國際航行船舶替代燃料應用預測

汪穎異 金 強 潘 放

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

隨著國際海事組織（IMO）于2018年發布《IMO減少船舶溫室氣體排放初步戰略》，國際航行船舶溫室氣體的排放控制愈發受業內關注。90%的全球貿易通過海運完成，船舶溫室氣體的減排對全球升溫的控制有重要意義。船舶的減排主要通過2種方式：一是傳統的技術變革，例如船型優化、氣泡減阻和應用風帆等； 另一種是燃料的變革，即采用LNG、甲醇、氨和氫等低碳甚至零碳燃料。目前行業內正在大力研究適用于船舶的替代燃料，LNG、甲醇、生物柴油、氫和氨等均為熱門的研究對象。有學者認為LNG是船舶轉向零碳燃料的過渡燃料，中長期的選擇將會是綠甲醇和綠氨，遠期將是氫能占主導。

本文通過調研，初步確立了船東對于替代燃料的看法，即LNG、甲醇、氨和氫都將可能是船東的選擇，未來的船用燃料極有可能呈現多樣化的狀態，燃料供應鏈、主機技術、基礎設施和船型等都將影響替代燃料動力船的發展。本文將從這幾個角度出發，分析預測未來替代燃料動力船的發展趨勢。

1 替代燃料情況分析

作為遠洋船舶的替代燃料，甲醇、氨和LNG在市場上掀起一股熱潮。甲醇、氨和LNG作為替代燃料，在理化特性上與重油（high fuel oil，HFO）存在較大差別，與船端應用有關的特性如表1所示。

表1 替代燃料理化特性

替代燃料全生命周期的減排能力、獲取便利性、經濟性及船端的技術成熟度是影響船舶替代轉型的主要因素，這3種替代燃料在這些因素上的情況如表2所示。

表2 替代燃料的具體情況

生物LNG/甲醇通過生物質生產，電化甲醇由二氧化碳與綠氫合成。根據二氧化碳來源不同，電化甲醇可分成兩類：一類是綠色甲醇，二氧化碳直接通過空氣捕獲或生物質燃燒獲得，這樣的甲醇是碳中和燃料；另一類是替代甲醇，二氧化碳從發電廠、鋼鐵和水泥廠等捕獲而來。從長遠來看，化石燃料將逐步被替代/零碳燃料替代。LNG作為過渡燃料依舊有發展空間，以可再生甲醇、綠氨為代表的碳中和/零碳替代燃料隨著技術和供應鏈不斷完善將逐步得到應用，燃料的多樣性將是未來趨勢。

盡管氫不直接作為航運燃料，但其是電化甲醇和電化氨的制備原料。中國是世界第1產氫大國，2019年全國氫氣產量約2 000萬t，以煤制氫為主，國內電解水制氫不足1%，全球其他國家主要以天然氣為原料制備氫。以煤、天然氣等化石能源制氫（灰氫）會造成極高的碳排放，作為電化甲醇和電化氨的原料，氫源必須是替代甚至零碳。國際上推出藍氫，由LNG制氫配合碳捕獲、利用和封存技術（carbon capture，utilization and storage,CCUS）得到，研究表明其二氧化碳排放量相較于灰氫降低9% ～ 12%，沙特阿美、殼牌等公司均有藍氫示范項目，在綠氫（由可再生能源電解水制備）產能低下、成本較高的當下可以藍氫作為過渡。綠氫需依靠可再生能源，丹麥、英國和德國等國家均在大力開發海上風電制氫，目前歐洲的研發進度幾乎領先全球，國內目前尚無相應示范項目。

2 替代燃料動力船現存問題探討

2.1 國內調研情況

為把握替代燃料船舶產業鏈相關方有關業務布局，加強對實際情況的認識和理解，交流碰撞未來發展思路，我們在研究替代燃料動力船時對國內典型航運企業、燃料供應企業和海事監管機構進行了調研。在調研中發現：行業內并未對替代燃料的選擇形成明確路線，LNG、甲醇和氨等均有潛力作為中長期的替代燃料，但目前仍以低硫油為主；替代燃料的供應鏈、主機技術和加注等基礎設施以及監管體系等問題令人擔憂。

2.2 國際航行替代燃料動力船預測

國際航行船舶噸位較大、航程較長、靠港頻次低、燃料加注相對不便，所以需要使用能量密度較高的燃料和功率較大的動力裝置。未來國際航行船舶發展和應用的清潔能源主要為LNG、甲醇和氨，相應的動力裝置和系統以內燃機為主。

據IHS數據統計，截止2020年底，全球遠洋船保有量2萬艘、18億載重噸，其中船齡結構如表3所示（由于IHS中無遠洋、沿海、內河船分類，這里假設3萬載重噸以上船舶為遠洋船）。2017—2020年，遠洋船保有量年平均增長率為5%，假設未來船隊穩定增長，全球新造船年產能維持不變（據IHS數據統計，2021年全年新造船產能約1億載重噸），則假設2020—2030年全球遠洋船年平均增長率為5%，2030—2040年平均增長率為3%。假設2020—2030年間新建船即為目前船齡15年以上船舶，2030—2040年間新建船即為目前船齡11 ～ 15年船舶。如果對船舶進行改造，一般選擇船齡10年以上船舶。

表3 2020年遠洋船船齡結構

LNG動力船是目前較為成熟的替代燃料動力船，關于替代燃料動力船的預測方法介紹以LNG動力船為主。

據IHS數據統計，截止2021年12月，全球LNG動力船1 045艘，7 278萬載重噸，占全球船舶3.2%，其中非LNG運輸船的LNG動力船619艘，3 505萬載重噸，占全球船隊的1.5%，具體如下頁表4所示。

表4 全球LNG動力船

表4中：在營LNG動力船（非LNG運輸船）共348艘、208 394萬載重噸，占在營船舶的26%；在建LNG動力船（非LNG運輸船）共274艘、2 334萬載重噸，占在建船舶的72%。盡管LNG動力船發展已20年有余，但目前已運營船舶仍很少使用LNG，基礎設施不完善以及船舶初投資較高等問題都是其難以大規模使用的原因。

按照目前在建油、散、集三大主力船型的LNG動力占比，假設2020—2030年間新建船中的LNG動力船（非LNG運輸船，下同）占15%；考慮到油改氣成本較高且原有船員可能無法勝任，船東改建意愿較低，則假設改建船占1%，計算得2030年LNG動力船占比約3.4%（按載重噸計，下同），約1 029艘，10 175萬載重噸。簡要計算過程為：2020—2030年間新建船為2020年船齡15年以上船舶，這十年間的改裝船為2020年船齡11～15年的船舶，再考慮2020年在運營和在建的LNG動力船即為2030年LNG動力船的總量；2030年遠洋船總量根據目前船舶總量按照5%年平均增長率計算而得（計算方法下同）。

2030年之后能夠成熟應用的替代燃料種類多樣，甲烷逃逸法規出臺后，可能會影響LNG的使用，對LNG的依存度將有所降低。假設2030—2040年間新建LNG動力船占比5%且無改裝船，則2040年LNG動力船占比約2.4%、1 240艘、11 872萬載重噸。

在甲醇動力相關技術成熟的前提下，遠洋船舶對于甲醇動力船的傾向性也會增加，相較于LNG動力，船東更愿意接受“油改液”而非“油改氣”。除此之外，甲醇加注設施建設易于LNG。假設2020—2030年間甲醇動力的大規模應用處于起步階段，5%的新造船為甲醇動力，3%的運營船改造成甲醇動力船，則到2030年，甲醇動力船預計占比約1.2%、419艘、3 619萬載重噸。假設2030年之后甲醇動力飛速發展，且藍甲醇廣泛應用，2030—2040年間甲醇動力占新造船的20%，占改裝船20%，則2040年預計甲醇動力船占7.2%、3 084艘、2.9億載重噸。

由于氨燃燒無碳排，隨著環保要求的嚴苛，遠洋船舶中可能應用氨作為動力。隨著MAN公司的氨主機的發布，可能在2030年前有遠洋運輸船的示范應用，但比例較小。隨著氨動力相關技術成熟，氨動力船有所增加，但氨仍需低溫液化，其改造成本和技術難度相較于甲醇更大，氨將更多的應用于新造船而非改裝船。除此之外，類似LNG加注情況，氨加注設施需要一定發展時間。假設2030—2040年間5%的新造船采用氨動力，則預計2040年氨動力船占比約為1%、533艘、4 643萬載重噸。

在航運業脫碳政策相對寬松的前提下，根據目前各替代燃料動力船發展現狀及趨勢，以及配套設備發展現狀及趨勢、加注設施情況、燃料價格、政策情況和減碳要求等，估算2030年和2040年遠洋各替代燃料動力船數量，同時考慮了船舶年增量，具體結果如表5所示。這里的LNG動力均不包括LNG運輸船。

表5 未來船用替代燃料預測

按照目前的情況發展，預測2030年和2040年替代燃料動力船占比非常小，遠洋船舶的新燃料占比分別為5%和11%。DNV出版的 《2050年海事展望》提出：按照IMO的要求發展，2030年遠洋船舶采用碳中和燃料占比14%，2040年占60%以上。ABS出版的《船舶可持續發展路徑》提出：按照IMO要求發展，2030年和2040年遠洋船采用替代燃料占比分別為18%和37%，對遠景非常樂觀。然而航運業碳排放量占比僅2%左右，如果沒有十分嚴苛的政策要求或者高昂的碳稅，按照目前替代燃料船舶相關技術的發展（既未實現替代燃料規模化供應，又不存在成熟的主機），很難在10～20年內實現替代燃料大規模應用。

預測存在主觀性與不確定性，本節的預測主要展示筆者的思路，總體來說預測方法較為單一，并未區分情景（一般情景、消極情景、積極情景），下一步的研究中將采用情景法，使結果更為嚴謹。

3 替代燃料動力船基礎設施及船型分析

3.1 替代燃料動力船基礎設施情況研究

目前全球尚無以甲醇和氨作為船用燃料的專用基礎設施，且加注方式尚未確定（筆者認為甲醇作為液體燃料，大概率在港加注； 氨作為氣體燃料，船對船加注的可能性更大），因此關于基礎設施的預測以LNG為主。

LNG動力船的加注基礎設施仍未完善，全球LNG動力船的加注以船對船的形式為主，且加注港口數量有限，擁有大型船舶加注能力的僅鹿特丹港、新加坡港等。據IHS數據統計預測，截至2025年，全球投入運營的LNG加注船將有43艘，其中50%分布于鹿特丹、漢堡和澤布呂赫等歐洲港口，其他分布于北美、韓國、日本和新加坡等。總體來說，全球LNG加注設施并不完善，未來替代燃料種類多樣，相關企業對LNG加注設施的投入可能處于觀望狀態，導致LNG加注設施并不充分。從加注設施、氣價波動等角度考慮，未來LNG動力船增長并不樂觀。

LNG加注船與LNG動力船有一定的對應關系，如達飛集團共38艘LNG動力大型箱船，分別為9艘22 000 TEU和29艘15 000 TEU集裝箱船，未來將為之配備2艘1.86萬m加注船。亞歐航線每個航程約需60 d，每個航程加注1次，每年約加注6次，達飛船隊每年需加注228次。加注船單次加注至少需3 d（加注船在接收站補氣1 d、加注1 d、來回航渡等待），2條加注船剛好能滿足達飛船隊加注需求。按此推算，加注船和LNG動力船的配比理論上是1∶20，考慮到加注船運維的冗余度，實際配比按照1∶10。針對大型運輸船，LNG加注點選址需盡量靠近大型船的裝卸碼頭，同時盡量靠近LNG接收站，客觀上增加了加注點的建設難度。如果2030年LNG動力船達到1 000艘，則至少需要加注船100艘，在這十年間還需增添加注船60艘，加注船和加注點存在供應缺口。

為印證預測的準確性，按照目前加注船現狀預測2030和2040年加注船數量。據IHS數據統計，2021年LNG加注船訂單量為7艘，假設未來加注船穩定增加（年增量均為7艘），按照3年的建造周期計算，2030年在營加注船數量則為84艘，與上述對于LNG加注船需求量測算相近。2015—2030年加注船情況如圖1所示。

圖1 2015—2030年加注船情況

3.2 替代燃料船船型分析

馬士基于2021年12月公布了其16 000 TEU甲醇動力箱船的概念方案，如下頁圖2所示。該船配置了雙燃料發動機和16 000 m綠色甲醇燃料儲罐，保證船舶可以全程往返運營。此船外觀與以往任何大型集裝箱船都有明顯不同，船員宿舍和船橋位于船頭，以增加集裝箱容量；煙囪則放置在船尾，而且移在船舶一側，從而為貨物提供更多空間，這種住宿與煙囪之間的分離設計也將提高船舶在港口的效率。

圖2 馬士基16 000 TEU集裝箱船概念方案

除新燃料的動力裝置及燃料供應鏈外，船型的研發也至關重要。替代燃料相較于傳統燃油，將需要更大燃油艙，如若不更改船型方案，無疑將會損失貨艙空間。馬士基于2016年就開始研發創新船型，以適應甲醇燃料上船。為提高我國船舶工業競爭力，在新船型的研發上需同步考慮。

下文以氨動力15 000 TEU集裝箱船和21萬t散貨船為例，簡要評估常規設計下的貨艙艙容損失。

集裝箱船船型方案如圖3所示。燃料艙采用26 000 m的B型艙，布置于甲板以下，保證以18 kn的營運航速航行22 000 n mile往返，但占用800 TEU艙位，造成較大經濟損失。

圖3 15 000 TEU氨動力集裝箱船船型方案

21萬t散貨船船型方案見下頁圖4。該船續航力為23 000 n mile，燃料艙為16 000 m的B型艙，布置于甲板以下，占1個艙位。散貨船采用氨燃料，其管理需按氨運輸船執行，對船東和船員提出了更高要求。

圖4 21萬t氨動力散貨船船型方案

4 結 語

替代燃料船發展需考慮2個關鍵因素，分別是燃料供應鏈和主機技術。在燃料供應方面，國際上正逐步具備低碳甲醇和氨的供應鏈，國內需實現這些燃料的自主可控，而非類似LNG受制于人。國內在燃料供應上需抓緊布局，在2030年能夠實現綠氨、合成替代燃料等試點示范，為下一步商業化奠定基礎。在主機技術方面，MAN已有50缸徑甲醇中速機，將在2024年推出90缸徑甲醇低速機，同年將推出50缸徑氨中速機，而國內的此類研發計劃相對落后。 我們需盡快研制面向遠洋船的大功率甲醇、氨內燃機，以實現主機的自主可控。新燃料上船必然導致船舶布置發生變化，我們也需抓緊布局新船型的研發，在滿足船舶強度、穩定性等要求的前提下，盡量減少貨艙空間的損失。