氫、氨和LNG之外的探索

本刊記者 趙 博

為滿足航運(yùn)碳排放控制要求，業(yè)界開(kāi)展了一系列綠色船舶技術(shù)研究，零排放船舶是實(shí)現(xiàn)國(guó)際海事組織（IMO）提出航運(yùn)減排目標(biāo)的重要途徑。而船舶要實(shí)現(xiàn)零排放，需要依靠更加多元化的動(dòng)力供應(yīng)。

歐洲：多面實(shí)踐，追求領(lǐng)先

歐洲的電動(dòng)力船舶研發(fā)成果令人矚目，包括內(nèi)河客船、探險(xiǎn)郵輪、集裝箱船等，所搭載的電池容量也逐步大型化，以滿足越來(lái)越高的續(xù)航需求。這與歐洲“驅(qū)動(dòng)模式”關(guān)系緊密。早在2017年，歐盟委員會(huì)和歐盟區(qū)域發(fā)展基金等官方機(jī)構(gòu)就與一些非官方行業(yè)組織合作“ELMAR”項(xiàng)目，主要從政治、技術(shù)和商業(yè)因素出發(fā)，推動(dòng)波羅的海航行船舶的電動(dòng)化發(fā)展。另外，歐洲在標(biāo)準(zhǔn)化充電設(shè)施和電力輸送方面的基礎(chǔ)配套設(shè)施相對(duì)完備，為電動(dòng)力船提供了很好的應(yīng)用場(chǎng)景和可持續(xù)性的電力解決方案。

2015年，全球首艘電動(dòng)力車(chē)客渡船“MF Ampere”輪交付，她被認(rèn)為是客船綠色革命代表。“MF Ampere”輪有“電池動(dòng)力”船級(jí)符號(hào)——以電池作為主電源之一或唯一電源的船舶強(qiáng)制性入級(jí)符號(hào)，船長(zhǎng)約80米，能運(yùn)載120輛汽車(chē)和360名乘客橫跨松恩峽灣，電池容量1.86MWh，在港期間的滿充電時(shí)間僅約10分鐘。由于擁有表現(xiàn)力極佳的創(chuàng)新動(dòng)力系統(tǒng)和操縱性，“MF Ampere”輪在當(dāng)年榮膺由Environmental Technology頒發(fā)的“船舶能效大獎(jiǎng)”。預(yù)計(jì)明年，全球首艘全電動(dòng)快速客船“Medstraum”輪也將進(jìn)行試運(yùn)行，該船長(zhǎng)31米，電池容量為2.4MWh，設(shè)計(jì)航速23節(jié)，以探索歐洲內(nèi)河客船零排放模式。海達(dá)路德旗下運(yùn)營(yíng)的“阿蒙森”輪（MS Roald Amundsen）配備了大型電池組，與其它相同規(guī)模的探險(xiǎn)郵輪相比將減少20%以上的碳排放量。

圖1 全球首艘電動(dòng)力車(chē)客渡船“MF Ampere”輪

圖2 配備了大型電池組的“阿蒙森”輪

圖3 全球第一艘甲醇動(dòng)力商船“Stena Germanica”輪

在歐洲，蓄電池技術(shù)（含純電動(dòng)力和混合動(dòng)力）使用最多的船型是渡輪、游船和郵輪，而同樣適合歐洲水路網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的具有航線固定、航程較短或?qū)﹄姵厝哂喽炔皇呛芨叩慕Ｐ⌒瓦\(yùn)輸船，也正趨于電動(dòng)化。將于今年完成首航的“Yara Birkeland”輪是純電動(dòng)貨船的典型代表。“Yara Birkeland”輪由雅苒集團(tuán)和康士伯海事聯(lián)合研發(fā)，船長(zhǎng)約80米，型寬約15米，載箱量為103TEU，最大航速13節(jié)，電池容量7MKh，相當(dāng)于電動(dòng)汽車(chē)電池容量的一千倍。更重要的是，這是全球首艘可實(shí)現(xiàn)無(wú)人航行的純電動(dòng)集裝箱船，更充分地詮釋了歐洲“智能+綠色”的減排理念。

今年8月24日，馬士基宣布訂造8艘16000TEU型甲醇動(dòng)力集裝箱船，針對(duì)此次適用于遠(yuǎn)洋航行的甲醇動(dòng)力船，馬士基首席執(zhí)行官施索仁表示：“如果我們要解決航運(yùn)業(yè)面臨的氣候挑戰(zhàn)，現(xiàn)在行動(dòng)正當(dāng)其時(shí)，馬士基始終致力于滿足客戶對(duì)供應(yīng)鏈脫碳需求。這也對(duì)燃料生產(chǎn)商釋放出堅(jiān)定信號(hào)，即未來(lái)綠色燃料會(huì)涌現(xiàn)出巨大市場(chǎng)需求。”有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，全球約有100座港口供應(yīng)甲醇，且從馬士基的選擇來(lái)看，其作為重要新型替代燃料的地位已經(jīng)確立。實(shí)際上，全球第一艘甲醇動(dòng)力商船也來(lái)自于歐洲船東。2015年3月，船長(zhǎng)240米、可運(yùn)輸1500名乘客和300輛汽車(chē)的“Stena Germanica”輪在哥德堡港和基爾港之間完成了全球首次甲醇動(dòng)力航行。在此之后的六年中，大型甲醇動(dòng)力船市場(chǎng)持續(xù)。Waterfront Shipping旗下船隊(duì)目前運(yùn)營(yíng)30艘油船，其中11艘選用甲醇動(dòng)力，另有8艘49999載重噸級(jí)船在建，是全球最大的甲醇油船船隊(duì)。“最新訂單交付后，我們船隊(duì)中大約有60%的運(yùn)力將使用甲醇燃料。這些甲醇動(dòng)力油船受益于最新技術(shù)進(jìn)步，也顯示出大型船舶使用甲醇的可行性。”Waterfront Shipping聲明稱(chēng)。

圖4 我國(guó)自主研發(fā)的300客純電動(dòng)客船“君旅號(hào)”

圖5 “長(zhǎng)江三峽1”號(hào)客船效果圖

中國(guó)：積極推廣，進(jìn)展迅速

我國(guó)已建和在建的多艘電動(dòng)船項(xiàng)目表明，我國(guó)在電動(dòng)船領(lǐng)域的初步嘗試獲得成功。2017年，廣船國(guó)際建造的2000噸級(jí)新能源電動(dòng)自卸貨船是全球第一艘全部采用磷酸鐵鋰電池動(dòng)力的內(nèi)河貨船，該船電池容量約為2.4MWh，滿載情況下可航行80公里，直翼舵槳裝置作為主推進(jìn)器的技術(shù)突破了內(nèi)河大型運(yùn)輸船舶傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)方式，重要的是，該船實(shí)現(xiàn)了“五個(gè)第一”： 世界第一艘采用鋰電池作為船舶唯一動(dòng)力的內(nèi)河千噸級(jí)貨船；世界第一艘采用全向直翼舵槳作為推進(jìn)系統(tǒng)的內(nèi)河大型運(yùn)輸船； 國(guó)內(nèi)第一艘采用輕型移動(dòng)式貨艙蓋的內(nèi)河貨船；國(guó)內(nèi)第一艘采用封閉式自卸貨系統(tǒng)的自卸式散貨船；國(guó)內(nèi)第一艘具有中國(guó)船級(jí)社《內(nèi)河綠色船舶規(guī)范》綠色船舶III標(biāo)志的內(nèi)河大型散貨船。我國(guó)自主研發(fā)的300客純電動(dòng)客船“君旅號(hào)”也采用全鋰電池推進(jìn)，這艘國(guó)內(nèi)第一艘50米以上的純電動(dòng)客船也成為了國(guó)內(nèi)首艘通過(guò)中國(guó)船級(jí)社《純電池動(dòng)力電動(dòng)船檢驗(yàn)指南》要求的客船。“君旅號(hào)”采用高安全性鋰電池系統(tǒng)、高效變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高機(jī)動(dòng)性吊艙推進(jìn)器、智能化船舶操縱及運(yùn)維系統(tǒng)，其運(yùn)營(yíng)標(biāo)志著長(zhǎng)江新能源船舶新時(shí)代正式開(kāi)啟。

2021年6月30日，“長(zhǎng)江三峽1”號(hào)客船完成船體建造，成功轉(zhuǎn)入舾裝階段，這是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新能源純電動(dòng)游輪，也是目前全球在營(yíng)在建的最大電池容量商船。“長(zhǎng)江三峽1”號(hào)配備總電量約為7500kWh的電池系統(tǒng)，設(shè)計(jì)分布15個(gè)獨(dú)立動(dòng)力電池子系統(tǒng)，全船電池系統(tǒng)分4個(gè)電池艙布置，配置七氟丙烷和壓力水霧雙重滅火系統(tǒng)，直流母線采用三段母排結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)保護(hù)充分考慮故障選擇性，額外配置應(yīng)急電池動(dòng)力系統(tǒng)，推進(jìn)控制設(shè)計(jì)了三套全回轉(zhuǎn)推進(jìn)舵槳裝置和一套側(cè)推裝置。可以說(shuō)，“長(zhǎng)江三峽1”號(hào)是目前電池容量最大、智能化最先進(jìn)、安全保障手段最全、推進(jìn)負(fù)載最豐富的新能源純電動(dòng)游輪。

除此之外，包括“藍(lán)海豚2020”號(hào)客船和“中天電運(yùn)001”號(hào)貨船在內(nèi)的大部分電動(dòng)船電池容量也在1MWh-7.5MWh之間，這些項(xiàng)目為我國(guó)電動(dòng)船發(fā)展提供了較好的市場(chǎng)基礎(chǔ)。而發(fā)展自是離不開(kāi)頂層設(shè)計(jì)。交通運(yùn)輸部針對(duì)船舶排放設(shè)定的一系列減排目標(biāo)對(duì)推廣電動(dòng)船具有較為積極的作用，例如《船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案》和《推進(jìn)珠江水運(yùn)綠色發(fā)展行動(dòng)方案（2018-2020年）》，這些文件不僅關(guān)注岸電技術(shù)應(yīng)用，而且對(duì)電池動(dòng)力船舶技術(shù)推廣進(jìn)行了鋪墊。而一些地方政府出臺(tái)的政策文件在推廣電動(dòng)力船舶技術(shù)所發(fā)揮的作用更為直接。《廣州港口船舶排放控制作戰(zhàn)方案（2018-2020年）》明確提出實(shí)現(xiàn)約五艘純電動(dòng)船舶或混合動(dòng)力客船投入運(yùn)營(yíng)，《2018年“深圳藍(lán)”可持續(xù)行動(dòng)計(jì)劃》則提出要推廣使用電動(dòng)港口工作船舶。基礎(chǔ)設(shè)施條件方面，我國(guó)已建成的約2500套岸電設(shè)施不僅可用于靠泊期間的船舶電力供應(yīng)，也為電動(dòng)力船舶獲取電力提供了較好的硬件基礎(chǔ)，通過(guò)后期技術(shù)升級(jí)、改造或添置充電設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)船舶充電目的。

在甲醇動(dòng)力船舶項(xiàng)目方面，我國(guó)也有突破性進(jìn)展。中國(guó)船級(jí)社在2017年發(fā)布實(shí)施的《船舶應(yīng)用替代燃料指南》已將甲醇作為船用替代燃料列入其中，旨在為甲醇/乙醇、燃料電池、生物柴油等替代燃料在船使用提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。2019年7月，中國(guó)首艘甲醇燃料動(dòng)力船艇下水儀式在神灣江龍船艇科技園舉行，這艘由江龍船艇科技股份有限公司自主研發(fā)的甲醇燃料動(dòng)力船艇填補(bǔ)了我國(guó)在甲醇船艇設(shè)計(jì)建造領(lǐng)域的空白，對(duì)于甲醇燃料在國(guó)內(nèi)船艇領(lǐng)域的技術(shù)推廣及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

日韓：限于國(guó)情，跳出常規(guī)

電動(dòng)力船舶也是日本解決航運(yùn)碳排放問(wèn)題的重要手段。“但與歐洲船東所持觀點(diǎn)不同的是，日本認(rèn)為電動(dòng)力船僅適用于近海短途航行。”中國(guó)船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院船舶標(biāo)準(zhǔn)化研究中心工程師李睿男強(qiáng)調(diào)。

2020年，商船三井、朝日油船（Asahi Tanker）、三菱商事株式會(huì)社和日本國(guó)內(nèi)船舶經(jīng)紀(jì)公司Exeno Yamamizu共同成立了核心要素包括電氣化、環(huán)保、演變、效率和經(jīng)濟(jì)的“e5 Lab”，攜手開(kāi)發(fā)零排放電動(dòng)船并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。朝日油船將訂造兩艘零排放電力推動(dòng)油船，新船采用“e5油船”設(shè)計(jì)，船長(zhǎng)62米，型寬10.3米，吃水4.15米，設(shè)計(jì)航速11節(jié)，貨油艙容積約1300立方米，由大容量鋰離子電池供電，電池容量3500KWh，為純電池動(dòng)力油船，交付后將作為供油船在東京灣內(nèi)運(yùn)營(yíng)。同時(shí)考慮到船員和東京灣周邊水域環(huán)境，新船還采用了能減輕噪音和振動(dòng)的設(shè)計(jì)，并搭載各種自動(dòng)化、數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備，以減少船員工作量并提高運(yùn)營(yíng)效率。

有意思的是，我們似乎看不到日本除上述“e5油船”之外的其它電動(dòng)船項(xiàng)目，那么，日本為何顯得“非主流”？通過(guò)航運(yùn)以外的例子，我們也許能找到線索。首先，日本很難保證國(guó)內(nèi)供電，當(dāng)?shù)卣稹⑴_(tái)風(fēng)、暴雨之后，日本總會(huì)發(fā)生多多少少的電力供應(yīng)短缺問(wèn)題，這大大阻止了需充電航行的電動(dòng)船推廣。其次，日本能源極度匱乏，99%的煤炭依賴進(jìn)口、99%的石油依賴進(jìn)口、95%以上的天然氣依賴進(jìn)口，日本正在壓縮核能發(fā)電，若大部分供電需要火力發(fā)電時(shí)，“電力來(lái)源-輸電-充電-電驅(qū)動(dòng)”全鏈條閉環(huán)并不是完全脫碳，碳的總排放或許遠(yuǎn)超于碳節(jié)約量，因此很難實(shí)現(xiàn)新生態(tài)全產(chǎn)業(yè)鏈的減排要求。另外，日本重要港口均為遠(yuǎn)洋航線重要起運(yùn)港，進(jìn)出港船舶大型化明顯，而電動(dòng)船在現(xiàn)階段的應(yīng)用場(chǎng)景則相對(duì)簡(jiǎn)單，且動(dòng)力供應(yīng)不足以實(shí)現(xiàn)大噸位船舶的長(zhǎng)距離運(yùn)輸。

不過(guò)，日本對(duì)于解決電力缺口的想象力或許會(huì)在未來(lái)為其小型電動(dòng)力船的發(fā)展提供能源上的保證。日前，日本初創(chuàng)公司PowerX提出了電能轉(zhuǎn)移船概念，將海上風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生的電能輸至集裝箱式電池中，再將其運(yùn)往碼頭，以供岸基或未來(lái)船舶用電。這一想法是前所未有的。PowerX首席執(zhí)行官伊藤正裕表示：“第一艘電能轉(zhuǎn)移船可運(yùn)載100個(gè)集裝箱式電池（即200MWh電力），專(zhuān)門(mén)為在日本沿海水域運(yùn)輸可再生能源而設(shè)計(jì)。當(dāng)前，日本過(guò)度依賴進(jìn)口化石能源，我們希望未來(lái)可以不再需要使用那些傳統(tǒng)燃料，而是讓更多船舶使用電力驅(qū)動(dòng)。”據(jù)悉，PowerX會(huì)在成功驗(yàn)證概念船的可行性之后，將運(yùn)載規(guī)模擴(kuò)大至1000-3000個(gè)集裝箱式電池，能實(shí)現(xiàn)1000-3000公里的長(zhǎng)距離、洲際清潔電力運(yùn)輸，從而加速全球電動(dòng)船發(fā)展。

圖6 “e5油船”

風(fēng)動(dòng)力船舶雖然不是日本首創(chuàng)，但日本航企確實(shí)讓風(fēng)帆應(yīng)用上升到了一定高度。商船三井與大島造船（Oshima Shipbuilding）設(shè)計(jì)了全球首艘裝有硬帆系統(tǒng)的煤炭運(yùn)輸船，利用伸縮式硬帆將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為船舶推進(jìn)力，帆結(jié)構(gòu)和相關(guān)控制能夠根據(jù)風(fēng)的強(qiáng)度在四個(gè)階段進(jìn)行自動(dòng)伸縮，并能自動(dòng)調(diào)整到可充分利用風(fēng)力的方向。此外，商船三井參與研發(fā)的“風(fēng)氫混合動(dòng)力”船尋求風(fēng)能和氫燃料在海事界的新應(yīng)用。未來(lái)，這艘船將結(jié)合風(fēng)力推進(jìn)航行技術(shù)和通過(guò)風(fēng)能轉(zhuǎn)換產(chǎn)生穩(wěn)定氫氣供應(yīng)的技術(shù)，將風(fēng)能和燃料電池與電解槽產(chǎn)生的氫氣結(jié)合（電解槽的電力由風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生），使船舶能夠在強(qiáng)風(fēng)氣候下捕獲風(fēng)能，并在低風(fēng)速段的航行過(guò)程中產(chǎn)生氫氣，保證船舶常規(guī)航行，進(jìn)而創(chuàng)造出完全沒(méi)有任何溫室氣體排放的零排放運(yùn)輸系統(tǒng)。

韓國(guó)是造船大國(guó)，幾家船廠都曾建或在建氫/氨動(dòng)力船新型綠色船舶，但他們對(duì)甲醇動(dòng)力船或電動(dòng)力船的熱情并不高漲，甚至找不到公開(kāi)的典型項(xiàng)目，且對(duì)于風(fēng)帆技術(shù)的利用也僅限奉行“拿來(lái)主義”的泛洋海運(yùn)（Pan Ocean）案例。“電動(dòng)船的嘗試主要在歐洲的短程運(yùn)輸領(lǐng)域，而韓國(guó)的情況與日本類(lèi)似，多數(shù)屬于遠(yuǎn)洋運(yùn)輸。甲醇的熱值低，相同航程所需燃料多，且甲醇加注基礎(chǔ)設(shè)置在韓國(guó)和日本并不完善。”在李睿男看來(lái)，新出現(xiàn)的甲醇動(dòng)力船和不適合長(zhǎng)途航行的電動(dòng)力船對(duì)韓國(guó)航企的吸引力不大。

不過(guò)在核能利用方面，韓國(guó)走在了中國(guó)和日本的前面。今年6月，三星重工與韓國(guó)原子能研究所（KAERI）宣布將聯(lián)合研發(fā)核動(dòng)力船舶和浮式核電站，以提升韓國(guó)航運(yùn)企業(yè)在零碳排放船舶市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。公開(kāi)資料顯示，核動(dòng)力船舶和浮式核電站將采用小型模塊化熔鹽反應(yīng)堆，使用周期在20年左右，計(jì)劃于2025年開(kāi)始原型堆試驗(yàn)。“熔鹽反應(yīng)堆是一種可以有效應(yīng)對(duì)氣候問(wèn)題的零碳能源，這項(xiàng)船舶推進(jìn)技術(shù)可以改變航運(yùn)業(yè)的游戲規(guī)則，在船舶動(dòng)力、船用清潔能源制備等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力海事業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。”三星重工表示。

歐洲和亞洲國(guó)家在零排放船舶應(yīng)用方面逐步形成了差異化發(fā)展，各自根據(jù)本國(guó)市場(chǎng)需求完善綠色船舶布局，在船型方面，也根據(jù)實(shí)際情況建造大小和用途不同的新型燃料動(dòng)力船，以求形成最理想的減排方案。