液化天然氣燃料在大型集裝箱船舶運輸領域的應用現狀

陳捷

以溫室氣體減排為目標的綠色航運是當前航運業的熱門話題。為了實現國際海事組織確立的減排目標和愿景，有必要使用無污染或污染小、碳中和且經濟可行的綠色能源作為船用燃料。與傳統燃料相比，液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）燃料能夠使船舶碳排放量減少20%，加之LNG產業發展較為成熟，具有政策完善、供應可靠等優勢，LNG燃料已成為中短期內最為現實可行的能夠規模化應用的主流船用清潔燃料。雖然僅憑應用LNG燃料還無法實現零排放的遠景目標，但隨著LNG燃料在船舶運輸領域成功實現商業應用，航運企業對LNG燃料的認可度逐步提高，并將其作為中短期內最佳的過渡性替代燃料，研發并應用“LNG燃料+船用燃料油”的雙燃料（以下簡稱“LNG雙燃料”）技術。本文結合綠色航運發展背景和趨勢，比較各種船用替代燃料的優缺點，從訂單情況、技術路徑、市場供應、經濟性和安全性等角度，介紹LNG燃料在大型集裝箱船舶運輸領域的應用現狀，并展望LNG燃料應用前景。

1 綠色航運發展遠景目標和政策措施

2018年4月，國際海事組織發布航運業溫室氣體減排初步戰略和目標：到2030年，船舶單位運輸活動的二氧化碳排放量比2008年減少至少40%;到2050年，船舶單位運輸活動的二氧化碳排放量比2008年減少70%;到21世紀末，實現航運業溫室氣體零排放的愿景。鑒于集裝箱船舶的溫室氣體排放量占航運業溫室氣體排放量的比重較大，國際海事組織對集裝箱船舶能效設計指數提出新要求：將12萬載重噸以上及20萬載重噸以下的大型集裝箱船舶能效設計指數在基準值的基礎上下調45%，并將集裝箱船舶能效設計指數第三階段的實施時間從2025年提前至2022年。

隨著氣候變化議題在全球范圍內引起高度關注，中國政府承諾將采取更加有力的政策措施，力爭在2030年前使二氧化碳排放量達到峰值，在2060年前實現碳中和。

在此背景下，具備良好環保性能并已成功實現商業應用的LNG燃料進入人們的視野。原中國船舶工業集團有限公司董事長董強和原招商局集團有限公司董事長李建紅均在2021年兩會上提出關于推進綠色航運發展和LNG應用的議案，預計相關配套支持政策有望在不久的將來出臺。

2 船用替代燃料比較和選擇

傳統的船用柴油和重質燃料油燃燒后排放的廢氣含有二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和顆粒物等，對環境造成嚴重污染。目前，傳統船用燃料的替代方案包括LNG燃料、液化石油氣（liquefied petro-leum gas，LPG）燃料、甲醇燃料、生物燃料、氫燃料和氨燃料等（見表1），其中LNG燃料的綜合性能較優。根據挪威-德國勞氏船級社發布的第四版《2050年海事展望》：在2030年或2040年環保監管收緊之前，化石燃料中的LNG燃料將占據相當大的份額。另據殼牌公司估計：到2040年，全球航運業對LNG燃料的年需求量將達到3 000萬t以上。

3 LNG雙燃料技術在大型集裝箱船舶運輸領域的應用

3.1 大型LNG雙燃料集裝箱船舶訂造情況

從近期14 000 TEU以上集裝箱船舶訂造情況來看，使用重質燃料油并加裝脫硫裝置的船舶仍然占據主流地位;但自從達飛輪船訂造的超大型LNG雙燃料集裝箱船舶成功交付并實現平穩運營后，越來越多的航運企業和船舶所有人開始訂造LNG雙燃料集裝箱船舶，并且船型大多為以上超大型（見表2）。總的來看：盡管LNG雙燃料集裝箱船舶訂單量占集裝箱船舶訂單總量的比重較小，但航運企業和船舶所有人選擇LNG雙燃料集裝箱船舶的意愿逐步增強;韓國造船企業積極研發綠色高效能船舶，在LNG雙燃料集裝箱船舶建造領域獨占鰲頭。

3.2 ?大型LNG雙燃料集裝箱船舶技術路徑

3.2.1 概述

大型LNG雙燃料集裝箱船舶建造涉及LNG燃料艙布置、LNG燃料艙選型、主機選型、燃氣供應、蒸發氣體處理、燃氣調節和安全防護等多項關鍵技術，其中：LNG燃料艙可選方案包括薄膜型燃料艙、B型燃料艙、C型燃料艙等;主機可選方案包括高壓主機加低壓選擇性催化還原系統、高壓主機加廢氣再循環系統和低壓選擇性催化還原系統、低壓主機等;蒸發氣體處理可選方案包括再液化回收、供鍋爐焚燒、供主機使用等。不同的技術方案組合形成不同的技術路徑，例如：達飛輪船采用的技術路徑為，LNG燃料艙選用薄膜型燃料艙，主機選用低壓主機，蒸發氣體供鍋爐焚燒和主機使用;EPS和赫伯羅特采用的技術路徑為，LNG燃料艙選用B型燃料艙，主機選用高壓主機加廢氣再循環系統和低壓選擇性催化還原系統，蒸發氣體供鍋爐焚燒;Greathorse采用的技術路徑為，LNG燃料艙選用C型燃料艙，主機選用低壓主機，蒸發氣體供鍋爐焚燒和主機使用。由此可見，當前大型LNG雙燃料集裝箱船舶多條技術路徑并存，并且在投資成本、運營成本、管理難度、可靠性和安全性等方面存在差異，需要結合實船運營實踐驗證技術路徑的可行性和有效性。本文重點介紹LNG燃料艙選型和主機選型。

3.2.2 LNG燃料艙選型

LNG燃料艙可選方案包括薄膜型燃料艙、B型燃料艙、C型燃料艙等，不同方案適用于不同船型，其中：薄膜型燃料艙技術由法國GTT公司研發，已成功應用于達飛輪船的LNG雙燃料集裝箱船舶項目;B型燃料艙和C型燃料艙技術也較為成熟，已分別應用于EPS和Greathorse的LNG雙燃料集裝箱船舶項目。與薄膜型燃料艙相比，B型燃料艙和C型燃料艙的應用時間不長，交付實績不多;但B型燃料艙和C型燃料艙成本優勢突出，并且可靠性更高（見表3）。

3.2.3 主機選型

目前國際上主流的船用主機和輔機生產企業（如MAN B&W、WinGD、HiMSEN等）已有針對LNG雙燃料集裝箱船舶的系列化產品可供選擇，在主機選型過程中需要綜合考慮多種因素。例如：MAN B&W ME-GI高壓主機在油耗方面的表現優于WinGD X-DF低壓主機;但前者價格較高，且日常維護更為復雜（見表4）。

3.3 LNG燃料市場供應

（1）供應價格 由于LNG燃料在船舶運輸領域的應用時間不長，市場仍然處于供應設施不完善、流通性不足的階段，尚未形成統一的價格體系。目前有能力供應LNG燃料的主流能源供應商均傾向于采用長期合約（合約期限大多為5～10年），并根據航運企業和船舶所有人對加注點、供應量和計價方式等需求提供定制化加注方案，在此基礎上與航運企業和船舶所有人商定供應價格。

（2）配套設施 在航運業排放法規日趨嚴格、船用LNG燃料技術進步以及政府引導和支持的背景下，LNG動力船舶市場呈現積極的發展勢頭，從而對LNG燃料配套設施建設形成巨大的拉動作用。全球主要港口紛紛布局建設LNG燃料配套設施，未來LNG燃料的可獲得性和加注便利性有望逐步提高。東西干線上的兩大樞紐港鹿特丹港和新加坡港已有船舶成功加注LNG燃料的案例，國內中石油、中石化和中海油三大石油化工企業也將LNG燃料加注點布局列入各自的“十四五”規劃。

3.4 大型LNG雙燃料集裝箱船舶經濟性

以投放于遠東―美東航線運營的15 000 TEU集裝箱船舶為例：一方面，LNG雙燃料船舶造價比常規燃料船舶造價高約2 500萬美元;另一方面，由于LNG燃料艙體積較大，LNG雙燃料船舶滿載箱量比常規燃料船舶滿載箱量少500 TEU左右。盡管如此，按照目前可以獲取的市場數據測算：LNG雙燃料船舶的內部報酬率約為11%，靜態回收期和動態回收期分別為7.3年和9.6年。就項目投資決策而言，上述回報均在可接受的范圍內。雖然目前常規燃料船舶經濟性優勢更明顯，但從發展綠色航運的角度來看，常規燃料船舶并非積極進取的選擇。如果綜合考慮LNG燃料長期合約價格低于測算使用的價格、技術發展使LNG雙燃料船舶造價回落以及征收碳排放稅等因素，未來LNG雙燃料船舶在經濟效益方面將有更好的表現。

3.5 大型LNG雙燃料集裝箱船舶安全性

LNG具有超低溫、易揮發、易燃易爆等特性，其泄漏會使人員、船舶、貨物等面臨巨大危險。與柴油機推進系統相比，LNG燃料推進系統更復雜，需要配置更加嚴格的安全防護系統和措施。雖然存在諸多風險因素，但現有的大型LNG雙燃料集裝箱船舶均保持較為平穩的運營狀態，未見因關鍵設備或系統發生重大技術問題而導致船舶無法繼續運營的負面報道。為了降低大型LNG雙燃料集裝箱船舶運營風險，可以采取以下措施：在船舶設計階段，加強風險評估，完善設備規格和技術參數;在船舶運營階段，配備經過專業培訓的高素質船員，建立并完善相應的船舶管理系統。考慮到未來零碳燃料應用面臨類似的安全問題，現階段在大型LNG雙燃料集裝箱船舶運輸領域提前部署并積極應對，有助于為未來順利過渡到零碳燃料應用積累經驗。

4 結束語

堅持綠色航運理念并采取持續減排措施，已成為航運業可持續發展的必由之路。雖然LNG燃料并非完美的替代燃料，但從大型LNG雙燃料集裝箱船舶的風險可控性和經濟可行性來看，船用LNG燃料技術擁有廣闊的發展前景。未來，在相關政策的驅動和引導下，隨著航運企業環保壓力加大及環保意識增強，船用LNG燃料供應鏈逐步完善，以及LNG燃料應用的安全性、經濟性和規范性持續改善，阻礙船用LNG燃料技術推廣應用的因素將逐步削弱或消除，航運企業采用LNG動力船舶的意愿將進一步增強。

（編輯：張敏 收稿日期：2021-04-12）