船舶減排技術的現狀與發展趨勢

曲保智 楊溢 田宇

摘要：綠色供應鏈和船舶減排技術越來越受到全球海運業的重視。本文著重探討了最具潛力的氫能源的發展現狀 ， 總結了發動機和航線運營使用的減排技術并且提供了日本和全球最大航運公司馬士基集團的減排經驗和計劃。長期來看，航運燃料的最佳選擇是氫，但其應用在國內外均處于研究階段。短期來看，甲醇可能是實現減排目標的最佳替代性燃料，近年來甲醇發動機減排技術有了諸多的完善和提高，且其只要求對現有發動機進行改造而非完全替換。

關鍵詞：碳中和;清潔能源;減排技術

中圖分類號：U677 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0018-05

在2018年，國際海事組織（IMO）通過了全球溫室氣體減排的戰略。該戰略希望將2030和2050年的全球海運二氧化碳排放量分別降低到2008年的60%和30%。為了達成上述目標， IMO 主要對于以下兩個方面進行了審議和制訂：1.對于新造船，提高船舶能效設計指數（EEDI）以降低船舶碳排放強度;2.對于現有運營船舶，需要提升運營能和技術能效提升兩個方面來實現碳減排。并且在未來 IMO 可能會推出針對現有船舶的強制性措施。因此各國海運企業正在為此投入大量的人力、物力和財力，以期能及時實現碳減排目標來規避未來可能被實行的碳稅制度。在可以預見的未來，海運與環保的關系會更為緊密，全球海運企業一定會加大對于綠色供應鏈和船舶減排技術研發的投資。

1氫燃料電池在船舶上應用的前景

氫氣是一種零碳排放的清潔替代燃料。因其產物只有水，是最理想的船用新能源之一。并且它具有來源廣泛和燃燒熱值高的特點。

1.1船用儲氫技術

目前，國際上對于利用氫能的研究正處于快速發展期。但是氫能的儲存技術，尤其是高密度儲氫技術還不成熟。當前的氫氣存儲研發方向主要包括超高壓氣態儲氫、液化儲氫、金屬氫化物儲氫和液體有機化合物儲氫。整體來看，技術正從低儲氫密度向高儲氫密度發展。現階段我國35MPa 高壓儲氫瓶技術標準已十分成熟并且已經應用于陸上氫燃料電池汽車。因此對于船舶的氫能應用，首先采用35MPa 高壓氣瓶儲氫方式是一種可行的方案。對于70MPa 級高壓氣瓶的應用來說，我國即將邁入商業應用階段。國外則已成功商用。但高壓儲氫技術的缺點是儲氫密度較低，因此船舶會面臨燃料續航力不足的問題。未來船舶儲氫將向能量密度更高的液化儲氫方向發展，因此金屬氫化物儲氫、液體有機化合物儲氫等其他高密度儲氫技術均是潛在的船用儲氫方式，也是未來船舶行業大規模應用氫能急需打破的技術瓶頸。

1.2船用加氫技術

目前車用加氫設備主要使用快速加氫槍，其技術已經非常成熟，加注時間一般不超過10分鐘。對于船舶加氫來說，其加注量非常大并且持續時間遠高于車輛，因此陸用加氫槍并不能滿足船舶加氫的需求。船舶加氫更加需要可靠的加注連接方式和船岸之間需要緊急切斷的聯動功能。此外，汽車加氫時，由于氫氣使用安全標準問題，駕駛員需要關閉發動機并下車才能開始加注氫氣。然而船舶在碼頭進行燃料加注時一般不允許船舶斷電，因此如何保障船舶氫燃料加注操作的安全性，也是目前急需解決的問題。

1.3船用燃料電池

目前，燃料電池主要分為以質子交換膜（PEM）為代表的低溫燃料電池，以及以熔融碳酸鹽和固體氧化物為代表的高溫燃料電池。盡管 PEM 燃料電池技術已十分成熟，行業正在向產業化、規模化方向發展，但是高溫燃料電池具有高功率、高效率、氫氣純度要求低等優勢，因此其更適合在船舶上應用，是未來大型船舶應用的發展方向。總體來看，氫燃料電池車用技術標準與工程經驗已經基本完善，其在船舶的應用可以借鑒部分經驗，然而由于船舶營運條件與車用環境條件有很大不同并且氫燃料電池不能使用傳統的內燃機推進理念，因此許多技術障礙還需要攻破。此外與車用燃料電池不同的是，車載電池本身通風環境較好，而船用燃料電池需要布置在密閉環境中，因而需要更好的防爆設計。企業不得不去改變傳統車用設計，轉而遵循固定式燃料電池發電系統的設計理念。

國際上一些國家的船用燃料電池技術研發開展得較早，早在2003年就開展了船用氫燃料電池系統研究測試項目。許多老牌技術企業在整個船舶價值鏈中都占有優勢，尤其是在船舶大功率燃料電池系統研發及應用方面保持世界領先。

國內的燃料電池船舶研究起步較晚，在動力系統認證和整船方面直至近期才迎來實質性的突破。2021年1月，武漢眾宇動力系列燃料電池系統獲得由中國船級社頒發的中國首張船用燃料電池產品型式認可證書。隨后在2月初，由大連海事大學建造的“蠡湖”號燃料電池游艇順利通過試航，該船長度為13.9m，由大連化物所開發的70kW 氫燃料電池電堆和86kWh 的鋰電池組成混合動力，設計船速18km/h，續航180km，可載乘員10人。

1.4我國水上氫能產業發展提速

當前，打造綠色供應鏈并完成減碳目標已成為我國推動水運行業綠色健康發展的重要動力。比如中國船舶集團設立的“綠色珠江”氫燃料電池示范船舶重大科技專項已于2019年底獲得中國船級社（CCS）頒發的我國首艘氫燃料試點船舶設計方案的原理認可證書。該船將采用氫燃料電池作為船舶主動力并輔以鋰電池組進行調峰補償。并且該船舶還載有35MPa 高壓氫氣瓶組儲存氫氣燃料，續航力約為140公里。

2020年6月， CCS 公布了“船舶氫燃料儲存及應用技術”的研究結果，這次新指南增加了對高壓氣瓶儲氫技術在船舶上的應用的研究，同時也對氫燃料加注技術、船用氫氣管路連接方式、燃料電池處所安全防護技術開展了深入分析，解決了船舶運營條件與車用環境條件的差異性問題，解決了氫能在船舶應用上的安全性問題。此外， CCS 還研究兩種高密度儲氫技術（液體有機化合物儲氫和金屬氫化物儲氫）在船舶上的應用，在指南中提出了船舶儲存、布置、脫氫、材料等方面的技術要求建議，為后續開展高密度儲氫技術研究奠定了基礎。

此外 CCS 還受交通運輸部海事局的委托開展了氫燃料船舶應用技術的專項研究工作。研究課題聚焦在業界關注的重點，主要涵蓋了7大方面的研究內容，包括船用燃料電池動力系統專項研究驗證，船用儲氫和加氫系統專項研究驗證，船用氫氣管路連接方式專項研究驗證，船用燃料電池及其處所安全防護專項研究驗證，船舶氫燃料加注方式、安全操作規程和監管方式研究，氫燃料電池動力船舶技術標準分析和氫燃料電池動力船舶設計方案風險評估分析。這些研究成果毫無疑問地將在未來進一步推廣船舶氫燃料在我國的應用。

2發動機減排技術

隨著 IMO 通過了減排戰略，近年來，發動機減排技術已經成為發動機改進的重要目標。

2.1降低發動機排放的技術

（1）發動機可以使用共軌壓力大于200MPa 的高壓共軌燃油噴射可以使柴油霧化成更細小的顆粒，從而使發動機的燃燒過程變得快速且充分，進而減少顆粒物和碳煙的排放。

（2）使用更先進得增壓器及增壓系統，比如使用大增壓器效率大于70%，增壓壓力>0.5MPa 的增壓器可以提高可燃氣體的密度進而使得更多燃料可以充分燃燒，提高功率比，降低廢氣排放。

2.2超低排放船舶柴油機研究進展

目前歐洲43家單位正在合作研發船舶超低排放燃燒發動機，項目旨在研發出可以大幅降低船用發動機耗油量，進而減少尾氣和固體顆粒排放，提高發動機燃燒效率并保證發動機的安全可用性的技術。如果該項目進展順利，那么研究成果應該可以大幅度降低船用發動機的油耗進而減少二氧化碳排放并增加發動機生命周期和減少維護成本。該項目結合了多種先進科學技術的研發。比如嘗試使用各種極限參數來檢驗發動機的熱力學表現，引入了先進燃燒概念，使用多級智能渦輪增壓技術以及復合式熱發動機技術。同時嘗試減少發動機排放和使用先進的尾氣處理技術并安裝更先進的發動機監控傳感器以及研發自適應控制智能發動機等技術。

2.3替代性燃料要求發動機進行改造

雖然替代性燃料可能需要專門的船用發動機和存儲技術，但這些燃料變型中有許多會與船上技術兼容，因為在大多數情況下僅需要對現有發動機進行改造而不需要完全替換現有發動機。挪威船級社2020年對發動機技術系統在整個船隊的分布進行了建模，結果顯示雙燃料（甲醇和氨氣）發動機和燃料系統（雙燃料甲醇內燃機和雙燃料氨氣內燃機）是最有前景的解決方案，預計到本世紀中葉，許多船舶將改裝成甲醇或氨氣發動機和燃料系統，主要因素是甲醇和氨氣發動機和燃料系統具有燃料價格低和發動機改造成本較低的優勢，同時這些燃料在船上的存儲成本要低于其他燃料（如氫氣）。不過氨氣發動機和燃料系統目前還不夠成熟，還有重大的技術和安全挑戰需要去面對和解決。

3船舶運營的節能減排技術

除去上述替代性燃料和船舶發動機的改進，對船舶的運營進行優化也可以取得明顯的減排效果，在一些情況下，節能效果甚至可以高達50%。

3.1設計與使用高效螺旋槳

使用現代高效螺旋槳不僅可以降低油消并且不需要增加脈動壓力水平，甚至可以不改變螺旋槳主尺度。因此設計使用高效螺旋槳可以成為實現碳減排的一個重要抓手。

在葉數以及直徑的情況下，可采用以下方法來升發動機效率：增加轉速;減小槳葉面積或改變葉片形狀;通過修改徑向螺距分布來優化載荷分布;采用唇形后傾葉梢概念。盡管改變螺旋槳設計可以增加發動效率并降低油耗，不過應該值得注意的是柴油機的負荷限制范圍，如果超出限制范圍則會得不償失。

3.2航速優化、航線優化及縱傾優化

對船舶的航速進行優化是指將航速作為變量，通過已經獲得的風浪和洋流等參數去建立數學模型，然后計算得出這些參數對油耗的影響系數，最后通過動態優化得到最佳節能航速曲線。目前已有根據上述理論而研發出的最佳航速控制系統，實際應用測試顯示節能效果最多可達3%。

船舶的航線優化是指通過選擇航線克服風浪和洋流阻力來實現節能。這種節能措施是比較常用的節能措施之一并且市場上已有公司提供航線優化系統。Force Technology 公司研發的 SeaPlanner 已經應用多年并且其節能效果可達2%。航運公司可以根據此軟件提供的建議來合理安排節能策略。

此外航運公司還可以考慮對風浪和洋流等參數進行仿真和建模，然后將其對縱傾的實時影響納入模型，這樣就可以實現船舶的動態控制。在這個過程中，縱傾可以理解為航速、船舶吃水、水動力、載重、螺旋槳推力、舵角甚至風流態勢的函數，然后通過動態優化就可以開發出更為直觀的可視化平臺，進而構建出易于操作的縱傾動態控制系統。

3.3航程性能監控分析

上述介紹了多種可以實現節能減排的手段，但是船舶運輸是一個復雜的系統工程，因此如果能從整體能效出發來對系統的節能技術進行協調整合才能達到最優規劃、最優控制、減少油耗并最終實現節能減排的目的。

近年來國際上的節能技術開始對生產全過程進行綜合優化和監測。因此有一些綜合節能系統開始在市場上出現。這些航行性能監控分析系統整合了船舶的五大性能因數：功率、船型、螺旋槳、燃油消耗率和燃油消耗量。他們通過傳感器來采集船舶本身的各種性能數據以及風浪和洋流數據，然后使用數據進行數學建模，最終實現數據的可視化，在操作過程中船員可以看到實時準確的航速和主機功率等參數。目前Eniram 公司開發的清污分析平臺，其可以根據長年的船體污損數據，來交叉對比分析在不同海域船舶運行的性能數據。通過這些數據可以建立不同航線和航段、相似船舶的船體污損數據庫，這些數據庫可以被用來分析污染趨勢、船舶的敏感性、船舶在不同海域的油耗、船體污損的發展趨勢以及提醒是否需要船體清污維護。此外它還可以對船舶的短期和長期性能進行分析，最終制定船體清污時間表和船舶節能方案。Eniram 公司的產品已經在實船上得到應用，多次的實船檢驗證明該項節能可達5%。

4日本經驗借鑒：航運減排計劃

2020年5月，日本土地、基礎設施、運輸和旅游部（MLIT，以下簡稱“日本運輸部”）與研究機構和公共機構合作，制定了零排放國際航運路線圖，匯總了零排放船舶實用化的進度表，根據進度表，面向完全不排放二氧化碳的氫、氨燃料實用化，到2024年，開發出專用的發動機、渦輪和燃料箱;2026年，在連接國內港口的內航船舶上進行實證試驗。日本國土交通省和海事界希望推進對于使用氫、氨等新燃料船舶的開發，力爭到2028年實現商業航運。

這份日本的零排放國際航運路線圖，重點向業界展示了由 MLIT、日本船舶技術研究協會和日本財團共同起草的四個新型“零排放生態船舶”設計概念——氫燃料船（C-ZERO Japan H2）、氨燃料船（C-ZERO JapanNH3）、船上二氧化碳捕獲船（C-ZERO Japan Capture）和超高效液化天然氣燃料船（C-ZERO Japan LNG&Wind）。據介紹，上述四個新型“零排放生態船舶”或將實現減少90%以上的溫室氣體排放量（與2008年排放量相比），而且為建造零排放的2萬 TEU 型集裝箱船或8萬載重噸級散貨船提供了技術可行性。為滿足 IMO 的嚴格環保法規，幾乎所有的航運企業都在嘗試低碳環保的替代燃料。

4.1氫燃料船（C-ZERO Japan H2）

氫燃料船項目計劃開發設計兩種不同船型和尺寸的液化氫燃料船舶，包括2萬 TEU 型集裝箱船和8萬載重噸級散貨船。這些設計基于以下假設：一是液化氫用于船用燃料時，可在包括歐洲、中東、澳大利亞、日本和南美洲的五座主要港口加注;二是2萬 TEU 型集裝箱船和8萬載重噸級散貨船的單程巡航航程，分別為

11500海里和7000海里;三是主機采用雙燃料往復式發動機。在進行概念設計時，須重點解決氫燃料發動機和燃料供應系統、燃料箱升級、熱保護系統和防止氫氣泄漏等技術問題。

4.2氨燃料船（C-ZERO Japan NH3）

氨燃料船項目以澳大利亞航線上的8萬載重噸級散貨船為模板進行概念設計，主機采用通過甲醇、液化石油氣或其他液體燃料作為引燃燃料的雙燃料往復式發動機。鑒于氨燃料的阻燃性，發動機將配備一個引燃燃油噴射閥來控制點火。與同類型常規船舶相比，氨燃料船預計可減少91.9%的二氧化碳排放量。但在進行概念設計時，同樣存在一些技術問題須解決：一是氨的毒性和其他特性風險，需控制氨氣泄漏;二是在緊急情況發生時向大氣中排放的措施;三是氮氧化物和一氧化二氮的排放等。

4.3船上二氧化碳捕獲船（C-ZERO Japan Capture）

船上二氧化碳捕獲船項目的目標，是設計研發一種配備船上二氧化碳捕獲系統的2萬 TEU 型集裝箱船。該型船舶將使用可以甲醇為燃料的雙燃料往復式發動機作為主機，配備吸收二氧化碳的液體胺和二氧化碳存儲系統，預計可捕獲85.7%的二氧化碳排放量，并有可能隨著技術發展，捕獲90%以上的二氧化碳排放量。待船上二氧化碳捕獲船設計完成并進行商業運營后，將被投放至遠東-西北歐航線。

4.4超高效液化天然氣燃料船（C-ZERO Japan LNG &Wind）

超高效液化天然氣燃料船項目是結合液化天然氣燃料（LNG）和其他技術而開發的概念，設計模型同樣包括2萬 TEU 型集裝箱船和8萬載重噸級散貨船，預計將使船舶能效較2008年提高80%以上。超高效液化天然氣燃料船計劃裝備混合對旋螺旋槳，同時改進船型、優化速度、船體大型化，采用電力推進、LNG 燃料和其他創新節能技術應用（如風力推進系統和空氣潤滑系統）。根據船舶能效設計指數（EEDI）計算的話，超高效液化天然氣燃料船將比常規同型船舶的平均效率提高86%。相對而言，在超高效液化天然氣燃料船設計中存在的技術挑戰被認為相對較少，因為其是基于現有的節能技術而出現的船舶。但是，仍有必要修訂 IMO 的有關規則和準則，以便為這類船舶的實際應用提供一個良好的環境。

2019年，日本朝日油船、商船三井、三菱商事、船舶經紀公司、東京電力公司、出光興產和東京海上日動火災保險公司共同組建了“E5聯盟”，旨在通過各種有效的舉措建立遠洋航運基礎設施服務，幫助日本企業開發、實現零排放船舶的目標并使其盡快投入商用。2020年12月 ， 日本商船三井在名古屋港運營的一艘拖船首次使用生物燃料完成試運行。這艘拖船所采用的生物柴油燃料由 Euglena 位于橫濱的生物噴氣柴油生產示范工廠提供，以綠蟲藻和廢氣食用油為原料，可在不改變內燃機的情況下用于船舶柴油機。這種燃料不含硫，燃燒過程中的溫室氣體排放也低于化石燃料。2022年3月份，由“E5聯盟”成員研發制造的全球首艘零排放電力驅動油船（由大量鋰離子電池供電）將進入市場，而這也為日本的零排放國際航運路線圖提供了可見的現實基礎。不久前，包括日本 JEF 鋼鐵、日揮株式會社和商船三井在內的九家公司在“日本碳捕獲與再利用研究小組”內又成立了一個工作組，探索將甲烷化用于零排放船舶燃料的可行性，研究潛在的甲烷化燃料回收供應鏈，以用于助力航運業減排。

5企業實踐：馬士基集團的減排計劃

為了應對全球減碳的需求，全球最大的航運公司馬士基集團宣布將于2023年啟用以甲醇為燃料的支線集裝箱船舶。并且力圖使馬士基未來所有新建船舶都使用清潔燃料并且向他們的客戶給出多個碳中和產品的選擇，激勵燃料供應商擴大新型清潔燃料的生產。同時馬士基還希望在未來的三年內解決氨氣和酒精燃料的安全性問題，并在三年內訂購使用這些替代燃料的船舶。對馬士基來說，脫碳的主要動力來自客戶要求供應商的供應鏈更環保、發展更可持續。在馬士基200個大客戶中，約有一半對供應鏈已經設定或正在設定零碳目標。

馬士基甲醇支線集裝箱船舶設計運力約為2000TEU，將部署在區域航線網絡中。馬士基計劃使用甲醇或生物甲醇來為該船舶提供動力。目前，全球大約有十幾艘化學品運輸船使用甲醇燃料，但使用的是由煤或天然氣制成的傳統甲醇。馬士基的新集裝箱船將是第一艘專門使用綠色甲醇的商船，所面臨的最大挑戰是找到足夠的綠色甲醇來按計劃投運零碳貨輪，因為生產綠色甲醇的成本極高，目前其總產量仍然微不足道（據國際可再生能源署的數據，目前每年約22萬噸），即使全部用于運輸，也不到該行業年燃料消耗量的1%。相比之下，傳統的甲醇應用廣泛，使用化石燃料制造成本相對較低。在中國制造商的推動下，全球產量在過去十年幾乎翻了一番，達到每年1億多公噸。假如要使綠色甲醇供應達到規模，監管者將需要為二氧化碳排放確定較高的價格，或采取類似措施激勵（或迫使）企業購買更清潔的燃料。可再生電力項目必須繼續成倍增長，而碳捕獲技術將需要大幅擴大規模以降低自身成本。而且，盡管甲醇與石油燃料相似，但它的化學性質不同，航運業需要在世界各地的港口為甲醇建造特定的燃料基礎設施。

航運業在未來實現碳中和需要多個行業的合作、創新、測試和運營協同。馬士基正在推進多種碳中和燃料的應用探索，在未來較長時間內，多種燃料解決方案將并存。馬士基宣布，未來幾年的絕大部分投資都將用于開發“碳中和燃料”，包括甲醇、生物甲烷和氨。甲醇作為油基燃料的替代品，只需對船舶的發動機和燃料系統進行相對較小的改動，也很容易儲存在船上，不像電池或氫罐占用太多的貨艙空間，被認為是短期內貨船燃料的最佳選擇。長期來看，航運燃料的最佳可能是氨和氫，但這兩種零碳燃料仍然處于商業應用開發的早期階段。

6結論

我國相關船運公司需要高度關注國家碳達峰碳中和3060戰略部署以及 IMO 等國際組織的有關政策動向，深入研究制定應對策略。應盡快摸清船隊情況底數，為后續選擇運營能效指標、重點船型以及船隊建設和更替等，提前做好策劃與安排。在現有船舶技術能效方面，建議對船隊不同船型對 EEDI 的滿足情況進行識別，對主力船型和較難滿足 EEDI 要求的船型進行重點關注。對于船隊中可通過降低功率來滿足 EEDI 要求的船舶，可及早考慮在降低功率后，對其航線及經營的影響;對降功率仍不能實現 EEDI 要求的船舶，應提前考慮論證相應的節能技術手段提早對船期及進塢時間進行安排。

對于新造船，在船隊更新和中長期規劃時應考慮 IMO 相關戰略及政策對使用傳統燃料提出的挑戰以及低碳（無碳）燃料技術的發展和應用趨勢。建議相關設計單位和產品廠商積極開展新船型儲備，針對國際上加快并提前實施 EEDI 要求的趨勢，提前進行船隊更新的戰略部署，優先考慮能夠滿足 EEDI 削減40%-50%的高能效新船型/或考慮能夠直接滿足無碳排放的新能源船型儲備。

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