船舶推進系統革命是碳減排的必然選擇

國際海事組織（IMO）溫室氣體初步戰略于2018年通過，針對船舶運輸行業設置了雄心勃勃的減排目標：以2008年全球溫室氣體作為基準，到2050年減少50%（碳排放減少70%）。這一目標的設置，充分展示了國際海事組織在實現全球溫室氣體減排方面的擔當，同時也對航運發展形成較大的影響。為進一步推動航運減排的實施，國際航運公會(ICS)于2020年11月發布了《促進第四次推動系統革命》的報告,其中闡述了加速技術研發，推動船舶推進系統革命來實現2050年零碳航運的迫切性，同時該報告還認為推進系統革命是實現IMO碳減排目標的必然途徑，筆者就此利用SWOT模型，結合該報告開展分析如下：

一、優勢

1、統一的政策引導

國際海事組織（IMO）作為全球航運的監管機構的領導作用，其權威性得到充分認可。其制定的初步戰略得以通過，一方面彰顯了IMO在引領航運全球規范中的地位，另一方面也說明了IMO設置的減排目標得到了各成員國的普遍認可。這些相關的規范性文件的通過和實施，以及IMO采取的一系列后續行動，為實現減排目標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年期間海上貿易量增加了40%，這些減排代表著全球航運30%的碳效率提升。得益于近些年采取的臨時措施，包括提高船舶設計、提升運行能效、采用低碳排放燃料如LNG等，這些減排充分彰顯了航運界對于IMO減排措施的適應性和主動性。

2、改變現有推進技術的必然性

眾所周知，目前絕大多數船舶使用的推進系統是柴油機推進系統，其燃料為重質燃料油或者柴油。如果沒有對現有船舶推進系統進行大幅度改造的情況下，現有的推進系統無法使用目前已經識別的一些零碳燃料，如氫氣、氨等。但考慮到船舶的使用壽命一般為20～25年，這部分現有船舶在達成2050年目標之前將開始進入逐步淘汰的過程。

與此同時，航運界充分認識到，如果要實現IMO制定的50%的溫室氣體減排目標，依靠現有手段和措施是無法達成的。即使保守考慮全球貿易的增長速度，到2050年實現50%的減排目標，意味著全球船隊的碳效率需要提高90%，這是傳統石油制品無法達成的目標。這就迫切需要大范圍使用零碳燃料，來實現碳效率的提高。并且，如果一旦促成零碳燃料的廣泛使用，航運業100%的碳減排也是可以快速實現的。

3、航運界的統一行動將加速減排政策實施

為了推動實現零碳航運的研發進程，航運界在2019年12月向IMO提出了成立一個非政府研究和發展組織——海事研究與發展委員會（IMRB）的建議。該組織成立的目的就是希望在IMO的監管之下，協力開展碳減排技術的研究和發展，以幫助航運界盡早實現IMO碳減排目標。目前該建議已經得到了很多政府的支持，預計將在2023年以MARPOL公約修正案的形式得以通過。如果該建議得以通過，IMRB將對航運企業消耗的每噸燃油收取2美元的強制研發稅，在10年期間形成50億美元的核心資金，以保證全球研發項目的協力推進。

二、不足

1、需要巨大的研發投入

零碳技術目前尚未形成規模，尚不能用于大型遠洋船舶。而且目前的燃料，如氨、氫氣和電池系統需要大量的研發。陸基燃料處置和供應基礎設施，培訓項目，安全程序。這些工作，對于依賴于石油的航運產業及其相關產業，其中很大部分都是中小型企業，無法完整獨立實施整個工作。而且，航運公司是運輸公司，其著重點不是技術研發。盡管其可以支持研發但無法引領，這需要整個航運及相關行業的共同努力。

燃燒零碳燃料的推進系統與目前主流的柴油機推進系統大有不同，這就需要對船舶推進系統進行革命性的設計和更新，以滿足零碳燃料的使用安全、儲存等需要。

根據業界推測，預計將需要花費大約1萬億美元才能實現2050年的碳減排目標。IEA在2018年投入研發的資金就高達1.85萬億美元。

2、低能量密度燃料擠占大量貨物空間

在20世紀，船舶主要依靠內燃機和蒸汽渦輪作為船舶動力裝置輸出推動，使用了大量的石油燃料，從而導致大量的碳排放。這類燃料的能量密度大，易于使用，是石油的主要優勢。最大的不足就是在其生產或者燃燒過程中會產生大量的二氧化碳。對于船東而言，為了實現零碳運輸，必須同時考慮燃料和推動技術。

目前可以實現零碳運輸的技術，其規模尚不能滿足國際航運的廣泛使用，特別是對于航程超過1萬公里的跨洋運輸業務。大型遠洋船舶通常航程都數千公里，總噸30萬噸左右，船舶的航行一方面需要大量的能量，同時需要儲存大量的燃料。一艘大型集裝箱每日需要消耗20萬升燃油，并且攜帶超過1千萬加侖的燃油儲備。而目前的公認的零碳燃料，如氨和氫氣的能量密度均不足傳統燃油的一半，這意味著采用這些零碳燃料的船舶，其燃料儲存至少要擴大一倍以上。這將極大擠壓貨物運輸的空間。

利用電池驅動船舶引擎，目前尚處于起步階段。但化學和技術的進步最終將能滿足遠洋船舶的動力需求。這同樣面臨著巨大的挑戰，一艘大型集裝箱每天需要1萬塊特斯拉S85電池提供動力，一周就需要7萬塊。航運業去碳化面臨這巨大的挑戰。

3、高運輸成本

丹麥一家催化劑公司預測到2025 年環保氨的成本約為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。對于以經濟效益著稱的航運而言，燃料成本的上漲無疑將是一個巨大的挑戰。

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，是否環保，對新推進系統的需求，以及全球燃料補給基礎設施情況等。如果考慮到這些因素，對于不同的航線，不同尺度的船舶，會基于需求開展最優的選擇。例如，一些短途的近岸運輸，可以選用燃料電池或者電池組作為動力能源。而對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。

可以預測到的是，未來航運業不會使用單一種類的零碳燃料，也不會存在單一種類的推進系統。零碳燃料的多元化，為航運業提供了多種選擇的同時，也為技術的研發提供了更多的嘗試方向。由國際航運協會（ICS）開展的報告表明，目前存有的200多個早期階段研發項目，能形成20種可用于船舶的演示項目。這些技術對于航運業的需求而言，處于萌芽發展狀態，還停留在實驗室階段，而且需要很長的時間才能商業應用。而且演示項目能否全面滿足實際需求，還需要開展全面的研究才能確定。這也意味著更大的技術研發投入。

5、零碳燃料的產能不足

根據英國皇家學會的研究，250千兆瓦的再生能源產生的環保氨，僅能滿足全球三分之一船隊的需求。如果全部船隊都使用氨的話，大概需要750千兆瓦的電力，這占到目前全球再生能量產量的60%。

三、機遇

近些年，國際上在零碳燃料和推進系統方面的研究也取得了明顯的突破，為航運的轉變和全球供應鏈的去碳鋪好了道路。目前一些國際組織（例如國際能源署）列出了一些潛在可行的零碳排放燃料，如可以用于跨洋運輸的氨和氫氣，可以用于短途近岸運輸的電池或燃料電池，具體例舉如下：

環保氨是最有前景的低碳排放燃料，IEA預測，到2070年航運消耗的氨將達到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，這可以通過安裝催化系統，例如選擇性催化減排技術（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燃機。目前MAN energy solutions 已經計劃在2024年推出首款商用使用氨燃料驅動的引擎。

氫燃料驅動的船舶也在順利研發之列：比利時航運公司CMB和ABC合作研發出全球首臺雙燃料（氫氣和柴油）引擎。該項目被稱為Behydro，研發出的引擎能夠提供10兆瓦的動力。目前該項目已經收到首個訂單，將于2021年第二季度交付用于安特衛普港口的拖輪上。

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鍵。電動汽車行業早已經開始研究，提高電池的能量密度。目前特斯拉Model 3電動汽車使用的電池的能量密度為250wh/Kg。一些公司認為將很快實現1000wh/kg的能量密度。航運業會成為電動汽車行業的受益者。

核燃料技術上已經完全可以用于商船，達到徹底消除二氧化碳排放的目標。僅需要一個小小的反應堆，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成功運營著數艘核動力的破冰船。

燃料電池可以為短途航行的、船舶提供動力，或者為大型船舶提供輔助性能量。

風力作為航運業最為古老的驅動方式。對于現代化船舶而言，單獨利用風力驅動船舶已經不現實，風力可以用于起到輔助推動作用，在某些航線上甚至可以作為主要推進系統。目前的風力能提供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。但如果燃料的生產過程不能做到零碳，在生產環節產生大量的碳排放，對于全球溫室氣體減排的控制是起不到實質意義的。

目前全球廣泛生產的氨，主要用來生產化肥，且其主要通過加工天然氣或者石油氣生產得到，在生產過程中會產生大量的碳排放。同樣，現在市場上銷售的多數商用氫氣乙來自石油，在其生產過程中產生大量的碳排放。

氨可以利用再生能量合成氫氣和氮氣產生，而不會產生碳排放。環保氨可以利用再生能量合成氫氣和氮氣產生，同樣不會產生碳排放。目前正在開展的研究，計劃使用熱化學手段利用水產生綠色氫氣。

2、港口加注設施是否完備

除使用核燃料外，船舶具備有限的續航里程，需要在不同的國家和地區的港口進行補給。港口補給設施的完備與否、補給設施的標準統一與否，都直接關系到船舶獲取燃料補給的可能性。試想一下，一艘使用氫燃料的船舶大不可能達到一個只供應氨燃料的港口開展作業。

3、燃料使用安全

在大規模使用石油制品的航運時代，燃油使用的技術和流程已經非常成熟，但安全問題尚時不時發生。如果開始使用氨和氫氣等零碳燃料，這些燃料本身所具備的化學性質與傳統燃油存有很大不同，船上存儲和使用的安全尤顯得重要，特別是在船舶機艙這個相對較小的空間內，會產生多大的風險尚未可知。

根據其理化性質，氨是IMDG中列明的2.3類有毒氣體，屬于易爆的高危險品，必須以溶液形態儲存，其儲存和供給網絡必須安全可靠，防止氨的有毒性；氫，是一種極易燃料的氣體，需要超低溫高壓儲存。IEA認為，作為船用燃料，特別是對于大型船舶，考慮到氫氣較高的存儲成本和低能量密度。氫氣作為燃料的可行性尚不如氨。

4、船舶運力的影響

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

5、船舶保安考慮

一艘大型船舶，本身攜帶大量的燃油，如果一旦產生故意破壞等行為，有可能對生命、財產造成巨大的影響。如果攜帶危險性更高的氨和氫氣等燃料，其危險性將會更高。特別是核燃料船舶，雖然在俄羅斯的北極區域進行運營。鑒于全球對于核燃料的敏感性，如果核燃料用于大型跨洋運輸船舶，基于安保的考慮，船舶跨國進港的可能性幾乎為零。

航運零碳化是一個必然的趨勢，與之關聯的船舶推動技術也必然需要跨越式的改革。ICS秘書長蓋·普拉滕(Guy Platten)表示：如要實現航運業目前的二氧化碳減排目標，就必須在脫碳技術上實現一次重大飛躍，類似于一個世紀前從帆船到蒸汽船舶的轉變。在IMO碳減排目標下，繼風力、蒸汽和石油之后，零碳燃料的使用必然催發第四次推進系統革命。

零碳技術及零碳推進系統需要政府的支持，促成IMRB建議得以盡快通過，從而盡早為零碳燃料和零碳推進技術研發提供有力的政策和資金支持，同時航運界也需要投入到零碳技術的研發之中，爭取在2030年引入零碳技術船舶，并逐步在未來數十年內替代掉現有船舶，從而實現碳減排目標甚至實現零碳航運。