船舶推進(jìn)系統(tǒng)革命是碳減排的必然選擇

國(guó)際海事組織（IMO）溫室氣體初步戰(zhàn)略于2018年通過(guò)，針對(duì)船舶運(yùn)輸行業(yè)設(shè)置了雄心勃勃的減排目標(biāo)：以2008年全球溫室氣體作為基準(zhǔn)，到2050年減少50%（碳排放減少70%）。這一目標(biāo)的設(shè)置，充分展示了國(guó)際海事組織在實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體減排方面的擔(dān)當(dāng)，同時(shí)也對(duì)航運(yùn)發(fā)展形成較大的影響。為進(jìn)一步推動(dòng)航運(yùn)減排的實(shí)施，國(guó)際航運(yùn)公會(huì)(ICS)于2020年11月發(fā)布了《促進(jìn)第四次推動(dòng)系統(tǒng)革命》的報(bào)告,其中闡述了加速技術(shù)研發(fā)，推動(dòng)船舶推進(jìn)系統(tǒng)革命來(lái)實(shí)現(xiàn)2050年零碳航運(yùn)的迫切性，同時(shí)該報(bào)告還認(rèn)為推進(jìn)系統(tǒng)革命是實(shí)現(xiàn)IMO碳減排目標(biāo)的必然途徑，筆者就此利用SWOT模型，結(jié)合該報(bào)告開(kāi)展分析如下：

一、優(yōu)勢(shì)

1、統(tǒng)一的政策引導(dǎo)

國(guó)際海事組織（IMO）作為全球航運(yùn)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)作用，其權(quán)威性得到充分認(rèn)可。其制定的初步戰(zhàn)略得以通過(guò)，一方面彰顯了IMO在引領(lǐng)航運(yùn)全球規(guī)范中的地位，另一方面也說(shuō)明了IMO設(shè)置的減排目標(biāo)得到了各成員國(guó)的普遍認(rèn)可。這些相關(guān)的規(guī)范性文件的通過(guò)和實(shí)施，以及IMO采取的一系列后續(xù)行動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)在全球政策上鋪平了道路。此外，2020年8月的IMO最新研究表明，2018年的碳排放量較2008年減少了7%。考慮到2008年到2018年期間海上貿(mào)易量增加了40%，這些減排代表著全球航運(yùn)30%的碳效率提升。得益于近些年采取的臨時(shí)措施，包括提高船舶設(shè)計(jì)、提升運(yùn)行能效、采用低碳排放燃料如LNG等，這些減排充分彰顯了航運(yùn)界對(duì)于IMO減排措施的適應(yīng)性和主動(dòng)性。

2、改變現(xiàn)有推進(jìn)技術(shù)的必然性

眾所周知，目前絕大多數(shù)船舶使用的推進(jìn)系統(tǒng)是柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，其燃料為重質(zhì)燃料油或者柴油。如果沒(méi)有對(duì)現(xiàn)有船舶推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行大幅度改造的情況下，現(xiàn)有的推進(jìn)系統(tǒng)無(wú)法使用目前已經(jīng)識(shí)別的一些零碳燃料，如氫氣、氨等。但考慮到船舶的使用壽命一般為20～25年，這部分現(xiàn)有船舶在達(dá)成2050年目標(biāo)之前將開(kāi)始進(jìn)入逐步淘汰的過(guò)程。

與此同時(shí)，航運(yùn)界充分認(rèn)識(shí)到，如果要實(shí)現(xiàn)IMO制定的50%的溫室氣體減排目標(biāo)，依靠現(xiàn)有手段和措施是無(wú)法達(dá)成的。即使保守考慮全球貿(mào)易的增長(zhǎng)速度，到2050年實(shí)現(xiàn)50%的減排目標(biāo)，意味著全球船隊(duì)的碳效率需要提高90%，這是傳統(tǒng)石油制品無(wú)法達(dá)成的目標(biāo)。這就迫切需要大范圍使用零碳燃料，來(lái)實(shí)現(xiàn)碳效率的提高。并且，如果一旦促成零碳燃料的廣泛使用，航運(yùn)業(yè)100%的碳減排也是可以快速實(shí)現(xiàn)的。

3、航運(yùn)界的統(tǒng)一行動(dòng)將加速減排政策實(shí)施

為了推動(dòng)實(shí)現(xiàn)零碳航運(yùn)的研發(fā)進(jìn)程，航運(yùn)界在2019年12月向IMO提出了成立一個(gè)非政府研究和發(fā)展組織——海事研究與發(fā)展委員會(huì)（IMRB）的建議。該組織成立的目的就是希望在IMO的監(jiān)管之下，協(xié)力開(kāi)展碳減排技術(shù)的研究和發(fā)展，以幫助航運(yùn)界盡早實(shí)現(xiàn)IMO碳減排目標(biāo)。目前該建議已經(jīng)得到了很多政府的支持，預(yù)計(jì)將在2023年以MARPOL公約修正案的形式得以通過(guò)。如果該建議得以通過(guò)，IMRB將對(duì)航運(yùn)企業(yè)消耗的每噸燃油收取2美元的強(qiáng)制研發(fā)稅，在10年期間形成50億美元的核心資金，以保證全球研發(fā)項(xiàng)目的協(xié)力推進(jìn)。

二、不足

1、需要巨大的研發(fā)投入

零碳技術(shù)目前尚未形成規(guī)模，尚不能用于大型遠(yuǎn)洋船舶。而且目前的燃料，如氨、氫氣和電池系統(tǒng)需要大量的研發(fā)。陸基燃料處置和供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，培訓(xùn)項(xiàng)目，安全程序。這些工作，對(duì)于依賴于石油的航運(yùn)產(chǎn)業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)，其中很大部分都是中小型企業(yè)，無(wú)法完整獨(dú)立實(shí)施整個(gè)工作。而且，航運(yùn)公司是運(yùn)輸公司，其著重點(diǎn)不是技術(shù)研發(fā)。盡管其可以支持研發(fā)但無(wú)法引領(lǐng)，這需要整個(gè)航運(yùn)及相關(guān)行業(yè)的共同努力。

燃燒零碳燃料的推進(jìn)系統(tǒng)與目前主流的柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)大有不同，這就需要對(duì)船舶推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行革命性的設(shè)計(jì)和更新，以滿足零碳燃料的使用安全、儲(chǔ)存等需要。

根據(jù)業(yè)界推測(cè)，預(yù)計(jì)將需要花費(fèi)大約1萬(wàn)億美元才能實(shí)現(xiàn)2050年的碳減排目標(biāo)。IEA在2018年投入研發(fā)的資金就高達(dá)1.85萬(wàn)億美元。

2、低能量密度燃料擠占大量貨物空間

在20世紀(jì)，船舶主要依靠?jī)?nèi)燃機(jī)和蒸汽渦輪作為船舶動(dòng)力裝置輸出推動(dòng)，使用了大量的石油燃料，從而導(dǎo)致大量的碳排放。這類燃料的能量密度大，易于使用，是石油的主要優(yōu)勢(shì)。最大的不足就是在其生產(chǎn)或者燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳。對(duì)于船東而言，為了實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)輸，必須同時(shí)考慮燃料和推動(dòng)技術(shù)。

目前可以實(shí)現(xiàn)零碳運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)，其規(guī)模尚不能滿足國(guó)際航運(yùn)的廣泛使用，特別是對(duì)于航程超過(guò)1萬(wàn)公里的跨洋運(yùn)輸業(yè)務(wù)。大型遠(yuǎn)洋船舶通常航程都數(shù)千公里，總噸30萬(wàn)噸左右，船舶的航行一方面需要大量的能量，同時(shí)需要儲(chǔ)存大量的燃料。一艘大型集裝箱每日需要消耗20萬(wàn)升燃油，并且攜帶超過(guò)1千萬(wàn)加侖的燃油儲(chǔ)備。而目前的公認(rèn)的零碳燃料，如氨和氫氣的能量密度均不足傳統(tǒng)燃油的一半，這意味著采用這些零碳燃料的船舶，其燃料儲(chǔ)存至少要擴(kuò)大一倍以上。這將極大擠壓貨物運(yùn)輸?shù)目臻g。

利用電池驅(qū)動(dòng)船舶引擎，目前尚處于起步階段。但化學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步最終將能滿足遠(yuǎn)洋船舶的動(dòng)力需求。這同樣面臨著巨大的挑戰(zhàn)，一艘大型集裝箱每天需要1萬(wàn)塊特斯拉S85電池提供動(dòng)力，一周就需要7萬(wàn)塊。航運(yùn)業(yè)去碳化面臨這巨大的挑戰(zhàn)。

3、高運(yùn)輸成本

丹麥一家催化劑公司預(yù)測(cè)到2025 年環(huán)保氨的成本約為21.50～45.70美元每十億焦耳，到2040年下降到13.50～15.00美元每十億焦耳。相比較而言，目前的燃油約為12.50～15.00美元每十億焦耳。對(duì)于以經(jīng)濟(jì)效益著稱的航運(yùn)而言，燃料成本的上漲無(wú)疑將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

4、多元化零碳燃料的選擇困難

選取適合船舶的最佳低碳或者零碳燃料，將考慮眾多的因素，包括能量密度，是否環(huán)保，對(duì)新推進(jìn)系統(tǒng)的需求，以及全球燃料補(bǔ)給基礎(chǔ)設(shè)施情況等。如果考慮到這些因素，對(duì)于不同的航線，不同尺度的船舶，會(huì)基于需求開(kāi)展最優(yōu)的選擇。例如，一些短途的近岸運(yùn)輸，可以選用燃料電池或者電池組作為動(dòng)力能源。而對(duì)于跨洋航行的大型船舶而言，可能需要選擇氨或者氫作為燃料。

可以預(yù)測(cè)到的是，未來(lái)航運(yùn)業(yè)不會(huì)使用單一種類的零碳燃料，也不會(huì)存在單一種類的推進(jìn)系統(tǒng)。零碳燃料的多元化，為航運(yùn)業(yè)提供了多種選擇的同時(shí)，也為技術(shù)的研發(fā)提供了更多的嘗試方向。由國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（ICS）開(kāi)展的報(bào)告表明，目前存有的200多個(gè)早期階段研發(fā)項(xiàng)目，能形成20種可用于船舶的演示項(xiàng)目。這些技術(shù)對(duì)于航運(yùn)業(yè)的需求而言，處于萌芽發(fā)展?fàn)顟B(tài)，還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，而且需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能商業(yè)應(yīng)用。而且演示項(xiàng)目能否全面滿足實(shí)際需求，還需要開(kāi)展全面的研究才能確定。這也意味著更大的技術(shù)研發(fā)投入。

5、零碳燃料的產(chǎn)能不足

根據(jù)英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的研究，250千兆瓦的再生能源產(chǎn)生的環(huán)保氨，僅能滿足全球三分之一船隊(duì)的需求。如果全部船隊(duì)都使用氨的話，大概需要750千兆瓦的電力，這占到目前全球再生能量產(chǎn)量的60%。

三、機(jī)遇

近些年，國(guó)際上在零碳燃料和推進(jìn)系統(tǒng)方面的研究也取得了明顯的突破，為航運(yùn)的轉(zhuǎn)變和全球供應(yīng)鏈的去碳鋪好了道路。目前一些國(guó)際組織（例如國(guó)際能源署）列出了一些潛在可行的零碳排放燃料，如可以用于跨洋運(yùn)輸?shù)陌焙蜌錃猓梢杂糜诙掏窘哆\(yùn)輸?shù)碾姵鼗蛉剂想姵兀唧w例舉如下：

環(huán)保氨是最有前景的低碳排放燃料，IEA預(yù)測(cè)，到2070年航運(yùn)消耗的氨將達(dá)到1.3億噸，約為2019年全球化肥用量的兩倍。氨燃燒唯一釋放出的溫室氣體就是氮氧化物，這可以通過(guò)安裝催化系統(tǒng)，例如選擇性催化減排技術(shù)（Selective Catalyst Reduction），消 除氮氧化物的排放。使用氨作為替代燃料又很多的好處，最明顯的就是可以使用內(nèi)燃機(jī)。目前MAN energy solutions 已經(jīng)計(jì)劃在2024年推出首款商用使用氨燃料驅(qū)動(dòng)的引擎。

氫燃料驅(qū)動(dòng)的船舶也在順利研發(fā)之列：比利時(shí)航運(yùn)公司CMB和ABC合作研發(fā)出全球首臺(tái)雙燃料（氫氣和柴油）引擎。該項(xiàng)目被稱為Behydro，研發(fā)出的引擎能夠提供10兆瓦的動(dòng)力。目前該項(xiàng)目已經(jīng)收到首個(gè)訂單，將于2021年第二季度交付用于安特衛(wèi)普港口的拖輪上。

目前純電力船舶僅能用于短途航行。取得高能量密度是能否使用的關(guān)鍵。電動(dòng)汽車行業(yè)早已經(jīng)開(kāi)始研究，提高電池的能量密度。目前特斯拉Model 3電動(dòng)汽車使用的電池的能量密度為250wh/Kg。一些公司認(rèn)為將很快實(shí)現(xiàn)1000wh/kg的能量密度。航運(yùn)業(yè)會(huì)成為電動(dòng)汽車行業(yè)的受益者。

核燃料技術(shù)上已經(jīng)完全可以用于商船，達(dá)到徹底消除二氧化碳排放的目標(biāo)。僅需要一個(gè)小小的反應(yīng)堆，可以使用很多年，免除了加注燃料和攜帶燃油的需求。俄羅斯在近北極地區(qū)成功運(yùn)營(yíng)著數(shù)艘核動(dòng)力的破冰船。

燃料電池可以為短途航行的、船舶提供動(dòng)力，或者為大型船舶提供輔助性能量。

風(fēng)力作為航運(yùn)業(yè)最為古老的驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)于現(xiàn)代化船舶而言，單獨(dú)利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)船舶已經(jīng)不現(xiàn)實(shí)，風(fēng)力可以用于起到輔助推動(dòng)作用，在某些航線上甚至可以作為主要推進(jìn)系統(tǒng)。目前的風(fēng)力能提供5～10%的船舶能量需求。

四、影響

1、零碳化的考慮

在上文提及的幾種零碳燃料中，氨和氫氣，燃料本身可以做到零碳排放。但如果燃料的生產(chǎn)過(guò)程不能做到零碳，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生大量的碳排放，對(duì)于全球溫室氣體減排的控制是起不到實(shí)質(zhì)意義的。

目前全球廣泛生產(chǎn)的氨，主要用來(lái)生產(chǎn)化肥，且其主要通過(guò)加工天然氣或者石油氣生產(chǎn)得到，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。同樣，現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的多數(shù)商用氫氣乙來(lái)自石油，在其生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的碳排放。

氨可以利用再生能量合成氫氣和氮?dú)猱a(chǎn)生，而不會(huì)產(chǎn)生碳排放。環(huán)保氨可以利用再生能量合成氫氣和氮?dú)猱a(chǎn)生，同樣不會(huì)產(chǎn)生碳排放。目前正在開(kāi)展的研究，計(jì)劃使用熱化學(xué)手段利用水產(chǎn)生綠色氫氣。

2、港口加注設(shè)施是否完備

除使用核燃料外，船舶具備有限的續(xù)航里程，需要在不同的國(guó)家和地區(qū)的港口進(jìn)行補(bǔ)給。港口補(bǔ)給設(shè)施的完備與否、補(bǔ)給設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一與否，都直接關(guān)系到船舶獲取燃料補(bǔ)給的可能性。試想一下，一艘使用氫燃料的船舶大不可能達(dá)到一個(gè)只供應(yīng)氨燃料的港口開(kāi)展作業(yè)。

3、燃料使用安全

在大規(guī)模使用石油制品的航運(yùn)時(shí)代，燃油使用的技術(shù)和流程已經(jīng)非常成熟，但安全問(wèn)題尚時(shí)不時(shí)發(fā)生。如果開(kāi)始使用氨和氫氣等零碳燃料，這些燃料本身所具備的化學(xué)性質(zhì)與傳統(tǒng)燃油存有很大不同，船上存儲(chǔ)和使用的安全尤顯得重要，特別是在船舶機(jī)艙這個(gè)相對(duì)較小的空間內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生多大的風(fēng)險(xiǎn)尚未可知。

根據(jù)其理化性質(zhì)，氨是IMDG中列明的2.3類有毒氣體，屬于易爆的高危險(xiǎn)品，必須以溶液形態(tài)儲(chǔ)存，其儲(chǔ)存和供給網(wǎng)絡(luò)必須安全可靠，防止氨的有毒性；氫，是一種極易燃料的氣體，需要超低溫高壓儲(chǔ)存。IEA認(rèn)為，作為船用燃料，特別是對(duì)于大型船舶，考慮到氫氣較高的存儲(chǔ)成本和低能量密度。氫氣作為燃料的可行性尚不如氨。

4、船舶運(yùn)力的影響

氨能量密度相對(duì)較低，僅為傳統(tǒng)燃油的一半，意味著在同樣的運(yùn)輸狀況下，需要攜帶傳統(tǒng)燃油的兩倍數(shù)量。氫氣的能量密度相對(duì)較低，同等單位的液態(tài)氫的能量不足傳統(tǒng)燃油的一半。而且需要液化加壓儲(chǔ)存，作為燃料而言，其儲(chǔ)存和運(yùn)輸存有一定的技術(shù)需求。

5、船舶保安考慮

一艘大型船舶，本身攜帶大量的燃油，如果一旦產(chǎn)生故意破壞等行為，有可能對(duì)生命、財(cái)產(chǎn)造成巨大的影響。如果攜帶危險(xiǎn)性更高的氨和氫氣等燃料，其危險(xiǎn)性將會(huì)更高。特別是核燃料船舶，雖然在俄羅斯的北極區(qū)域進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。鑒于全球?qū)τ诤巳剂系拿舾行裕绻巳剂嫌糜诖笮涂缪筮\(yùn)輸船舶，基于安保的考慮，船舶跨國(guó)進(jìn)港的可能性幾乎為零。

航運(yùn)零碳化是一個(gè)必然的趨勢(shì)，與之關(guān)聯(lián)的船舶推動(dòng)技術(shù)也必然需要跨越式的改革。ICS秘書(shū)長(zhǎng)蓋·普拉滕(Guy Platten)表示：如要實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)目前的二氧化碳減排目標(biāo)，就必須在脫碳技術(shù)上實(shí)現(xiàn)一次重大飛躍，類似于一個(gè)世紀(jì)前從帆船到蒸汽船舶的轉(zhuǎn)變。在IMO碳減排目標(biāo)下，繼風(fēng)力、蒸汽和石油之后，零碳燃料的使用必然催發(fā)第四次推進(jìn)系統(tǒng)革命。

零碳技術(shù)及零碳推進(jìn)系統(tǒng)需要政府的支持，促成IMRB建議得以盡快通過(guò)，從而盡早為零碳燃料和零碳推進(jìn)技術(shù)研發(fā)提供有力的政策和資金支持，同時(shí)航運(yùn)界也需要投入到零碳技術(shù)的研發(fā)之中，爭(zhēng)取在2030年引入零碳技術(shù)船舶，并逐步在未來(lái)數(shù)十年內(nèi)替代掉現(xiàn)有船舶，從而實(shí)現(xiàn)碳減排目標(biāo)甚至實(shí)現(xiàn)零碳航運(yùn)。