船舶化石燃料“接班人”

本刊記者 王思佳

近日，全球最大航運公司馬士基集團首席執(zhí)行官施索仁（Soren Skou）公開呼吁，航運業(yè)應效仿汽車行業(yè)，禁止建造化石燃料船舶，并為其設定一個期限。那么，化石燃料船應在未來什么時候停建？停建后，哪種船舶燃料將接過接力棒？這其中還將涉及哪些工作呢？

停建化石燃料船舶

今年7月，歐盟宣布正在準備發(fā)起一項針對汽車行業(yè)的提議，建議自2035年起，歐盟國家銷售的所有新車都應實現(xiàn)零排放，這是一項宏偉計劃的一部分，旨在將歐盟的經(jīng)濟發(fā)展與雄心勃勃的環(huán)保目標保持相同步調(diào)。據(jù)媒體報道，歐盟執(zhí)行委員會計劃從2030年開始要求在歐盟成員國銷售的新車和貨車降低65%的污染物排放，并繼續(xù)逐年減排。最終在2035年起降至零污染。

對此，施索仁在其社交媒體上發(fā)文稱，歐盟委員會計劃在2035年停止內(nèi)燃機汽車的生產(chǎn)，國際海事組織（IMO）應該采取同樣的措施——停止建造化石燃料船舶，并制定雄心勃勃的目標和措施來實現(xiàn)航運業(yè)去碳化。他指出：“在全球范圍內(nèi)征收碳稅，加上為化石燃料船舶設定截止日期，將會給航運生態(tài)系統(tǒng)，包括船廠和燃料生產(chǎn)商發(fā)出一個強烈信號，告訴他們風向如何。我們需要加快努力，以實現(xiàn)全球減排目標。”

“一個全球性的‘截止日期’將解決未來新建船舶的燃料選擇問題，碳稅對現(xiàn)有船舶的影響則可以作為補充。隨著逐步征收450美元/噸的碳稅，這項稅收可以解決目前化石燃料與未來碳中和燃料之間的價格差距。由于價格差距縮小，IMO的船舶能效設計指數(shù)（EEDI）在未來幾個階段可能會成為一種工具，使化石燃料船舶的截止日期成為全球現(xiàn)實。”他補充道。

據(jù)了解，船舶運輸約占世界貿(mào)易90%，而遠洋運輸占全球二氧化碳排放量近3%。克拉克森的數(shù)據(jù)顯示，當前全球船隊規(guī)模超過101188艘，2021年二氧化碳排放量估計為8.25億噸。

作為全球航運老大，馬士基一直致力于推動航運業(yè)的去碳化。今年早些時候，馬士基曾公開提議，對船舶燃料征收至少450美元/噸的碳稅。馬士基也已經(jīng)承諾，未來所有自有新造船舶均將使用雙燃料技術，能夠實現(xiàn)碳中和運營或采用標準的極低硫燃油（VLSFO）運營。

對此，馬士基并不只是說說，而是付出了實際行動。今年7月，馬士基在韓國現(xiàn)代尾浦造船下單訂造了1+2艘3500TEU級甲醇動力集裝箱船，這是當時全球簽訂建造合同的最大甲醇動力船，也是全球首艘碳中和集裝箱船，新船預計將在2023年投入運營。8月，馬士基又與現(xiàn)代重工集團簽訂了8+4艘16000TEU級甲醇雙燃料動力超大型集裝箱船的建造合同，每艘造價1.76億美元，備選訂單全部生效后總金額將達21.12億美元。這是全球首批搭載甲醇燃料動力發(fā)動機的大型船舶，首制船將于2024年第一季度投入遠洋航線。

根據(jù)瑞典哥德堡GreenPilot項目與瑞典SUMMETH項目、德國Methaship項目的結果都表明，甲醇可以非常合理的成本用作船用燃料，而且不具有其他低排放替代品燃料的復雜性。GreenPilot項目結果顯示，進氣管處噴射甲醇的點燃式發(fā)動機與柴油發(fā)動機有相近的發(fā)動機效率。與傳統(tǒng)燃料相比，甲醇中不含硫且氮氧化物(NOx)排放量較低，因此發(fā)動機可以滿足氮氧化物Tier III排放標準。同時，甲醇燃燒產(chǎn)生的顆粒物排放也比傳統(tǒng)燃料低99%。使用無化石原料的甲醇，溫室氣體排放量亦可顯著降低。換句話說，船舶可通過使用甲醇作為燃料實現(xiàn)減排。

按照馬士基的計劃，雖然這種船舶能夠使用符合標準的極低硫燃油運營，但該公司將從第一天起，就使用碳中和燃料e-甲醇或可持續(xù)的生物甲醇運營該船舶。為加快脫碳進程，馬士基此前曾宣布將于2023年啟用以綠色甲醇為燃料的小型集裝箱船舶，并在2030年之前擁有一個碳中和船隊，以實現(xiàn)2050年凈零排放的目標。此外，該公司還與丹麥公司REintegrate簽署了一份綠色甲醇合同以確保燃料供應。

當然，馬士基也承認，從服務的第一天起，為船舶找到足夠的碳中性甲醇將是“具有挑戰(zhàn)性的”。能夠同時使用甲醇和傳統(tǒng)石油衍生的低硫船用燃料的額外設計成本將占船舶總價的10%～15%。該公司計劃盡快在新船中使用碳中性e-甲醇，或可持續(xù)生物甲醇。

據(jù)了解，目前在馬士基全球200家大客戶中，有一半以上已經(jīng)為其供應鏈設定或正在設定宏偉的科學減排或零碳目標。馬士基將繼續(xù)探索多種碳中和燃料途徑，并期望未來有多種燃料解決方案并存，甲醇（電制甲醇和生物甲醇）、醇木質素混合物和氨都將是未來燃料的選擇。

化石燃料接班候選人

如果真的為化石燃料設置一個期限，那么屆時將有誰來接班呢？除了馬士基選用的甲醇外，總結行業(yè)內(nèi)近年來的研究與實踐，目前已有的接班候選人包括有液化天然氣（LNG）、電池、氫氣、氨氣、以及其他輔助推進能源（例如風能）等一系列動力技術。

LNG是目前市場對于航運業(yè)邁向零碳未來的認可度最高的最佳過渡燃料選項。經(jīng)歷了過去幾年來不斷增長的新船訂單量以及創(chuàng)紀錄的交付量，全球LNG船船隊運力首度突破1億立方米。從能源供應分布來看，LNG儲存量、可開采量、探明量都十分豐富，因此，LNG是業(yè)界可采取、可立即實施的應對方案，且LNG已有半個世紀的成功應用記錄。因此，行業(yè)普遍認為LNG是當下最安全、經(jīng)過驗證的、有競爭力的可用船用燃料,這是其他可再生能源不具備的。克拉克森因此預測，未來幾年LNG船船隊將繼續(xù)成為世界運輸船隊中增長最快的船型領域之一，到2025年LNG船數(shù)量甚至可能超過VLCC。但隨著環(huán)保進程的推進，人們逐漸意識到，LNG并不是真正的清潔能源。

電池作為一種環(huán)境友好型的船舶燃料選項，已經(jīng)在航運領域逐步推廣并初具市場規(guī)模，尤其是在歐洲。真正意義上的全球首艘大型純電動力船舶“Ampere(安培)”號于2014年由挪威Fjellstrand船廠建造，電池容量為1.86MWh，船長80米，能運載120輛汽車和360名乘客，用于挪威Lavik與Oppedal兩座城鎮(zhèn)之間橫跨松恩峽灣的運輸，每天共發(fā)34班，每班航行時間為20分鐘，在港期間只需10分鐘即可充滿。知名的全球首艘智能船舶“YARA Birkeland”號也采用了純電動力。除了純電動力船舶外，一些船型較大的船舶正開始采用柴電混合或LNG+電混合動力技術，用以節(jié)省燃料消耗，降低廢氣排放量。

氫(H)是宇宙中含量最高的物質。在《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書 2019》中，氫能被歸屬為清潔低碳能源，其在船應用目前仍處于起步階段，從長遠來看，氫燃料是航運業(yè)零排放解決方案的重點發(fā)展方向。業(yè)界正圍繞氫燃料在內(nèi)河和近海船舶上的應用開展試點研究，相關船用規(guī)范標準、技術裝備、基礎設施等正在逐步建立、發(fā)展和完善。基于燃料在全生命周期溫室氣體排放，未來的制氫方式將從化石能源轉向可再生能源制取。

2006年，汽車滾裝船THE METHAPU PROJECT，配備瓦錫蘭公司W(wǎng)FC20燃料電池，SOFC燃料電池，高溫燃料電池系統(tǒng)，船舶上儲存甲醇作為燃料，配備整裝裝置轉化為氫氣使用，20kW，測試項目。2003年挪威，平臺供應船Viking Lady，混合推進，MTU公司MCFC燃料電池，電池工作溫度650℃，額定功率320kW，效率50%，輸出3x440VAC，功率密度為12kW/m3,。該項目運行7000余小時，電池堆未發(fā)生主要故障，實測效率達到44%，LNG重整制氫。2000年投入運營的世界上第一艘采用天然氣發(fā)動機驅動的渡輪Glutra，F(xiàn)C系統(tǒng)裝在一個20英尺集裝箱，并在甲板上方安裝，帶重整裝置。綜合國內(nèi)外氫燃料電池船舶的情況來看，當下海事以測試項目為主，且示范船舶功率均不大，并以輔助能源為主，離商業(yè)運營尚存距離。

圖2 Oceanbird風帆動力概念船

圖3 全球首艘應用天帆技術的貨輪“白鯨天帆”號

氨是未來零碳解決方案的重要發(fā)展方向之一。作為一種重要的化工原料，氨屬于定價透明的全球商品，有著豐富的工業(yè)使用經(jīng)驗，生產(chǎn)、運輸、交易市場相當成熟。從燃料角度考慮，氨不含碳，其能量密度與甲醇相當，是氫的2倍，且氨易于液化，較為安全，便于儲存和運輸，是一種理想的能量來源。但氨作為燃料應用經(jīng)驗極少，燃燒性能較差，且仍會產(chǎn)生氮氧化物排放，尚無實際使用氨燃料發(fā)動機的案例。

風能，這項古老的能源因為航運減排的推進再次回歸到人們的視野，并極具競爭力。利用清潔、可再生的風能作為輔助能源推進船舶可在保持船舶航速不變的同時減小燃油消耗，達到節(jié)能減排的目的。而近年來，隨著技術的發(fā)展，已不再是古老的風帆樣式，如軟質帆，而是更多適應于當下環(huán)境和需求的新式風帆。目前船舶應用風帆包括翼型風帆，代表有瑞典船舶設計與管理公司W(wǎng)allenius Marine正在與瑞典皇家理工學院(KTH)以及SSPA公司聯(lián)合開展的風帆動力汽車運輸船(wPCC)研發(fā)項目推出的名為Oceanbird的概念船型，號稱是全球最大的風帆動力貨船，相比現(xiàn)有船舶，該船碳排放可降低90%；旋筒風帆，是大型圓柱形機械風帆，旋轉產(chǎn)生壓力差，稱之為馬格努斯效應(Magnus Effect)，從而推動船舶前進，為船舶提供輔助風動力，達到降低燃料消耗、減少污染排放、優(yōu)化能效利用的效果。2018年，馬士基集團旗下的馬士基油輪Maersk Tankers公司，首次在其成品油船“MAERSK PELICAN”號上嘗試利用了這一風能技術推進航行；天帆，形似風箏，由牽引繩索與船體相連，下掛控制吊艙，裝有控制器件與驅動器件，以控制風帆飛行姿態(tài)。全球首艘應用該技術的是貨輪“白鯨天帆”號(Beluga SkySails)，風力最理想的狀況下最高可省下一半的燃料。其優(yōu)點在于可利用上層最穩(wěn)定而強勁的風力，且不占用甲板面積。

推廣前的工作有哪些

經(jīng)過了前期的研究與篩選，已經(jīng)選出了不少可供選擇的清潔燃料，那么想要將其推廣應用還需要做哪些工作呢？

首先是儲運問題。新的燃料應用在船上，安全儲存和運輸是其應用的關鍵問題。以氫燃料為例，一要解決“氫脆”（氫對材料產(chǎn)生影響，使其強度變差導致脆化甚至開裂）的問題；二要解決儲運問題。液態(tài)氫要在低于-253℃以下低溫存儲，相比液態(tài)天然氣所需的-160℃，技術難度提高了很多。在同等條件下，液氨在標準大氣壓下-33℃就能夠實現(xiàn)液化，其運輸難度相對更低。但是，液氨具有較強的腐蝕性，同時不論是將氫氣、氮氣合成氨氣還是將氨氣轉換為氫氣，都將有一定的損耗，這一反應的轉換效率也有待提高。

其次，續(xù)航能力問題。這是衡量船舶經(jīng)濟性和效率的重要指標之一。以目前的氫燃料電池為例，其續(xù)航能力很難滿足船舶，尤其是無法滿足遠洋船舶的需求。原因之一是氫燃料電池功率密度不夠大，續(xù)航力遠遠不能滿足遠洋船舶需求，只能作為輔助能源來使用。再比如，風能的應用由于風帆自身的局限性，使得大多數(shù)的船隊在使用風帆前進時容易受到風向的問題，從而造成船舶前進的不穩(wěn)定性，如果遇到惡劣的天氣更是容易發(fā)生意外。因此風能應用只能被用作輔助手段。

第三，燃料相關問題。每種備選燃料都存在不確定性，包括何時何地供應、供應量以及價格。這些備選燃料對于船舶行業(yè)而言均屬于新燃料，大都還處于研發(fā)階段，更別提相關法規(guī)是否完善，基礎設施和設備供應是否配套，設計、工藝水平是否滿足需求等。此外，新燃料船舶無論新造還是改造的成本都使得營運成本一直居高不下，經(jīng)濟性較差。馬士基訂購的16000TEU級甲醇雙燃料動力超大型集裝箱船的造價就高達1.76億美元一艘，相較同噸級普通綠色節(jié)能船舶高出約30%。燃料價格方面，由于處于應用初期，生產(chǎn)和供應鏈條都還未建立起來，燃料費用相對較高，但可以預期的是，未來推廣普及后將會下降至合理范圍。

第四，配套基礎設施不完善。未來想要推廣普及選定燃料，就需要提前規(guī)劃加注碼頭等配套基礎設施的分布及建設，以滿足新燃料動力船舶的推廣與發(fā)展。此外，還需要有計劃的培養(yǎng)相關船舶維修專業(yè)團隊等，以保障新燃料船舶的正常運營。

第五，技術規(guī)范的建立。沒有規(guī)矩不成方圓，盡管現(xiàn)在還處于探索起步階段，但新燃料應用的有序、可持續(xù)發(fā)展一定是需要有規(guī)范的護航。因此，在研發(fā)的同時，相關技術規(guī)范的建立也需要同步進行，且不斷完善。盡管在初期過程中難免會出現(xiàn)規(guī)范指導盲區(qū)或對法規(guī)理解不一致的情況，造成船舶設計、設備安裝不合規(guī)定的事情時有發(fā)生，增加了船舶建造成本和影響了建造完工時間。但隨著經(jīng)驗的積累，對法規(guī)的不斷完善，這種情況會得以解決。

第六，新燃料動力操作專業(yè)船員隊伍的培養(yǎng)。參考目前應用相對成熟的LNG動力船舶，MSC.396(95)決議明確要求LNG燃料動力船舶船員經(jīng)過強制性培訓和資質的最低要求。其他新燃料的應用也應如此。船員只有接受了專業(yè)的培訓，上崗后才能保障船舶及人命的安全。