綠色低碳燃料船舶總擁有成本分析

汪穎異 魏 梅

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

0 引 言

從2018年IMO制定2050年碳減排目標到我國提出2030年碳達峰、2060年碳中和目標來看，航運業的溫室氣體減排越發重要，減碳成為船舶工業未來發展的重要方向、零碳排放船舶成為未來造船及航運業的發展趨勢。根據中國船級社報告，全球航運業溫室氣體排放占全球總排放量的2%，國內內河和沿海溫室氣體排放量占國內總排放量的0.8%。盡管占比較小，但是全球貿易的90%通過海運完成，如果不加以控制溫室氣體，隨著海運貿易量的增加，2050年海運排放量將增加到18%。在2018年，中國水路貨運量達到9.9億萬t·km，其中內河、沿海和海外貨運量分別占16%、32%和52%，在未來航運業的貨運量將會越來越大，因此航運必須面對減排的挑戰。除此之外，2021年3月，歐盟議會投票通過設立碳邊境稅的議案，決定自2023年起，與歐盟有貿易往來的國家若不遵守碳排放相關規定，其出口至歐盟的商品將面臨碳關稅，如果仍然按照原模式發展，行駛至歐洲的船舶無疑會增加運營成本。

船舶的綠色化一直是航運業的熱點話題，海事界早已著手于綠色船舶的研發，從多家公司提出的概念船型中可以發現，采用的綠色技術主要包括：船型優化、采用清潔能源、混合電力推進、加裝減排設備及采用新型減阻涂料等多種方式。但是要實現未來的碳中和以及船舶零碳排放，船型優化等傳統技術已經不足以應對，燃料中碳組分的減少才是最直接、最有效的解決方式。目前船用燃料正從化石燃料逐漸向可再生能源轉變，以LNG為過渡燃料，氫、氨等零碳燃料為終極燃料的熱潮正被掀起。海事界已開始研究低碳燃料在船舶的應用，且有些船已交付，如2020年9月已交付的由我院為法國達飛公司研發設計的全球首艘23 000 TEU雙燃料集裝箱船達飛雅克薩德號，一些國家也研發了氨動力遠洋船舶的船型等，但鮮有學者研究零碳排放船的經濟性。因此，本文以航行于亞歐航線上的15 000 TEU集裝箱船為例，建立船舶的經濟性分析模型，分析該船使用氨燃料作為主動力和氫燃料作為電站的成本，并與以重油為動力的船舶成本進行比較，明確導致兩種船舶成本差異的因素，同時也為船舶經濟性分析提供一種思路和方法。

1 研究背景

由于氫的特性，氫在發動機中燃燒容易發生回火、早燃和爆震等現象，影響發動機的正常運轉且導致較低的燃燒效率，這些問題難以克服，使氫內燃機發展緩慢。除此之外，氫在內燃機中高溫燃燒會產生大量氮氧化物，背離了人們使用氫的初衷，因此人們逐漸將眼光投向氫燃料電池。單臺氫燃料電池的功率為百千瓦級別，只能應用如內河船等功率需求較小的船舶上，目前全球的氫燃料電池應用現狀如表1所示。受限于燃料電池的功率以及氫較低的體積能量密度，氫燃料電池未來僅可能作為電站應用在遠洋運輸船上。

表1 全球氫燃料電池船現狀

續表1

目前全球對于氨作為船用燃料的研究正在如火如荼地進行，盡管沒有實船，但全球已研發出各種船型（參見表2）。此外，MAN、瓦錫蘭和WIN GD等主機研發單位正在進行氨燃料發動機的研究，預計將于2024年出現示范樣機。從表中看出目前全球對于氨作為船用燃料的船型研究主要集中在大型遠洋運輸船上，說明未來氨燃料更有可能作為遠洋運輸船的主動力。

表2 全球氨動力船研究現狀

因此本文以航行于亞歐航線的15 000 TEU集裝箱船為例，研究氫燃料電池作為電站、氨燃料內燃機作為主動力的船舶（簡稱“綠色燃料”動力船）成本，同時將得到的結果與傳統的重油/柴油動力船的成本進行分析對比，明確造成成本差距的原因。本文分析基本方案和對比方案，基本方案為采用傳統燃料的船舶，對比方案為采用氨動力、氫電站的船舶。

2 成本構成

本文建立了傳統燃料船舶和“綠色燃料”動力船舶的TCO，在建模過程中，采用了自上而下的極細顆粒度的建模方法，通過分析具體到每一個系統設備的成本構成來構建船的總成本模型，模型框架如表3所示。考慮到主動力和輔助動力的變化是導致該箱船與燃油動力箱船區別的主要因素，為準確了解發生變化部分對整個成本的影響，將建造成本分成主動力、輔助動力、燃料儲罐、船身及其他零部件等方面。由于氨和氫特殊的物理性質，且與氨相關的發動機和燃料電池的發展還不成熟，應用在船上必然會造成船舶其他零部件的改變，因此在建造成本方面考慮了由于缺乏規模效應而造成的成本加成。運營成本主要由燃料費用、維修成本、箱位損失、人員工資、保險費及其他構成，由于氨和氫體積能量密度低，燃料艙體積比重油燃料艙大，因此在營運成本中有必要考慮由于燃料艙體積增加導致的貨艙損失。

表3 船舶的總擁有成本構成

2.1 目標航線

通過對貨運量、航線通航情況等數據的統計與調研，發現與目標船型箱量相近的集裝箱船主要集中投放在亞歐航線，因此本研究考慮目標船型也瞄準這一航線。假設目標船從大連港出發，并沿途掛靠煙臺、新加坡港，通過蘇伊士運河到達澤布呂赫港，裝卸貨物后返回。

按照IHS Ports and Terminal數據庫給出的數據，計算出航行距離和航行天數（見表4）。該船的平均航速為22 kn，裝卸貨、停泊、航行和進出港這4種工況下所需要的時間分別是2.5 d、5.5 d、41.5 d和2.1 d，行駛一個航次約需51.6 d。假設船舶一年行駛330 d，約為6.4個航次。

表4 目標運營航線數據

2.2 建造成本

兩種方案船舶的主動力為51 MW，輔助動力為12 MW。對于“綠色燃料”動力船，主動力采用1臺51 MW的氨發動機，輔助動力采用2臺4 000 kW和2臺2 000 kW的氫燃料電池。對于傳統燃油動力船，主動力采用1臺51 MW的柴油發動機，輔助動力采用4臺3 000 kW的輔機。氨發動機目前未推出樣機，對于其成本的估算基于LNG雙燃料發動機，燃料電池按照目前的市場價格計算。“綠色燃料”動力船中氨以液態方式儲存，氫以目前已成熟的高壓氣態方式儲存。兩種方案的建造成本見下頁表5，結果對比見下頁圖1。

表5 兩種方案的建造成本構成

“綠色燃料”動力船中輔助動力沒有考慮氫燃料艙的成本，燃料艙采用罐箱的方式直接向氫氣供氣商租用，租金攤在氫氣價格上。由于傳統燃油動力船已經成熟且應用廣泛，因此無需考慮由于缺乏規模效應而造成的零部件成本加成。

由圖1可見，“綠色燃料”動力船的建造成本約是傳統燃油動力船的2倍，主動力和輔助動力系統的建造成本約占總成本的30%，是柴油機的10倍。由于氨發動機、大功率氫燃料電池等系統設備技術成熟度低，尚不具備商業化的能力，由此導致其他零部件的成本加成占總投資的16%。

圖1 兩種方案建造成本拆分結果對比

2.3 運營成本

船舶的運營成本可分成燃料費用、箱位損失、維修費用、人員工資、保險費及其他等幾項，本文將著重說明燃料費用和箱位損失的計算方式。

傳統燃油動力船的主、輔機參數假設如表6所示，根據柴油機的參數計算主機、輔機每天的油耗分別為240 t和16 t。由于目前并未研發出氨動力的主機，很難根據主機參數估算每天的消耗量，本文采用釋放熱量相等的方式用熱值計算每天所需的氨，公式如式（1）所示。重油和氨的熱值分別為39.8 MJ/kg和22.8 MJ/kg，由此計算每天氨的消耗量為419 t。每天的耗氫量根據電站的功率為12 MW，氫的質量能量密度為120 MJ/kg（33.3 kWh/kg）計算而得為9 t。

表6 傳統燃油動力船主、輔機參數假設

式中：

A

為質量能量密度，MJ/kg；

M

為船舶每天消耗燃料的質量，kg；

J

為釋放的熱量，MJ。

船舶4種工況下主機、輔機運行功率如表7所示，計算在各工況下燃料消耗如下頁表8所示。

表7 目標船型運營工況

表8 各工況下每年的燃料消耗

由于氨和氫的體積能量密度比重油小，因此“綠色燃料”動力船的燃料艙會產生額外的體積貨損，重油、氨燃料根據每年的消耗可計算出燃料所需的艙容。40 ft規格集裝箱體積為60 m，由此可得燃料的貨損。氫燃料采用高壓方式儲存，一個40 ft集裝箱，按照500 MPa壓力，能夠儲存1 400 kg氫氣。重油、氨和氫所導致的集裝箱船的箱位損耗如表9所示。相較于傳統燃油動力船，“綠色燃料”動力船會多損失448個箱位。

表9 燃料導致船舶的箱位損耗TEU

假設船舶的全生命周期為25 a，則兩種方案全生命周期運營成本如圖2所示。

圖2 兩種方案全生命周期運營成本對比

燃料費用是船舶全生命周期的主要支出，根據市場調研，重油為4 000元/t，氨為4 000元/t，氫采用由煤制備而得，為4萬元/t，“綠色燃料”高昂的價格導致“綠色燃料”動力船的燃料費用約為傳統燃油動力船的2倍。由于“綠色燃料”較低的體積能量密度使“綠色燃料”動力船的燃料艙造成的損失占了運營成本的6%。

3 總擁有成本分析

兩種方案的總擁有成本如圖3所示。對于船舶來說，燃料費用是船舶最主要的支出。“綠色燃料”動力船中氫燃料費用和氨燃料費用分別占總燃料費用的15%和85%，因此氨燃料的價格是“綠色燃料”動力船總擁有成本的主導因素。“綠色燃料”動力船總擁有成本隨著氨燃料價格變化如下頁圖4所示，當氨燃料為0.17萬元/t時，“綠色燃料”動力船總擁有成本與傳統燃油動力船總擁有成本相當。模型中假設氨燃料的價格為0.4萬元/t，根據市場調研結果確定，這里的氨是根據煤、天然氣等化石能源制備而得（灰氨），會產生大量溫室氣體，如果未來船用燃料排放的溫室氣體考慮燃料全生命周期溫室氣體的排放，灰氨將會被綠氨（可再生能源電解水產生的氫氣與氮氣合成而得）代替，這時候綠氨的成本將高于目前的灰氨，基本不可能降至0.17萬元/t。從經濟性的角度考慮，“綠色燃料”動力船的經濟性將比傳統燃料動力船差。

圖3 兩種方案的TCO對比

圖4 “綠色燃料”動力船總擁有成本隨氨燃料價格變化情況

由于氨的體積能量密度與質量能量密度均小于重油，導致當釋放同樣的能量時，氨的質量和體積均大于重油，因此使船舶損失了相當一部分的箱位并產生了高昂的燃料費用。除LNG外，目前熟知的能用作船用的低碳燃料為甲醇、乙醇、氨和氫等，它們的能量密度如表10所示。

表10 燃料的能量密度

顯然，這些低碳燃料的體積能量密度均小于重油，除氫外的其他低碳燃料質量能量密度也小于重油。由此可見，目前市場上的低碳燃料很難做到既環保又有與重油相當的經濟性。如果隨著環保法規越來越嚴格，不得不使用低碳燃料，必然會損失一部分經濟性。

本文測算傳統燃油動力船的成本時未考慮由于使用重油而增加的額外成本，如應對硫排放的脫硫塔、應對氮氧化物排放的選擇性催化還原裝置（SCR）和未來由于溫室氣體排放造成的碳稅等，這些額外成本將在下一步的研究中考慮，以優化經濟性分析模型。

4 結 語

本文通過分析已明確“綠色燃料”動力船的總擁有成本約為傳統燃油動力船的2倍，其主要原因在于低碳燃料的能量密度小于重油，而市場上低碳燃料售價與重油相近，導致“綠色燃料”動力船的燃料成本增加。然而，燃料成本是影響船舶經濟性的主要因素，“綠色燃料”動力船的總擁有成本增加明顯。綠色低碳是航運業發展趨勢，隨著環保政策收緊，傳統的節能減排技術已不足以滿足環保要求，唯有低碳燃料的應用才能帶來革命性的變革。屆時，船舶經濟性會受到一定影響，而低碳燃料的成本將會是船舶低碳轉型的重要因素。