是燃料成本较低，且容易获得。LNG作为成熟的能源种类，加注基础设施较为健全。据统计，截至2023年1月，全球有185个港口提供LNG加注服务，预计到2025年在此基础上会再增加50个港口。在2023年天然气价格正常化之后，LNG加注市场现已恢复健康发展。二是具有一定的减排能力。根据DNV统计，相较传统内燃机，LNG燃料可减少24%左右的碳排放。使用LNG作为燃料的船舶可以避免硫化物、可吸入颗粒物的产生，氮排放可最多降至同航程燃油的30%。

劣势：一是仍属于化石能源。LNG燃烧过程中，仍会有温室气体排放。LNG可能在运输和加注过程中发生散逸，主要成分甲烷本身就是一种温室气体。因此，LNG在中长期未来的深度脱碳过程中，恐难作为最主要的船用燃料。二是制冷成本高企。由于低温液态的LNG需要存放在低温储存罐里，绝缘燃料罐会增加船舶的建造成本，且从LNG蒸发容易产生经济损失。

3.2绿色甲醇：中长期可选方案之一。甲醇热值低于LNG，但清洁排放前景高于LNG。

优势：一是改造成本较低。在发动机技术上，甲醇发动机在现有部分双燃料发动机的基础上只需要进行较小幅度的改动，就可以使用甲醇作为燃料，有效节约投资成本并缩短了研发和应用周期。二是常温呈现液态。相比LNG需要低温液化，甲醇常温呈现液态，储运和使用较为方便。

劣势：一是并非所有甲醇都具有减碳属性。煤炭生产的甲醇为黑色甲醇，由天然气生产是灰色甲醇，使用蓝氢与碳捕获技术结合生产的是蓝色甲醇，只有生物质循环利用制甲醇和绿电制绿氢再制甲醇两种方式制取的甲醇才能称之为绿色甲醇。黑色和灰色甲醇燃烧会增加碳排放；蓝醇虽然能够减少碳排放，但达到欧盟碳排放阈值要求并获得认证尚有难度；只有绿醇是碳中性的。二是绿醇生产受限。绿色甲醇只能由生物质裂解、绿电制氢+二氧化碳捕集两种方式进行生产。我国是全球最大的甲醇生产国和消费国，其约占全球产能的一半。但从制造工艺看，目前我国甲醇以黑色、灰色甲醇为主。中国生物质资源并不丰富，受原料端紧缺、运输限制，商业化项目运作存在诸多问题；而当前储能、储氢、二氧化碳捕捉都面临成本高企的问题。未来绿色甲醇产量不足以支撑船运行业的巨大需求。三是能量密度较低。甲醇的体积能量密度比较低，与燃油比较，甲醇提供相同能量所需舱容是燃油的2.27倍（ LNG所需舱容为燃油的1.6倍），‌这也意味着使用甲醇作为燃料的船舶续航力只有目前船型的一半都不到，‌这无疑限制了甲醇货船上的应用。四是安全性、毒性以及腐蚀性。‌甲醇属于低闪点易燃液体，‌存在燃爆性。‌甲醇的急性毒性可通过摄入、‌吸入高浓度甲醇蒸气和皮肤吸收三种途径对人体造成危害。‌同时，甲醇对铅、镍、铸铁等有色金属产生腐蚀，会影响到内燃机、管路和储存舱柜中这些材料的使用。五是国内配套设施不足。‌国内船用甲醇加注码头布局不足，‌甲醇燃料设备的配套能力也有待提升。

3.3氨：未来真正的零碳燃料。液氨是将气态的氨气通过加压或冷却进入液态得到的清洁燃料。

优势：实现零碳排放。氨的分子式为NH3，既不含碳也不含硫，作为船用燃料，能够真正实现船舶零碳排放。

劣势：一是化学性质欠佳。液氨具有较高的腐蚀性、毒性和爆炸风险，这使得发动机的研制周期较长。液氨的强挥发性、强刺激性，引发安全事故风险，进而影响海洋生态安全。二是能量密度较低。液氨燃料的能量密度低于船用柴油、LNG及甲醇，根据DNV测算，相同航程液氨需要船用柴油3.1倍的燃料储存空间，并且加注频率也可能相应增加。三是氨燃料动力装置尚不成熟，迄今未投入商用。

3.4电动：内河中短距离具有优势。针对短距离场景，例如游艇、渡轮、游览船等小型船只，电池供电已经成为可行的选择，正在向更远航程、更大功率的应用场景拓展。

优势：一是零碳排放。将电动化引入船舶领域，使用绿电驱动的电动船能够实现零碳排放。二是运营成本较低。根据浙商证券的理论计算，在当前技术水平下，当航程小于1000km时，电动船具备成本优势。在未来考虑油船成本上升、电池能量密度提升、成本下降的情况，电动船在内河航道、中短距离的优势将会更加明显。

劣势：一是续航里程有限。与电动汽车类似，电动船舶也面临着“里程焦虑”，且其配套的充换电等基础设施亟待进一步完善。二是建造及配套成本较高。据估算，电动船的建造成本远高于柴油动力船。锂电池的寿命一般为10年，而一艘船的寿命通常长达30年，在船舶的生命周期中，电池需要多次更换，进一步增加综合成本。同时锂电池配套设施成本高。现有锂电池动力客船由客运企业自备配套充电桩，每个充电桩成本约10万元（原有码头固定泊位，暂无需另计场地成本）。载货船舶每个专用充电场站及码头泊位等综合投入成本高达100万，普通民营企业根本无力承担。

3.5氢：真正的零碳燃料。

优势：氢燃料电池将氧气与氢气的化学能转换成电能，生成物为水，具有高效、无污染、设备运行噪音低等特点。使用氢燃料作为船舶动力，可以实现零排放，不会产生二氧化碳、硫氧化物和氮氧化物等污染物，对环境更加友好。同时，氢燃料电池具有能量转换效率高、振动噪音低等优势。

劣势：氢气的储存和运输是一个挑战，需要高压、低温或特殊的储存技术，增加了船舶的复杂性和成本。此外，氢燃料电池的成本目前较高，需要进一步降低成本以提高其经济可行性。同时，加氢基础设施的建设也需要大量的投资和时间。

不同新能源技术路线比较见表1。

4低碳趋势下的发展前景

目前各种路径仍面临诸多问题和挑战，航运业尚未就路径选择达成最终共识。通过比较各自的优劣势，综合行业发展情况，得出以下分析结论。

短期内，LNG适合作为减少碳排放的过渡能源。作为产业链成熟的低碳能源类型，LNG成本相对可控，加注基础设施相对健全，且具有一定的减排能力，较为适合承担短期内降碳的任务。然而，LNG依旧是化石能源，航运业在中长期的未来仍需更加绿色的燃料。

中长期，绿色甲醇和氨优势最大，相比之下氨的远期前景更加广阔。甲醇是当前关注度较高的燃料。作为常温液态的燃料，其与传统燃油发动机的兼容性较好，商业化步伐较快。然而，绿色甲醇的两种主要来源中，生物质甲醇的原材料难以满足，电制甲醇的成本太高。在可预见的未来，绿色甲醇的生产量可能面临瓶颈，难以单独支撑航运行业的巨大需求。相较甲醇而言，氨是一种真正的零碳燃料，燃烧不排放二氧化碳。当前液氨的大规模应用，需要解决腐蚀性、毒性、燃烧范围较窄等问题。随着氨燃料发动机研发、氨燃料船型开发等项目的推进，氨燃料动力船有望在以后实现一定的商业化应用。在这些关键技术取得突破之后，未来氨将具有更大的潜力。

中长期内河及中小型沿海船的场景下，电动船是可选方案。当前，电池动力的船型主要应用在车客渡船、客船等功率要求不高、运输距离不长的场景之中。在电池能量密度、循环寿命、安全性等性能进一步提升的情况下，电动船有望拓展至近海中小型运输船和各式作业船。

参考文献：

[1] 《关于加快内河船舶绿色智能发展的实施意见》.中国国家工信部等五部委.2022.

[2] 《浙江省能源发展“十四五”规划》.浙江省人民政府.2022.