摆脱化石燃料是实现船舶脱碳的关键

崇明海事局 鄢和诚 李 伟

在全球温室气体减排达成共识的大背景下，船舶如何减排已逐渐成为海运业的热议话题。如何摆脱化石燃料？国际航运公会ICS曾提供了一份名为“催化第四次动力革命”的报告。为帮助船舶脱碳，以实现IMO温室气体减排初步战略确定的减排目标，该报告介绍了包括使用氨、氢、电池等零碳或低碳燃料和技术。报告认为，船舶要彻底脱碳并实现IMO制定的温室气体减排目标，就需要进行第四次动力革命。本文将以该报告为基础，并结合当前已有研究和市场情况，对上述零碳或低碳燃料进行解读。

氨

目前，氨被认为是最有前途的船舶低碳燃料之一。氨很容易液化和储存，其原材料主要是水或化石燃料，分布广泛，价格低廉，生产技术也比较成熟。据国际能源署IEA预测，到2060年将有60%以上的新船使用氨或氢燃料。

图1 氨燃料动力拖船概念图

此前，氨一般是由化石燃料制成，被广泛用于化肥工业。在生产氨的过程中会排放出大量的碳，约占全球总排放量的1.8%。为实现真正的零碳排放，我们可以对氨的生产过程进行脱碳，此举也称为“绿色制氨”。“绿色制氨”的一种方法是使用可再生能源氢气和氮气进行反应生成氨，整个过程不释放任何碳。另一种则是收集氨生产过程中产生的温室气体并将其埋在地下岩石中。通过安装催化系统，氨燃烧产生的唯一温室气体氮氧化物也可以被消除。

然而，氨用作燃料时必须作为液体进行储存，同时也需要有能够安全处理这种毒性燃料的加注系统。此外，氨的能量密度比柴油更低，相比柴油燃料船舶，氨燃料船舶必须携带两倍以上的燃料量才能行驶相同的距离。根据韩国向IMO货物和集装箱分委会（CCC）第7次会议提交的报告显示，若要使用氨作为燃料，还需要解决其他安全性和可用性等方面的问题。例如，氨一般具有毒性和腐蚀性，需要制定特殊的安全标准；与其他燃料相比，氨的燃烧性也较差，很难点燃且燃烧速度慢；氨与石油、氯气等燃料混合，或者与金、汞等重金属反应时，容易引起爆炸；此外，未燃烧的氨还会与船体表面附近的水汽发生反应，容易腐蚀船体；对氨的燃烧过程控制不当，还可能导致更高的氮氧化物排放等。

目前，包括中国、日本、韩国和欧洲等都已开始布局氨燃料船舶的研发，我国前期主要聚焦于船型的研发，上海船舶研究设计院、大连船舶重工集团、江南造船等企业先后分别推出氨燃料散货船、集装箱船以及液化气船的设计；日本主要聚焦产业链的布局，今治造船、日本邮船等企业先后启动研发项目，旨在构建包括船舶建造、设备研发、燃料装卸等为一体的全产业链；相比于其他国家，韩国还关注标准规范的制定，韩国船级社已于2021年1月发布了《氨燃料动力船舶报告》；而欧洲则主要聚焦于氨燃料发动机的研发，曼恩和瓦锡兰等企业计划在2024年左右推出氨燃料发动机。

氢

氢作为燃料很有吸引力，因为它在使用时不排放碳或其他污染物。氢气具有清洁、高效等优点，其燃烧热值也是除核燃料之外所有化石燃料和生物燃料中最高的。目前，大多数可买到的氢气都是由化石燃料制成的，其生产过程会排放大量的碳。研究人员正在研究通过热化学工艺从水中生产氢气，实现真正的零碳排放。

图2 世界上第一艘自主航行氢动力船“Energy Observer”

图3 世界上第一艘氢燃料拖船“HydroTug”

目前来看，氢燃料的在船应用仍有一些问题亟待解决。例如，氢的能量密度相对较低，需要液化并在压力下储存才能作为燃料，储氢场所应有适当的安全措施，这给氢的运输和储存带来了挑战；同一体积液氢提供的能量不到柴油的一半，因此需要两倍多的空间来储存；此外，氢还需要一个特有的加注设施。国际能源署也指出，由于氢的储存成本高、能量密度低，其作为大型船舶燃料的作用比氨更为有限。

尽管如此，在实际应用方面，氢比氨应用得更早。2018年，丰田赞助的世界上第一艘自主航行氢动力船“Energy Observer”下水，该船使用太阳能、风能和波浪发电，并且可以通过海水产生零碳氢作为动力。比利时CMB航运公司最近与ABC发动机公司合作研发了世界上第一台双燃料氢-柴油发动机。Behydro公司开发出一种柴油-氢燃料发动机，功率高达10兆瓦。该公司已收到首个订单，将2×2兆瓦双燃料发动机安装在拖船“HydroTug”上。该船是世界上第一艘氢燃料拖船，将部署在安特卫普港。

为实现真正的“零排放”和“碳中和”，现有的氢燃料制造商还可以通过收集储存生产过程中排放的碳来生产“零碳”氢燃料。挪威Equinor公司已在开展世界上第一个规模化的氢燃料生产项目，将天然气与碳收集储存结合起来生产氢。另一种生产碳中和燃料的方法是将氢与碳或氮一起进行化学反应，以生产气体或液体燃料。这种碳基合成燃料的性质类似于今天使用的化石燃料，但事实上，它们使用收集的碳意味着它们在技术上是碳中和的。

燃料电池

燃料电池可以为短途航行船舶提供动力，也可以满足大型船舶的辅助能源需求。除了可以作为燃料燃烧，氢也可以用在燃料电池中，通过电化学反应将氢的化学能转化为电能。

目前，在船舶上使用电池为发动机提供动力的做法仍处于初级阶段，随着技术的发展，相信将来即使是大型远洋船舶也可以使用可再生能源电池提供动力。但是，受电池能量密度所限，纯电动船舶一般仅适用于短途旅行。一艘典型的大型集装箱船每天需要1万节特斯拉S85电池，这意味着它需要7万节电池才能航行一周。但是，得益于汽车电池技术的发展，相信这种情况很快就会改变。目前，研究人员已经在研究如何将特斯拉Model 3的电池能量密度从当前的250瓦时/千克提高至1000瓦时/千克。

在实船应用方面，当前欧洲已有超过50艘纯电动力船舶营运，除了纯电动力船舶外，一些船型较大的船舶采取柴电混合或“LNG+电”混合动力技术来节省燃料消耗，降低废气排放量。我国也有电动船舶项目的初步尝试，例如广船国际有限公司建造的2000吨级电动自卸船，上海瑞华集团改制的500吨级电动货船等。

图4 2000吨级纯电动自卸船

风能

风能被认为是海运业最古老的推进动力。现代商船不太可能完全用自然风力作动力，但仍可以利用风力作辅助推进，以此补充零碳燃料系统。尽管现有的风电系统目前只能提供船舶所需能源的5%～10%，但这些系统可以进一步优化，其中风电混合系统就是一个很有前景的发展方向。

图5 “海翼”风帆系统

图6 采用旋翼帆技术的马士基油船“MaerskPelican”

在技术研发方面，芬兰制造商Norsepower开发出一种旋翼帆技术，当船舶安装这种旋翼帆后，它会根据船舶的环境和运行条件以不同速度旋转，从而产生压力差，推动船舶前行。此外，法国Airseas公司研发的“海翼”（Seawing）风帆系统也值得关注。据了解，“海翼”风帆是以绳索连接船头，面积可达1000平方米，且风帆上安装感应器，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。当不再需要拖曳时，风帆也会自动重新折叠并回收。

在实船应用方面，2018年底，招商轮船公司成功下水了全球首艘装备U型风帆的30万吨级油船“凯力”轮；目前包括日本航运巨头川崎汽船在内的多家航运公司已与Airseas公司签署“海翼”系统订造协议；而Norsepower的旋翼帆技术现也已经成功安装在多艘大型客船、货船和油船上，例如马士基的成品油船“Maersk Pelican”、芬兰Bore公司的滚装船“MSEstraden”以及维京游轮的LNG动力客船“Viking Grace”等。

图7 俄罗斯核动力破冰船“50年胜利”号

核能

相对来说，核燃料的技术已比较成熟，可以很容易地应用到商船上，彻底消除二氧化碳排放。它一般只需要一个小型的核反应堆，就可以使船舶在若干年内都不需要加装燃料。目前，俄罗斯已在北极部署了多艘核动力破冰船，比尔盖茨所创办的核能公司“泰拉能源”也于2020年宣布开展相关技术研发。然而，出于对安全和安保的担忧，预计大多数政府在短期内不大可能接受核燃料的广泛使用。若想在商船上推广核燃料，仍有很多工作需要做。

长江新一代高端豪华游轮“长江叁号”交付

2021年12月16日，由招商局邮轮制造有限公司为长江海外游轮旅游有限公司建造的长江新一代高端豪华游轮“长江叁号”举行了交船仪式。

“长江叁号”游轮是招商局长航集团通过自主技术创新打造出来的长江新一代高端豪华游轮，总长149.99米、型宽23米、型深4.7米、设计吃水3米，可载客600人。绝大多数乘客可入住带观景阳台的奢华客房，游轮上设有影剧院、各类餐厅、露天水上乐园、儿童乐园、会议室等多种设施，主要运营区间为长江风光最雄奇秀丽的重庆至宜昌航段，集三峡风光观赏、休闲娱乐、会议、亲子活动等多种功能于一体，相当于一座移动式五星级酒店。