綠色燃料，誰將勝出

汪穎異

IMO對氮氧化物、溫室氣體、硫、顆粒物等排放物的限制做出了嚴格規定。目前，氮氧化物以及硫氧化物的限制已經開始實施，EEDI第三階段或將提前實施， 中國船舶科學研究中心收集了從2013年1月至2017年11月所承接完成的126艘實船所測得的EEDI數據，與IMO在同時間段收錄的2452艘實船數據進行對比，結果顯示，在現有技術條件下，僅有不到1%的船可以滿足EEDI第三階段的要求。從滿足EEDI的船型以及目前普遍的節能技術對EEDI的貢獻度可以看出，僅僅靠節能技術已經很難滿足未來更為嚴苛的環保要求，綠色燃料的使用是大勢所趨。

船用燃料的轉變

圖1 重油、LNG和氫的發展態勢

船用燃料的轉變主要在于碳、氮、硫在燃料組份中的遞減，目前通過使用LNG燃料，基本無氮氧化物和硫氧化物的排放，但是只能減少20%～30%CO2的排放，從長遠來看，無法滿足更高的環保要求。隨著環保要求的提高，脫碳一直是燃料的痛點，業界對航運界未來燃料的使用已經有相關的研究，如有機構預測，LNG、甲醇等有望作為中期的替代燃料，而終極燃料鎖定為氫、氨和生物合成燃料。還有機構預測，重油的使用比例將逐漸減少，LNG的使用比重逐漸增加，到2025年將會逐漸開始使用氫作為燃料。

通過研究，重油、LNG和氫的發展態勢如圖1所示。隨著高環保要求的到來，燃料的結構將發生變化。在這期間，我們可以不斷去完善現有技術，比如空氣潤滑減阻技術、水動力節能技術等。LNG是目前比較熱門的船用燃料，能夠滿足現階段的環保要求，關鍵核心技術的研發已經基本完成，正在從導入期走向成長期，我們需要實現關鍵核心技術的工程化應用。氫燃料是目前熱門的話題，但是在大型船舶上還未實現應用，歐洲各國、日本等正在對關鍵核心技術進行科研攻關，氫燃料正從萌芽期走向導入期，我國需要跟上這些國家的腳步，實現關鍵核心技術的科研攻關。

LNG動力船市場情況

2010年到2020年6月的LNG動力船滲透率如圖2所示。到目前為止，LNG的滲透率達到了1.3%，雖然占比不大，但是近幾年LNG動力船在逐年增加。

盡管利用LNG動力的主要是LNG運輸船，但是這兩年非LNG運輸船利用LNG動力的情況也在逐年增加。三大主力船型使用LNG動力的情況如圖3所示，三大主力船型中，液貨船是使用LNG動力最多的船型。

1、LNG動力液貨船

LNG動力液貨船（不包括LNG運輸船）的訂單這兩年呈現明顯上升狀態（如圖4所示）。從2018年開始LNG動力液貨船訂單量一路飆升，今年上半年共有14艘該船型的訂單。從細分市場上來看（如圖5所示），化學品/成品油船是使用LNG動力最多的船型，目前共有41艘，其次是阿芙拉型油船，目前共有36艘。

圖2 LNG動力船的滲透率

圖3 三大主力船型使用LNG動力的情況

圖4 2013～2020年LNG動力液貨船新接訂單占比

圖5 LNG動力液貨船的細分船型

從船東來看，訂購LNG動力液貨船的船東都是全球較大的航運公司，如俄羅斯Sovcomflct、馬來西亞AET、加拿大Teekay、新加坡EPS，除新加坡EPS外，其他船東均將訂單給了韓國，由此可見韓國船廠在建造LNG動力液貨船方面備受船東青睞。

從航線上來看，LNG動力液貨船的航線主要是在四個排放控制區，如表1所示。

以30萬DWT的VLCC為例，對使用雙燃料和開式脫硫塔及低硫油的情況進行對比。這艘船的航線為沙特阿拉伯-中國，使用雙燃料、開式脫硫塔（重油）和低硫油+輕柴油的NPV（凈現值）如圖6所示，圖中情景一和情景二的燃油價格預測值不同，兩種情景是預測未來10年福賈伊拉的燃料價格，如圖7所示。

表1 LNG動力液貨船的主要航線

一般來說，燃料成本占營運成本的60%，因此燃料價格對NPV的影響很大。兩種情景下，使用開式脫硫塔的經濟效益要優于使用雙燃料，這是由于安裝脫硫塔時使用的燃料為重油，在兩種情景下預測HFO（重油）的價格基本都高于LNG，并且雙燃料動力系統的建造成本比脫硫塔高，具體建造價格如圖8所示。在兩種情景下使用LNG的經濟效益優于使用MGO（輕柴油）+VLSFO（低硫油）的模式，盡管傳統的動力系統建造成本比雙燃料動力系統低很多，但是兩種情景下LNG的價格比輕柴油和低硫油低很多。

圖6 30萬DWT VLCC使用不同燃料經濟效益比較

圖7 兩種情景的燃料價格

圖8 雙燃料動力系統、脫硫塔和傳統的動力系統的建造成本

圖9 滿載13.5節、壓載14.5節的經濟效益比較

根據某機構預測，2020年安裝洗滌塔的船舶將超過3500艘，但是僅占世界船舶總量58500艘的6%左右。盡管其能在短期內減少硫排放，但是不能給溫室氣體的減排帶來任何作用，并且目前有些國家己經限制開式洗滌塔在其海域中排放廢水。從長遠來看，洗滌塔的使用并不是一個好的選擇，采用LNG在環保上和經濟效益上是較好的選擇。如圖9所示，當航速增加時，使用雙燃料的經濟效益增加明顯。

2、LNG動力集裝箱船

LNG動力集裝箱船的訂單情況與液貨船類似，如圖10所示，從2017年開始訂單增加明顯，并且從此開始萬箱以上的訂單開始增加。今年上半年全球共簽訂19艘箱船，其中有2艘為LNG動力，為15000TEU的箱船。

細分船型如圖11所示，15000TEU的集裝箱船是使用LNG動力最多的船型。

從航線上來看，支線型的LNG動力集裝箱船主要在四個排放控制區航行，萬箱以上的主要航行于亞歐航線上。從船東來看，萬箱以上的船東都是大船東，并且對LNG燃料持支持態度。LNG動力集裝箱船的主要船東和航線如表2所示。

3、LNG動力散貨船

到目前為止，LNG動力散貨船僅有9艘，只有1艘在運營，但近兩年訂單也呈增長態勢。LNG動力散貨船的訂單、船東以及航線如表3所示。

LNG動力散貨船主要航線是澳大利亞—亞洲，這條航線相對來說比較短，并且在日本和韓國有較完善的加注設施，出于這些原因，船東選擇在這條航線上進行LNG動力散貨船的探索。新加坡的EPS是第一次與外高橋合作，從上面的分析來看，這家船東在油、集、散三大船型中都訂造了LNG動力船舶，體現了這家船東對LNG動力船舶的樂觀預期。

圖10 LNG動力集裝箱船的新接訂單占比

圖11 LNG動力集裝箱船細分市場

以21萬DWT的 散 貨 船 為例，這艘船的航線為澳大利亞—中國的航線。將使用雙燃料與使用開式脫硫塔、使用雙燃料與使用MGO+VLSFO的NPV做了對比，具體結果圖12所示。圖中情景一與情景二是所預測的燃料價格不同，兩種情景預測是預測未來10年內新加坡的燃料價格，如圖13所示。從圖13中可以看出，只有在情景一時使用開式脫硫塔也就是使用HFO的經濟效益優于使用雙燃料，主要原因是開式脫硫塔的建造成本比雙燃料系統低很多（建造成本如圖14所示），而HFO的價格僅僅比LNG高了一點。由于LNG的價格比MGO和VLSFO低很多，使用雙燃料比使用MGO+VLSFO有絕對的經濟優勢。

氫燃料動力船研究

1、氫燃料的儲運

氫燃料上船最先要解決的問題是氫的儲存，現有的儲氫方式主要有高壓氣態儲氫、液態儲氫和金屬氧化物儲氫，這三種方式的優缺點如表4所示。就目前的技術來說，氣態儲氫是最成熟的，但作為船用燃料，液態儲存是比較好的方式。

HFO、LNG和LH2（液氫）的屬性如表5所示。從排放的污染物上來看，LH2是最清潔的，并且它的質量能量密度是HFO的三倍、是LNG的兩倍，少量的燃料就能釋放出巨大的能量，從這幾點來看，LH2是非常好的船用燃料。但是，使用LH2也會有不利影響，例如，LH2的體積能量密度比較小，這就會導致船的貨運經濟性下降；LH2爆炸極限的范圍大，安全性無法保證；LH2揮發率高，對儲罐要求高。

表2 LNG動力集裝箱船的主要船東和航線

表3 LNG動力散貨船情況

圖12 21萬DWT 散貨船使用不同燃料經濟效益比較

圖13 兩種情景的燃料價格

圖14 21萬DWT散貨船上雙燃料系統、開式脫硫塔和傳統的系統的建造成本

表4 三種儲氫方式的優缺點

氫的運輸環節中，適合H2大宗跨洋運輸的技術主要有H2液化、LOHC（脫氫后的液態有機物載體）和氨（NH3）三種方式。H2液化是通過物理降溫方式，而LOHC和NH3是通過化學方法把氫與有機介質結合形成更大的分子，使其更容易以液體形式運輸，但LOHC和NH3往往不能作為最終產品直接使用，需要在到達目的地后通過化學方法把H2再生。這三種運輸方式的具體情況如表6所示。從表中看出，用LOHC和NH3可以液態運輸，就意味著對儲罐的要求沒有那么高，但是用LOHC儲運體積儲氫量和質量儲氫系數都不如NH3，并且NH3在農業上的使用已經形成全球網絡，這意味著儲存冷藏氨作為運輸燃料的基礎設施已經存在。NH3也是一種零碳排放的船用燃料，有預測稱，到2050年航運業將有很大一部分氨動力船，預測結果如圖15所示。據相關機構的調查，近60%的受訪船東表示，從長遠來看，他們將氫和氨視為最有吸引力的燃料選擇。

表5 HFO、LNG和LH2的屬性

表6 H2的三種運輸方式

圖15 2050年各行業的燃料使用情況

氫燃料電池是氫作為船舶動力比較好的方式，目前技術可行，也有很多企業正在研發，但是氫燃料電池的發展面臨著很大的挑戰，主要有：

（1）前期投資大，發展氫燃料電池船舶需要建設港口、碼頭加氫站，水上加氫站或是加注站，除此之外，電池本身造價高，燃料電池主要采用鉑催化電極，但鉑世界儲量少，增加了造價；

（2）船用氫氣加注站的規劃審批及營運監管等政策空白，氫氣生產與供給均處于起步培育階段；

（3）相對于傳統柴油機，燃料電池的動態響應較慢，如遇到極端情況，響應速度慢會影響船體的靈活性，容易造成事故；

（4）目前氫燃料電池的功率較低，適用范圍受限，僅能提供百kW級別的動力，能夠滿足小型民用船舶的要求，而中大型船舶往往需要MW級別的動力；

（5）作為一個新興的動力系統，在零部件獲取方便程度、專業人員數量、維修經驗等各方面距離內燃機均有較大差距；

（6）目前國內氫燃料電池的相關法規標準尚未完善，在建造或改造過程中缺乏可遵循的標準，這也將限制國內燃料電池船舶的推廣。

2、氫動力系統成本估算

通過分析氫動力系統的成本，明確氫動力系統的建造成本與氫燃料價格降到多少時，氫作為替代燃料具備商業擴散價值。以亞歐航線上20000TEU的箱船為例，計算氫動力系統的建造成本及營運成本。計算所需的前提條件如表7所示。根據HFO、LNG和H2的體積能量密度換算出氫上船所導致的貨損。

將氫燃料與LNG和HFO進行對比，假設氫燃料系統的建造成本與雙燃料系統的相同，為1.32億元，計算出氫動力系統的營運成本，從而計算出氫燃料的價格。

情景一：假設NPVLH2= NPV燃油

根據NPVLH2和氫動力系統的建造成本可以計算出營運成本。已知航行在這條航線上的20000TEU的箱船所需要的LNG，根據LNG和LH2的質量能量密度換算出所需要的LH2，從而計算出LH2的價格，為1.3萬元/噸。在氫動力系統的建造成本在1.32億元的前提下，當LH2的價格在1.3萬元/噸以下時，使用氫作為船用燃料比使用HFO作為燃料更有經濟效益。

表7 計算所需前提條件

情景二：假設NPVLH2= NPVLNG

計算方法與情景一相同，在氫動力系統建造成本1.32億元的前提下，當LH2的價格在0.99萬元/噸以下時，使用氫作為船用燃料比使用LNG作為燃料更有經濟效益。將氫燃料與LNG和燃油進行對比，假設氫燃料系統的營運成本已知，計算出氫動力系統的建造成本。這里假設LH2的價格與LNG的類似，為5000元/噸，計算出營運成本。

情景1：假設NPVLH2= NPV燃油

根據NPVLH2和氫動力系統的營運成本可以計算出建造成本，為20億元。說明當氫燃料的價格為5000元/噸的前提下，氫動力系統的建造成本在20億元以下時，使用氫燃料比使用HFO更有經濟優勢。這是由于氫的質量能量密度很大，釋放同樣的能量所需要氫的質量少，這就導致即使氫動力系統的建造成本比較高（小于20億元），經濟效益也比使用燃油好。

表8 加氫槍出口端氫氣總成本（元/kg）

情景2：假設NPVLH2= NPVLNG

當氫燃料的價格為5000元/噸的前提下，氫動力系統建造成本在12億元以下時，使用氫燃料比使用LNG更有經濟優勢。

分析來看，氫燃料的價格決定了氫動力系統能否具備商業擴散價值。加氫槍出口端氫氣總成本如表8所示，目前氫氣的制備價格都比較高，最便宜的氣態氫都需要大概4萬元/噸，由此可見氫燃料目前并不具備商業擴散價值。