“雙碳”目標下我國船機業的出路

呂龍德 熊瑩

山雨欲來風滿樓。隨著全球變暖警報不斷升級，國際環保要求日趨嚴格，國際海事組織推出了嚴厲的脫碳措施，為航運業提出了明確目標，尤其是我國“雙碳”目標出臺，低碳甚至零碳浪潮從呼吁走向行動。這種背景下，減碳已成為造船業未來發展的重要方向，零碳排放的推廣應用勢所必然。在這場海事能源變革中，遭受最大、最深刻的影響無疑是傳統船用發動機行業。曾經在川海湖澤輝煌了幾百年的船用柴油、汽油發動機甚至新興LNG發動機走向沒落。

“雙碳”目標倒逼零碳船舶發展

氣候變暖的嚴峻性和緊迫性是世界性問題，減少乃至零排放二氧化碳已經成了人類的共同愿望和努力方向。2008年，英國《氣候變化法案》正式生效，通過立法帶動了國際碳減排。2015年，《巴黎協定》正式簽訂，提出本世紀后半葉實現溫室氣體凈零排放，許多國家紛紛制定了無碳戰略。我國也在去年向聯合國大會宣布采取“更有力的政策和措施”促進低碳零碳目標實現，并在今年兩會寫進《政府工作報告》，莊嚴提出了中國將“在2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和”的目標。國內外嚴厲減排措施和“雙碳”目標出臺，無疑給工業和交通運輸業帶來了前所未有的壓力和挑戰。

作為服務國際貿易發展的基礎力量和重要載體，航運造船業更是首當其沖地承擔減排使命。目前，國際航運溫室氣體排放量約占全球總量3%，2019年達8.19億噸。此外，航運碳排放量每年呈遞增趨勢，估計2050年將比1990年高出2～5倍。國際海事組織一直關注和重視氣候環境保護，早在2011年7月就通過了船舶能效規則，在減少溫室氣體排放道路上率先邁出了步伐，并不斷完善規則和加大漸進強度，朝著更高脫碳目標前進，如2016年通過規則要求5000噸以上船舶應編制和實施《船舶燃油消耗數據收集計劃》，以用于收集和報告船舶燃油消耗數據;2018年又通過了減少航運溫室氣體排放的初步戰略。面對減排大風暴，國際海事組織于今年6月通過的《國際防止船舶造成污染公約》附則六修正案更是提出：2030年所有船舶碳強度至少減少40%，到2050年則減少70%碳排放強度，監管對象將從新造船舶進一步擴大，預計最快2023年導入。

強制性措施推出，不但表明了國際海事組織的決心，更是突顯了船舶去碳化迫在眉睫。航運減排已經不是要不要的問題，而是到了怎樣減、減多少的時候了。在不斷加碼船舶碳排放控制的形勢下，廣大船東不得不另辟蹊徑打造能滿足碳排放要求的船隊。而實現這一愿景的最直接路徑就是擁有零碳排放船舶。很顯然，國際海事減排戰略和“雙碳”目標倒逼著零碳船舶的崛起和發展。這也給造船業提出了新的課題和要求，其帶來的影響必定是顛覆性和立體化的，包括造船技術、造船觀念和動力替代等都面臨著新的考驗。未來，造船業的焦點之一無疑是零碳船舶的研制，而伴隨而來的市場競爭也必將異常激烈。

從另一個角度看，誰掌握了零碳船舶技術，誰就搶先占據了行業高地，誰就抓住了生存命運。正因為這樣，很多國家造船業都開展了諸如零碳船型、發動機和替代燃料等方面研發，并取得了一定進展。我國許多船企、研究院所等也對此進行了布局和探索，并在船型設計等領域居于領先行列。總的來說，全球零碳船舶當前還處于研發階段，離應用推廣的目標還有較大差距，而未來10年是減碳、零碳技術的關鍵發展期，所以整個造船業需要直面的問題和困難會很多很大，也需要行業只爭朝夕地跟時間賽跑。但這又是一個難得的發展機遇，零碳船舶研發將為每個國家的造船業帶來同等機會。我國造船業只要緊跟行業趨勢，利用好脫碳時代的機遇，積極推動零碳船舶研發，就一定能煥發出強大的中國力量。

船舶動力是實現零排放的關鍵

船舶的動力來自于能源，而發動機幾乎是能源轉化為船舶動力的心臟。船舶要實現零排放，關鍵依靠動力改革。也就是說，零碳船舶首先使用的必須是零碳排放能源，因為能源特別是燃料能源的化學成分決定了排碳效果，只要是含有碳成分的能源，就必定會產生碳排放。過去和現在還在使用的柴油、汽油等化石燃料已經越來越不適合了，未來航運業采用的必將也必須是取之不盡用之不竭的可再生無碳能源。目前，人類所知的零碳排放清潔能源有氫燃料、氨燃料、蓄電池、燃料電池、核能、風能、太陽能、水能和海洋能等。因此，要使航運業實現零碳船舶化，就必須尋找到理想的零碳排放能源，并擁有大量生產和安全儲運的技術能力。尤其是要開辟新路徑獲取那些適合大型遠洋運輸船舶使用的替代燃料，以真正達到零碳船舶大規模應用和全面覆蓋。

但是，這還遠遠不夠。對于船舶而言，其動力改革包括兩部分：一是能源的選擇，一是發動機的匹配。而后者更是船舶動力改革的重中之重，是零碳船舶最終獲得運行動力而又沒有碳排放的根本保證。眾所周知，每一種船用發動機都有自己的特定結構和工作原理，就像一個蘿卜一個坑，是什么燃料發動機就使用什么對應的燃料，僅有綠色能源而沒有匹配的發動機，船舶動力改革也只能是一句空話。由此可見，零碳燃料發動機對于船舶實現零碳排放是何其重要！

正是基于這一個原因，造船界已經把研發零碳燃料發動機作為船舶動力改革的第一要務。近年來，許多國家都暗中較著勁地開展各種替代燃料發動機的探索，有的已經初見成果。目前，歐洲主導了氨燃料發動機研發，取得較大突破的有曼恩能源方案公司和瓦錫蘭集團。2021年，挪威禮諾航運公司新推出的零碳排放汽車運輸船就配備了曼恩公司的多燃料發動機，未來稍作修改即可過渡使用氨燃料。在國內，中國船舶集團七一一所開展了“氣道低壓噴射、缸內高壓噴射、預燃室引燃、缸內柴油引燃”等多條組合燃燒組織路徑研究，完成了氨燃料供給噴射系統、氨發動機安全性、涉氨零部件耐腐蝕性、氨發動機集成控制等關鍵技術研究，開展了樣機研制，預計在2025年具備示范應用條件。中船動力也自主立項開展氨燃料發動機的技術預研，確定了氨燃料發動機研發技術路徑。川崎重工于今年聯合洋馬動力技術有限公司和日本發動機公司成立新公司，以研發并銷售應用氫燃料船用發動機。而上述三家公司稍早之前還組成了日本發動機制造商聯合體，共同研發可用于遠洋和沿海船舶的氫燃料發動機。此外，俄羅斯、美國、韓國等國正在開展應用于商船的核能發動機，反應堆為壓水堆、熔鹽堆等堆型，如美國泰拉能源公司開發船用熔鹽反應堆技術，計劃用于大型船舶推進動力，但受高成本、高風險等因素制約，核動力船舶很難實現商業化運營，成為影響其發動機研究進展的原因之一。

零碳燃料誰將未來勝出？

業界普遍認為：LNG是船舶短期內減排的最優選擇，是航運業邁向零碳時代的關鍵過渡燃料，正如中國船舶集團經濟研究中心科技發展研究室高級工程師江文成說，作為當前全球三大能源之一，LNG來源廣供應足，技術相對成熟，基礎設施和相關規則規范也趨于完善健全。但是，LNG有自己的硬傷，依舊會產生碳排放，僅是比燃油降低20%碳排量的低碳能源。從未來目標看，它的終極命運必然是像石油等有碳能源一樣被替代，最好的結果可能是使用時間會相對延長些。

在已知的零碳燃料中，由于結構、成分和特性各異，它們體現了生產、儲存、運輸條件和應用瓶頸的差異性，既各有優勢，又在船舶推廣應用上還存在這樣或那樣的缺陷和技術滯后，正是家家都有一本難念的經。首先，氫燃料是被公認為最具發展潛力的清潔燃料，其優點是主體以化合物水形式存在，來源廣;無污染，不會產生一氧化碳、二氧化碳和粉塵顆粒等有害物質，產物為水，無污染;燃燒性能好、燃燒速度快、發熱值大和效率高。但是，氫燃料目前生產成本高，經濟性差，且儲存、運輸和加注難度高。在安全性上，氫燃料的危險性遠高于柴油及天然氣，爆炸極限較低。正因為這樣，中國船舶動力資深專家范建新預測氫燃料在未來30年內還無法成為船舶動力的主流能源。其次，氨燃料很容易液化，不具備高可燃性，不存在爆炸危險，比氫燃料甚至LNG更便于存儲和運輸，生產供給上也不算太難，但最大缺點就是有毒，對發動機缸體有腐蝕作用，這是目前還無法解決的技術難題。第三，蓄電池和燃料電池具有零排放、噪音小、能效轉換率高、快速啟動等優勢，但它們功率密度不夠大，續航能力遠遠不能滿足遠洋船舶需求，而且由于裝載電池數量較大，安全問題也不容忽視。第四，核能能量密度很高，燃料體積小，運輸和儲存都非常方便，但動力轉化投資成本高，會產生放射性物質，潛在安全風險大。最后，風能、太陽能等可再生能源分布廣泛、蘊藏量大，但不穩定，受氣候和區域影響大，轉換效率低，難以單獨作為大型船舶動力使用。

由于各種替代能源均存在一定的天然缺陷，航運業在短期內要實現零碳目標難以有完美的“終極方案”，也很難一蹴而就地通過完美能源來達到控制成本與滿足減排要求的平衡。但從零碳能源譜系可發現，有的能源成為未來“雙碳目標”下船舶實現零碳排放的主力，還是具有很大的現實性和可行性。譬如氨燃料，航運造船界認為它是未來大型遠洋船舶零碳燃料的最可能選項，雖然目前看來還存在著開發利用的能力不足，但隨著船舶技術和減排進程的發展，腐蝕發動機缸體等問題終究會被解決。這也是近年許多國家船級社、船廠、設計院所、主機廠普遍傾向氨燃料動力研究的一大原因。與此同時，也有不少人看好氫燃料作為船舶未來能源的前景。總的說，可以預測的是，航運零碳時代的減排路徑必將是多樣化，各種零碳能源都有可能成為船舶動力。屆時，內河和沿海運輸作業船舶很可能通過電池技術實現零排放，而大型船舶和遠洋運輸船舶則依賴氨燃料、氫燃料達成零碳目標，還有核能也可能會成為船舶主要替代燃料的保障。

傳統船機還有希望嗎？

正是隨著船用替代能源研究日益發展，引發了傳統船機界不小恐慌。更有傳言稱，歐洲汽車工業已經不再開發以柴油、汽油為燃油的汽車發動機了。這種論調還直接影響了大學院校招生，許多學生都放棄選擇內燃機專業。傳統船機業真的沒有前途了嗎？恰恰相反，這對船機業將是一個機遇，可加快現有設備改造和升級換代。

傳統船機業雖然受能源轉型沖擊是不爭事實，但前景并非想象中那樣暗淡和沮喪，起碼在一定時期內還不會完全被其它發動機取代，正如業內一些專家表示，無論是近期著重提升船用發動機效率，還是中長期向替代能源過渡，傳統內燃機依然是船舶動力的主要選擇。中國工程院院士嚴新平也指出：“內燃機這種經典的、可靠的動力機械，在相當長的歷史階段，對于車用和船用都還是非常重要的動力設備。”之所以得出如此結論，主要是有如下三大支撐依據：一是船用內燃機具有較好的經濟性、操作簡單及可滿足遠航持續功率輸出等優點，其中船用柴油機更是航運業應用最廣泛、技術最成熟的傳統動力形式，不僅熱效率較高，而且經濟實用，可以適應各類船舶的需要。目前，95%以上商船動力仍以船用柴油機為主，其它能源動力裝備一時半會難以取代。對比汽車行業也可以看出這一走勢，雖然今天中國新能源汽車已在全球占比達44%，但傳統動力裝備依舊占據主力地位，大型客運車、卡車都普遍采用經典的動力機械，未來較長時間里的船舶也必然如此。二是羅馬城不會一夜建成，各種替代能源的缺點和當前技術能力、觀念以及立法的滯后，決定了零碳能源不可能一步到位地成為船舶主流動力。未來的船舶減排必定是技術路徑多樣化和新舊能源共存的局面。換言之，低碳燃料、高效傳統發動機等現有技術手段將是逐步實現”雙碳”目標的主體技術，造船業一定是在將其繼續提升及使用的同時，不斷研究零碳燃料、零碳技術和相匹配發動機，以期逐漸替代。由此可見，在相當長一段時間里，“高效內燃機+碳捕捉”技術仍是應對碳減排的重要方向和內容。西安交通大學教授黃佐華為此指出，實現高效、清潔、低碳燃燒是內燃機發展的必然趨勢。三是傳統船機的新技術應用和升級對零碳燃料發動機的研制有促進作用。中國內燃機學會黨委書記兼副理事長、中國船舶集團七一一研究所所長董建福表示，在碳減排及零碳排放的道路上，不創新的都是夕陽產業。言外之意就是傳統船機只有創新才有出路，而創新恰恰是其助力零碳燃料發動機發展的推進器。雖然傳統內燃機與替代燃料發動機存在結構和原理不同，但技術的參考借鑒乃至靈感啟迪必然有千絲萬縷的聯系。正是如此，有業內專家建議向船用鍋爐摻氨燃燒，逐年增加摻燒比例，不搞一步到位的完美零碳，而是從四沖程發動機、液氨運輸船著手嘗試氨燃料在傳統船機的應用。另外，從目前已裝船的曼恩公司多燃料發動機稍修改即可過渡使用氨燃料也折射了傳統船機業的發展前途。

誠然，傳統船機被暴風驟雨式淘汰是危言聳聽，但零碳能源最終取代有碳燃料是未來的方向。因此，傳統船機業要做的不是憂心忡忡和消極自棄，而應該是進取創新，既要加強技術研發，深挖傳統動力節能減排潛力，推動傳統船機轉型升級，又要加大對零碳燃料發動機研發、推廣和應用力度，肩負起脫碳減排重任。唯有如此，傳統船機業才會有出路有希望。

顛覆性技術已出現

毋庸置疑，人類社會要真正邁入零碳時代，顛覆性技術必不可少。中國工程院院士、上海交通大學講席教授黃震坦言：“沒有綠色革命和顛覆技術，就走不到碳中和。”這是反映在科技史的一個普遍規律，縱觀每次能源革命或工業革命，都是由某種交通工具帶動整體發展與變革，如第一次能源革命是火車帶動了煤炭大規模發展，第二次能源革命是汽車使用汽油帶動了石油發展，并使之成為國際政治、經濟、外交、金融等方面重要載體。如今，世界處于第三次能源革命風口，采用能源正由油氣向可再生能源轉變，新的脫碳能源體系代替傳統能源體系不可逆轉。而維系目標實現的顛覆性技術目前端倪已顯，并從陸上交通迅速向水運滲透和延展。

以陸上交通為例，新能源汽車研究已有20年，技術突破有目共睹，市場推廣也已實現全方位普及，全球電動汽車達250萬輛，且已經跨過前期緩慢發展的瓶頸期，毫無爭議地進入了爆發期，呈現了暴增趨勢。在我國，國家863燃料電池轎車專項團隊早在2003年就研制出具有完全自主知識產權的我國第一輛燃料電池混合轎車樣車“超越一號”。這些年我國新能源汽車不管是研制還是市場推廣，都展現了一片蓬勃景象。值得強調的是，氫燃料電池是新一代新能源汽車動力的一個開始和切入點，未來從氫燃料電池開發路上擴展出來的氫燃料及其載體氨燃料也必將噴薄而出。于航運業同樣如此，未來零碳船舶的顛覆技術就是氫動力的推廣應用，這可以從氫燃料電池撲面而來的研發勢頭看出來。

我國在政府提升國家能源安全的需求和強大執行力的推動下，研究氫燃料電池動力的機構和人員眾多，對降低制氫成本的研究也進行得如火如荼。基于此，國內有專家預言撬動和引領全球航運業實現零碳能源變革的技術顛覆者將會在中國出現，而且很有可能來自中國汽車企業。

顛覆技術的出現只是為船舶脫碳打通了技術路徑，而更大障礙仍橫亙在人們面前，那就是產業鏈通暢、經濟性和觀念轉變。前者需要解決的是替代能源的產業鏈完整性問題，比如氫燃料要實現大規模應用首先要掌握完備的生產渠道和方式。否則，不理順從生產到儲運到使用等環節的整個產業鏈，零碳燃料的普及應用只能是水中月鏡里花。其次，目前氫氣以及燃料電池價格高昂，動力系統的初始投資是柴油動力的2.5倍左右，營運成本居高不下，經濟性不佳，船東難以承受。未來，隨著氫氣價格、氫燃料動力系統技術發展及規模化應用將帶來氫燃料動力價格大幅下降，更能為船東所接受。在觀念認知方面，中國科學院院士、清華大學車輛與運載學院教授歐陽明高說：在能源改革初期，很多人是不愿意改變的，譬如決定不再使用石油，石油商肯定是不愿意的，這里有跟不上變化的原因，也有不愿意跟的因素。事實上，任何技術轉型和變革帶來的利益重組，都會不可避免地讓一些相關方喪失部分利益，從而導致受損方消極對待甚至從中阻撓。隨著“雙碳”目標出臺，碳減排具體化和量化了，并且時間也明確清晰了，各參與方的態度自然也就發生了不同變化。因此，破除利益的藩籬是能源改革最重要的選項，其阻力和難度比技術要求更大，需要的時間也會更長，但這是不可回避的。因為觀念如果不改變，變革就很難跨出實質性的第一步。

我國船用發動機產業的對策

傳統船機特別是船用低速發動機一直作為短板困擾著我國造船業的發展，這是產業先天不足的結果，但我們也有舉國研發體制和廣闊應用市場的后天優勢。最近，中國船舶集團中船動力交付了自主研發的全球最小缸徑雙燃料低速發動機CX40DF，標志我國全面掌握了中小缸徑船用低速發動機設計、制造和試驗驗證的技術，也充分說明我國在船機業上是能夠大有作為和“彎道超車”的。雖然零碳能源完全替代傳統能源還有較長一段時日，但我國船機業無法逆勢地進入“傷停補時”階段，更不能為此“等、靠、餒”，如果要想在這場能源變革中“不掉隊”甚至成為“領跑者”，就要發揮體制優勢，集結行業力量，加強船舶動力的技術創新和研發，打造自主可控技術，走出有自己特色的路子。

首先，希望國家層面給予資金和政策上支持，加大對傳統船機創新和替代燃料發動機研發的扶持力度，如設立基金對船用主機改造或創新技術研發進行適當補貼，也可推出一些鼓勵政策調動船機單位研發低碳、零碳發動機的積極性。在新燃料的生產研發和配套設施建設上，也希望有國家專項資金支持，推動全產業鏈響應和參與。另外，還要加大科研人才支持力度，提高零碳燃料船用發動機國產化率，鼓勵國產新能源主機優先裝船使用。

其次，行業組織要推動產業聯盟的打造和發展，促進船機企業、船級社、院校研究所、船廠和能源生產供應商的相互合作，集聚整合多領域力量，開展替代燃料動力的共性技術研發和關鍵設備研制，構建優化研發手段和研究平臺，形成示范性項目，共同推進低碳、零碳燃料發動機的研究、創新和發展。

第三，船機企業和研究機構作為船舶動力轉型的主要實踐者和擔當者，在今后發展中必須做到“兩手抓，兩手都要硬”：一方面要在傳統船舶動力領域深度挖潛，結合當前數字化、智能化的發展趨勢，加大節能減排技術的研發和應用，提高傳統能源的利用效率，積極推動碳捕捉技術等新技術應用，使船舶產生的碳可被再利用，從而實現全生命周期的低碳排放甚至零碳排放;另一方面要在新能源動力領域探索減碳控碳技術路線，開展大功率船用氣體發動機、氨燃料發動機、氫發動機的關鍵技術研究，加大船舶動力與新技術、新材料、新工藝的融合發展力度，深入開展新能源動力基礎理論研究和技術研發，著力實現自主可控的技術創新突破，打造我國綠色船舶動力完善可控的產業鏈，力爭船機業在新能源應用領域實現領先優勢。

第四，船機行業要瞄準世界能源技術發展前沿，加強和國外同行開展合作，培養滿足行業發展要求的高精尖人才，推動綠色動力規范標準創立，爭當實現“雙碳”目標的榜樣，為全球海事業實現能源變革提供中國船用動力解決方案。

第五，面對變革風暴，船機企業既不能消極恐慌，又不要急功近利。雖然離“碳達峰”目標只剩下10年時間了，但驚慌和冒進都是不可取的，唯一的辦法就是按照船舶動力產業發展規律，做好各種燃料不同階段的研發、試點、示范和推廣工作。在布局零碳能源發動機研究的同時，也應該腳踏實地努力提升傳統船機燃燒效率和碳排放治理技術水平，特別是加強對LNG等低碳能源的發動機改良創新和技術研究，以此為零碳燃料發動機研制提供積累和借鑒。

千帆競發勇者勝。在“雙碳”目標下，低碳、零碳能源成為未來航運業的主宰，已是不可阻攔的滾滾洪流。在這場能源變革混戰中，誰順應趨勢，積極開拓進取，誰就能脫穎而出笑到最后。展望未來，我國船機業一定能在新的挑戰和機遇中迎來充滿希望和激情的明天！