圖1  國(guó)際海事組織船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略

2018年4月，國(guó)際海事組織海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)（MEPC）以MEPC.304(72)號(hào)決議通過了《船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，提出盡快減少船舶溫室氣體排放的計(jì)劃，目標(biāo)是到2050年國(guó)際航運(yùn)的溫室氣體排放量比2008年減少50%以上，2100年前盡快實(shí)現(xiàn)溫室氣體零排放。國(guó)際海事組織（IMO）船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略如圖1所示。

隨著2023年1月1日生效的碳排放強(qiáng)度指數(shù)（CII）和現(xiàn)有船舶能效指數(shù)（EEXI），IMO的溫室氣體減排戰(zhàn)略繼EEDI和SEEMP之后更加白熱化和具體化，同時(shí)歐盟已著手開始征收CO2稅（ETS）和燃料稅（FuelEU），并對(duì)船用燃料從全生命周期考核CO2排放量。表1中列出了船舶當(dāng)前涉及碳排放相關(guān)的主要規(guī)范及要求，包括國(guó)際海事組織的要求和歐盟的要求。

表1  船舶涉及碳排放相關(guān)規(guī)范及要求

CII生效前，船公司根據(jù)現(xiàn)有情況對(duì)船舶進(jìn)行初步評(píng)估并實(shí)施計(jì)劃改進(jìn)程序，更新船舶能效管理計(jì)劃（SEEMP）。CII生效后，由船旗國(guó)或主管機(jī)關(guān)簽發(fā)符合確認(rèn)書（CoC），按船公司編制更新的SEEMP實(shí)施，由港口國(guó)監(jiān)督（PSC）船舶SEEMP和CoC的合規(guī)性，并從2024年開始每年根據(jù)上一年度的營(yíng)運(yùn)數(shù)據(jù)計(jì)算出碳強(qiáng)度評(píng)級(jí)，如果合規(guī)，由船旗國(guó)或主管機(jī)關(guān)簽發(fā)符合聲明（SoC），該聲明中包含數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（DCS）和碳強(qiáng)度評(píng)級(jí)（CII Rating），如果碳強(qiáng)度年度評(píng)級(jí)為E或連續(xù)3年評(píng)級(jí)為D，船公司應(yīng)制定糾正措施，并體現(xiàn)在提交的船舶能效管理計(jì)劃中。CII實(shí)施的流程及時(shí)間節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2  CII實(shí)施的流程及時(shí)間節(jié)點(diǎn)

CII的強(qiáng)制生效對(duì)航運(yùn)業(yè)會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，在當(dāng)今航運(yùn)業(yè)出現(xiàn)了談碳“色變”，各大船公司都按符合自身的利益來規(guī)劃旗下船舶的綠色低碳化發(fā)展之路，除加裝節(jié)能裝置外，具有低碳排放特征的LNG/LPG燃料動(dòng)力船，甲醇燃料動(dòng)力船也逐漸風(fēng)靡。然而，船舶綠色減碳之路并非只有一條，中期碳排合規(guī)性與長(zhǎng)期碳排合規(guī)性的期許直接影響著綠色低碳路徑的選擇。燃料的安全性及可獲得性，法規(guī)的指引及裝備的發(fā)展則是制約與影響綠色低碳之路的另外方面。

實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的核心是減碳，船舶減碳的核心是對(duì)石化燃料進(jìn)行清潔化替代，逐步從低碳化向零碳化過渡，同時(shí)促進(jìn)低碳燃料及零碳燃料的綠色化，實(shí)現(xiàn)燃料全生命周期內(nèi)無碳排放或接近零碳排放。“十四五”是我國(guó)落實(shí)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵窗口期。二十大報(bào)告中也提到“協(xié)同推進(jìn)降碳、減污、擴(kuò)綠、增長(zhǎng)” ，“發(fā)展綠色低碳產(chǎn)業(yè)”，“加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系”。船舶綠色低碳化、零碳化發(fā)展已刻不容緩。

船舶碳排放現(xiàn)狀

船舶碳排放的現(xiàn)狀，從2023年開始生效的CII談起。海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)第76屆會(huì)議分別通過了MEPC.352(76)–碳強(qiáng)度指標(biāo)與計(jì)算方法（G1）、MEPC.353(76)–碳強(qiáng)度基線（G2）、MEPC.338(76)–相對(duì)于碳強(qiáng)度基線的折減率（G3）、MEPC.354(76)–碳強(qiáng)度指標(biāo)評(píng)級(jí)方法（G4）、MEPC.355(76)–航次免除與修正的碳強(qiáng)度計(jì)算公式（G5）等決議，并經(jīng)第78屆會(huì)議討論更新。圖3和圖4分別列出了碳強(qiáng)度指標(biāo)與計(jì)算方法（G1）和航次免除與修正的碳強(qiáng)度計(jì)算公式（G5）的計(jì)算公式和影響因素。碳強(qiáng)度基線（G2）的計(jì)算與船型及噸位相關(guān)，相對(duì)于碳強(qiáng)度基線的折減率（G3）是不同年份相對(duì)于碳強(qiáng)度基線（G2）的折減率，2023年的折減系數(shù)為5%，2023年至2026年每年的折減系數(shù)遞增2%，2026年之后的折減率待2026年MEPC復(fù)評(píng)后確定，但趨勢(shì)是折減率的遞增進(jìn)一步加大，減排要求進(jìn)一步提高。

圖3  碳強(qiáng)度指標(biāo)與計(jì)算方法（G1）

從圖1可以看出碳強(qiáng)度指標(biāo)的計(jì)算與燃料類型和單位耗量、航程以及載貨量直接相關(guān)，使用低碳燃料及低能耗設(shè)備，減少空船重量及單位耗量下的航程增加都將有利于減少CO2的排放量。

圖4  航次免除與修正的碳強(qiáng)度計(jì)算公式（G5）

根據(jù)ABS/克拉克森的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖5所示，半數(shù)以上的現(xiàn)有營(yíng)運(yùn)船舶在2026年碳強(qiáng)度評(píng)級(jí)將會(huì)是D或E，對(duì)船舶的營(yíng)運(yùn)影響極大，2026年折減率重新評(píng)估后，隨著折減率的進(jìn)一步加大，會(huì)導(dǎo)致更多的現(xiàn)有營(yíng)運(yùn)船出現(xiàn)評(píng)級(jí)為D或E。使用油燃料按傳統(tǒng)基本配置建造的船舶以及高單耗的船舶，尤其對(duì)于高航速船舶，可能船剛交付就面臨著碳強(qiáng)度指數(shù)評(píng)級(jí)為D或E，形勢(shì)相當(dāng)嚴(yán)峻，如應(yīng)對(duì)措施不當(dāng)或不到位，會(huì)導(dǎo)致船舶強(qiáng)制步入淘汰序列。

圖5  ABS/克拉克森統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)有營(yíng)運(yùn)船CII評(píng)級(jí)概況

根據(jù)某15k級(jí)大型集裝箱船相關(guān)數(shù)據(jù)，基于2026年之后每年的折減率依舊遞增2%，表2計(jì)算了在不同航速下分別使用HFO、LNG和甲醇作為燃料時(shí)，不同年份CII的評(píng)級(jí)情況。

表2  某15k級(jí)大型集裝箱船CII評(píng)級(jí)現(xiàn)狀

從表2計(jì)算的趨勢(shì)可以看出，使用傳統(tǒng)油燃料的新建船舶只能在短期內(nèi)滿足CII評(píng)級(jí)，營(yíng)運(yùn)船短期內(nèi)滿足CII評(píng)級(jí)最為有效的方式是降航速。雖然降速營(yíng)運(yùn)能夠在中短期有效改善CII評(píng)級(jí)，但降速營(yíng)運(yùn)會(huì)導(dǎo)致船隊(duì)運(yùn)力降低，要保證同等運(yùn)力，船隊(duì)需要擴(kuò)編，由此會(huì)導(dǎo)致單船CII評(píng)級(jí)達(dá)標(biāo)，然而船隊(duì)CO2排放總量未減反增。因此，通過降速營(yíng)運(yùn)雖然短期內(nèi)能滿足CII評(píng)級(jí)，但并不能從根本上解決CO2排放問題。長(zhǎng)期內(nèi)滿足CII評(píng)級(jí)最為根本的方式是采用低碳/零碳燃料取代常規(guī)化石燃料，從燃料的全生命周期來評(píng)估碳排放，低碳/零碳燃料還應(yīng)具有綠色特性，即從生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)绞褂铆h(huán)節(jié)全產(chǎn)業(yè)鏈流程中都沒有額外的CO2排放，如使用綠甲醇、綠氨和綠氫等。

隨著2023年碳強(qiáng)度指數(shù)的強(qiáng)制生效，采用傳統(tǒng)化石燃料且高航速的船舶，CII評(píng)級(jí)都不會(huì)太樂觀。為滿足年趨嚴(yán)格的CII評(píng)級(jí)要求，船隊(duì)更新升級(jí)將加速，船公司需要通過淘汰老舊船舶或進(jìn)行燃料更新及節(jié)能改裝來提升船隊(duì)的生命力。

船舶綠色低碳化可實(shí)施路徑

為應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)格的碳排放要求，短期來講，對(duì)現(xiàn)有營(yíng)運(yùn)船舶降速營(yíng)運(yùn)或在2026年前進(jìn)行節(jié)能改裝會(huì)是比較合適的辦法，同時(shí)船東也優(yōu)化船隊(duì)營(yíng)運(yùn)管理，并對(duì)新的低碳/零碳燃料供應(yīng)體系進(jìn)行長(zhǎng)期規(guī)劃；中期則主要是通過使用低碳/零碳燃料，輔之以增加節(jié)能裝置及節(jié)能系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)；長(zhǎng)期規(guī)劃則以使用零碳燃料為主，同時(shí)輔之以節(jié)能裝置及節(jié)能系統(tǒng)。整體上遵循先低碳后零碳，先小型船后大型船的規(guī)劃目標(biāo)。

圖6為國(guó)際海事組織發(fā)布的船舶溫室氣體減排方式及效果預(yù)估圖，從圖中各種方式對(duì)溫室氣體減排貢獻(xiàn)度來看，通過船隊(duì)管理創(chuàng)新，航程優(yōu)化，節(jié)能設(shè)備的應(yīng)用，新型動(dòng)力裝置的應(yīng)用等都可以實(shí)現(xiàn)降低溫室氣體排放，而新型低碳/零碳燃料的應(yīng)用可以從根本上解決船舶碳排放的合規(guī)性問題，尤其是生物燃料以及綠色低碳/零碳燃料的應(yīng)用將徹底實(shí)現(xiàn)船舶溫室氣體零排放或凈零排放。

圖6  船舶溫室氣體減排方式及效果預(yù)估

隨著減碳力度的逐步加大，船舶燃料的低碳化/零碳化升級(jí)是解決減碳的最終途徑。圖7以15000TEU級(jí)大型集裝箱船為例，基于2026年之后每年的折減率依舊遞增2%，分析了船舶使用不同燃料時(shí)，CII評(píng)級(jí)為E的年限范圍。從分析結(jié)果可以看出，低硫燃油即將面臨窘迫的境地，在2023年后CII評(píng)級(jí)就會(huì)不達(dá)標(biāo)了，短期需要通過降速營(yíng)運(yùn)或增加節(jié)能裝置來達(dá)到減少碳排放的目的。LNG雖然減碳效果好，但生產(chǎn)過程耗能高，且因產(chǎn)地和運(yùn)輸原因無法貼上綠色標(biāo)簽，在2038年后船舶CII評(píng)級(jí)也會(huì)出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)的情況，所以綠色低碳船舶發(fā)展的最終出路是使用綠色標(biāo)簽化的綠甲醇和綠氨作為未來船舶的燃料。

圖7  15000TEU級(jí)大型集裝箱船不同燃料的CII評(píng)級(jí)為E的年限

船舶裝備層級(jí)減碳研究

節(jié)能即是減少燃料消耗量，也可以達(dá)到減少CO2排放的目的。對(duì)船舶裝備層級(jí)進(jìn)行減碳研究，實(shí)際上是對(duì)節(jié)能裝備的應(yīng)用研究，主要包含研究不同裝備給CO2減排帶來的收益；制定節(jié)能設(shè)備相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)；通過數(shù)字化運(yùn)維來保證節(jié)能裝備的可靠性和可用性；以及通過建設(shè)智能化航運(yùn)體系來合理規(guī)劃航線航速以降低CO2排放等。

1、節(jié)能裝備貢獻(xiàn)度評(píng)價(jià)體系建設(shè)

節(jié)能裝備貢獻(xiàn)度評(píng)價(jià)體系建設(shè)對(duì)新船設(shè)計(jì)及營(yíng)運(yùn)船改裝有著重要意義，節(jié)能裝備的落地應(yīng)用有利于降低船舶燃料消耗，提高船舶燃料使用效率，可直接對(duì)減碳提供積極貢獻(xiàn)。節(jié)能裝備的種類很多，如前置預(yù)旋導(dǎo)輪，槳轂消渦鰭，伴流補(bǔ)償導(dǎo)管等船體節(jié)能裝置，空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，風(fēng)帆發(fā)電裝置，軸帶發(fā)電機(jī)，燃燒前/后碳捕捉與收集利用系統(tǒng)（CCUS），余熱回收裝置（WHR）等，每種節(jié)能裝備對(duì)船型有著不同的適應(yīng)性，不同節(jié)能裝備對(duì)減碳的貢獻(xiàn)率也不一樣，通過建立節(jié)能裝備貢獻(xiàn)度評(píng)價(jià)體系，建立節(jié)能裝備對(duì)船型的適應(yīng)性和貢獻(xiàn)度模型，為新船選用及營(yíng)運(yùn)船進(jìn)行節(jié)能改裝提供理論依據(jù)。

對(duì)船舶裝備層級(jí)的減碳研究，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高效槳/舵、導(dǎo)風(fēng)墻等新型節(jié)能裝備以及低流阻線型、高效防污漆、低風(fēng)阻上層建筑等新型節(jié)能技術(shù)的研發(fā)，并盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化并落地應(yīng)用。

2、船舶機(jī)電設(shè)備能效評(píng)定體系建設(shè)

船舶機(jī)電設(shè)備眾多，日常耗電量占比大，提高機(jī)電設(shè)備能效可降低船舶電站裝機(jī)功率，從而可直接降低CO2排放總量。對(duì)大功率持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)電設(shè)備，積極推進(jìn)變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)的應(yīng)用。對(duì)船舶廢氣余熱，缸套水熱量等進(jìn)行綜合利用與分配。利用數(shù)值模擬等方法優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型，減輕空船重量。

通過船舶機(jī)電設(shè)備能效評(píng)定體系的建設(shè)，可以逐級(jí)分解能效要求，從系統(tǒng)級(jí)節(jié)能分解至設(shè)備級(jí)節(jié)能管理，對(duì)于能效評(píng)級(jí)要求較高的船舶，優(yōu)先選用能效等級(jí)較高的機(jī)電設(shè)備，參照陸用電氣設(shè)備能效分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可將船舶機(jī)電設(shè)備分為如下5個(gè)等級(jí)：

等級(jí)1：行業(yè)先進(jìn)水平，能耗最低；

等級(jí)2：能耗較低；

等級(jí)3：行業(yè)平均水平；

等級(jí)4：低于平均水平；

等級(jí)5：市場(chǎng)準(zhǔn)入指標(biāo)。

市場(chǎng)準(zhǔn)入機(jī)制的建立將促使船舶機(jī)電設(shè)備去高能耗化，從船舶裝備層級(jí)積極推進(jìn)船舶向著綠色低碳化發(fā)展。

目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織船舶與海上技術(shù)委員會(huì)正在編制船用設(shè)備能效標(biāo)準(zhǔn)（ISO 8933），該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)涉及的船用設(shè)備包括壓力/流體、照明、加熱/冷卻、機(jī)械和推進(jìn)共5類組件與功能系統(tǒng)，通過描述輸入輸出定義、邊界定義、計(jì)算方法、測(cè)量方法和計(jì)算示例開展標(biāo)準(zhǔn)研制，得到輸出能量和輸入能量的比值確定設(shè)備的能效水平，以此作為衡量船舶設(shè)備能效等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。

3、船舶數(shù)字化運(yùn)維體系建設(shè)

節(jié)能裝置將成為實(shí)現(xiàn)船舶綠色低碳化發(fā)展的重要途徑，其可靠性及可用性對(duì)船舶未來的碳強(qiáng)度評(píng)級(jí)起著相當(dāng)重要的作用。一旦節(jié)能裝置故障或失效，其不僅只是影響營(yíng)運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，還可能直接導(dǎo)致CII評(píng)級(jí)的降低，甚至停航整改。例如：大型遠(yuǎn)洋貨船上配置的大功率軸帶發(fā)電機(jī)是利用主機(jī)儲(chǔ)備功率進(jìn)行發(fā)電，一般采用抱軸式設(shè)計(jì)，其利用了低速推進(jìn)主機(jī)和中速發(fā)電機(jī)燃油消耗率的差異，對(duì)減碳有著積極貢獻(xiàn)。軸發(fā)一般性故障會(huì)導(dǎo)致發(fā)電失效，實(shí)船減碳功能缺失，影響下一年度的CII評(píng)級(jí)，同時(shí)這種抱軸式軸發(fā)的轉(zhuǎn)子是船舶傳動(dòng)軸系的一部分，轉(zhuǎn)子或定子檢修會(huì)要求拆傳動(dòng)軸而導(dǎo)致船舶停航，影響船舶營(yíng)運(yùn)。軸發(fā)嚴(yán)重故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致船舶推進(jìn)系統(tǒng)失效，給船舶帶來失去動(dòng)力的安全問題。

船舶數(shù)字化運(yùn)維是驗(yàn)證系統(tǒng)及設(shè)備可靠性和可用性的重要手段，利用數(shù)字化運(yùn)維及協(xié)同仿真技術(shù)對(duì)節(jié)能裝置進(jìn)行可靠性分析，提升其可用性，同時(shí)通過數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控，對(duì)節(jié)能裝置中的易損件進(jìn)行壽命分析與保養(yǎng)規(guī)劃，保證其在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的持續(xù)可用性，這也是對(duì)碳排放合規(guī)性的基本保障。

4、智能化航運(yùn)體系建設(shè)

在2021年6月到 2022年5月期間，全球港口擁堵狀況相對(duì)嚴(yán)重，擁堵和滯航情況下船舶航程為零，但船舶依舊在排放CO2，由此會(huì)導(dǎo)致更惡劣的CII評(píng)級(jí)。

通過建立智能化航運(yùn)體系，基于物聯(lián)網(wǎng)及AIS大數(shù)據(jù)對(duì)“堵船”時(shí)間和港口作業(yè)能力進(jìn)行實(shí)時(shí)分析計(jì)算，結(jié)合氣象衛(wèi)星等數(shù)據(jù)對(duì)船隊(duì)航線，航速進(jìn)行智能規(guī)劃，避免出現(xiàn)“堵船” 或滯留，減少CO2的排放。此外，還可通過智能化航運(yùn)體系優(yōu)化船隊(duì)管理，優(yōu)化物流及船只分配，按年度CII評(píng)級(jí)目標(biāo)及物流需求實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整船舶航線、航速，確保船舶長(zhǎng)期處于經(jīng)濟(jì)點(diǎn)運(yùn)行，降低全船油耗。

船舶燃料層級(jí)綠色化研究

對(duì)單船降碳來講，降速營(yíng)運(yùn)是現(xiàn)階段提升CII評(píng)級(jí)最為有效的方法之一，會(huì)給船東帶來營(yíng)運(yùn)上的限制，只能作為短期內(nèi)應(yīng)對(duì)碳強(qiáng)度指數(shù)的有效方式，不能從本質(zhì)上解決問題，不具有可持續(xù)發(fā)展的特性。對(duì)于船隊(duì)來講，運(yùn)輸量的需求和實(shí)效性不變，降速意味著船隊(duì)需要擴(kuò)容，需要更多的船營(yíng)運(yùn)來完成高航速時(shí)期相同的運(yùn)輸量，由此降速營(yíng)運(yùn)僅僅只是解決了單船碳強(qiáng)度指數(shù)評(píng)級(jí)的問題，站在船隊(duì)管理的角度，CO2的排放總量并沒有減少，這也背離了CII評(píng)級(jí)的初衷。從長(zhǎng)期來看，我們需要從CO2來源的本質(zhì)上，從船用燃料體系上在全產(chǎn)業(yè)鏈范圍內(nèi)解決碳排放的問題。

表3  主要船用燃料特性分析表

如表3所示，不同燃料生成CO2的比率不同，表中以MGO為基準(zhǔn)，從存儲(chǔ)條件、低熱值、能量密度、重量率、體積率及減碳率等方面比較了主要船用燃料間的特性。使用傳統(tǒng)油燃料的新建船舶只能在短期內(nèi)滿足碳強(qiáng)度指數(shù)評(píng)級(jí)，從表中的減碳率數(shù)據(jù)可以看出：采用低碳/零碳燃料可以從本質(zhì)上減少CO2排放量，隨著全球溫室氣體總量控制的逐步向前推進(jìn)，燃料本身需要從全生命周期內(nèi)考慮CO2的排放量，低碳/零碳及碳中和燃料的使用必將是未來船舶燃料發(fā)展的趨勢(shì)，船舶燃料也必將綠色化標(biāo)簽化。

以甲醇生產(chǎn)工藝流程為例，從燃料本身的全生命周期考核零碳排放，就需要獲得燃料的綠色屬性，即利用生物質(zhì)或風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)出的電來生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)的甲醇燃料即為綠甲醇，其典型特征就是在生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)過程中沒有額外的CO2排放，甲醇典型生產(chǎn)工藝及顏色標(biāo)簽如圖8所示。

圖8  甲醇典型生產(chǎn)工藝及顏色標(biāo)簽

船舶燃料體系建設(shè)包含燃料庫、燃料特性、艙容及艙型規(guī)劃、船型適用性及全生命周期減碳貢獻(xiàn)評(píng)價(jià)體系等。船舶燃料的減碳/零碳是對(duì)船用燃料的革新?lián)Q面，必然在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多燃料并存的局面，燃料選擇時(shí)，我們需要將燃料綠色標(biāo)簽化，從石化燃料逐漸轉(zhuǎn)向生物燃料及零碳燃料，并在船舶燃料使用過程中考慮其高效化使用。船舶燃料體系中對(duì)燃料的選擇除考慮燃料自身的物理和化學(xué)特性外，燃料的儲(chǔ)存條件是否苛刻，燃料的能量密度是否較低而需要更大的容積空間，燃料的費(fèi)用以及價(jià)格的穩(wěn)定性，以及燃料自身的環(huán)保安全因素和裝船技術(shù)的成熟度等因素也都是必須要評(píng)估的。除此之外，燃料的可獲得性，加注儲(chǔ)存的便利性，供給系統(tǒng)的復(fù)雜性，是否需要尾氣后處理，規(guī)范的成熟度以及對(duì)減碳的貢獻(xiàn)等也是必須要考慮的。

從表3可以看出，在表中所有船用燃料中，LNG的減碳效果最好，相對(duì)于MGO燃料，可以減少碳排放23.69%。但甲烷作為L(zhǎng)NG的主要成分，其溫室氣體效應(yīng)是CO2的20多倍，甲烷的逃逸弱化了LNG燃料的減碳效果，并且LNG一般為液態(tài)運(yùn)輸，儲(chǔ)運(yùn)溫度較低，其液化、儲(chǔ)運(yùn)及氣化使用過程中需要花費(fèi)大量的能量，全生命周期內(nèi)減碳并無優(yōu)勢(shì)。此外，LNG價(jià)格受地緣政治影響大，LNG圍護(hù)系統(tǒng)及燃?xì)夤��?yīng)系統(tǒng)復(fù)雜且成本高，全生命周期難有綠甲烷，這些因素決定了LNG不能成為船舶終極燃料，但會(huì)在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)存在。

甲醇作為低碳燃料，減碳效果雖不如液化氣，但其最大的優(yōu)點(diǎn)是可常溫儲(chǔ)存，易于運(yùn)輸，并且綠甲醇可規(guī)模化生產(chǎn)，是繼LNG燃料之后又一受到市場(chǎng)青睞的船用新型低碳替代燃料。

氫雖是零碳燃料，也可用可再生能源電解水制取綠氫，但液氫存儲(chǔ)溫度極低，對(duì)存儲(chǔ)材料及絕熱要求極高，其液化需要的能量占燃燒釋放能量的約30%，即使是液態(tài)儲(chǔ)存，所需的燃料艙容積也是MGO的近4.5倍。并且氫燃料內(nèi)燃機(jī)尚不成熟，燃料電池輸出功率有限，當(dāng)前難以作為能源進(jìn)行規(guī)模化應(yīng)用。

氨作為零碳燃料，存儲(chǔ)和應(yīng)用比氫便利，綠氨也可以通過綠氫制備，同時(shí)也可以作為載體運(yùn)輸綠氫，未來應(yīng)用前景較好，是一種較為理想的零碳燃料，氨有毒性，相對(duì)于MGO需占用約2.3倍的重量以及3.31倍的容積，會(huì)導(dǎo)致貨物裝載量及貨艙容積減少。氨作為船用未來型零碳燃料，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

表4  主要船用燃料可用性及技術(shù)成熟度對(duì)比

表4從可獲得性、加注存儲(chǔ)便利性、供給系統(tǒng)復(fù)雜性、能量密度、尾氣處理、價(jià)格、規(guī)范成熟度及減碳表現(xiàn)等方面，對(duì)主要船用燃料進(jìn)行了綜合比較，減碳表現(xiàn)較好的燃料為未來型燃料。碳排放日趨嚴(yán)格，而未來型燃料現(xiàn)階段并不成熟，中期仍會(huì)以LNG及甲醇等低碳燃料為主，電池技術(shù)及氨燃料為輔，通過降速營(yíng)運(yùn)，增加節(jié)能裝置及節(jié)能系統(tǒng)等方式來實(shí)現(xiàn)碳排的合規(guī)。現(xiàn)有新船設(shè)計(jì)應(yīng)提供未來型燃料改裝/換裝的最大便利性，包含規(guī)劃好燃料艙型式、布置位置、容積大小，燃料處理間位置及空間，燃料輸送管路布置，機(jī)艙設(shè)備升級(jí)預(yù)留空間及額外消防設(shè)備等。此外，不同船東對(duì)未來型燃料的期許不同，深入了解船東未來燃料路線規(guī)劃及燃料供應(yīng)鏈，對(duì)未來型燃料的改裝升級(jí)進(jìn)行針對(duì)性升級(jí)預(yù)留。

1、氨作為未來型船用燃料的機(jī)遇

陸上的石化和化肥工業(yè)在生產(chǎn)和使用氨方面已經(jīng)具備豐富經(jīng)驗(yàn)，氨有完備的貿(mào)易和運(yùn)輸體系，氨作為船用制冷劑的應(yīng)用也較為廣泛，這也為促進(jìn)氨作為航運(yùn)燃料奠定了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。

《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》（IGC規(guī)則）對(duì)氨的運(yùn)輸安全做了較為具體的規(guī)定，為海洋領(lǐng)域使用碳錳鋼或低鎳鋼材制造的氨儲(chǔ)存艙提供了支撐。《使用氣體或其它低閃點(diǎn)燃料船國(guó)際安全規(guī)則》（IGF規(guī)則）對(duì)LNG等低閃點(diǎn)燃料的應(yīng)用安全提供了完整的要求，LNG的成功應(yīng)用為氨作為船舶燃料奠定了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。與LNG及LH2等氣體燃料相比，氨在常溫大約1.7MPa的壓力下或常壓-33.5℃的溫度下能以液化狀態(tài)儲(chǔ)存是一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)，可以在碳錳鋼或低鎳鋼中儲(chǔ)存，燃料圍護(hù)系統(tǒng)更簡(jiǎn)單更便宜。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)已就氨燃料動(dòng)力船進(jìn)行積極布局，已有多型氨燃料動(dòng)力船設(shè)計(jì)取得了各大主流船級(jí)社的原則性認(rèn)可（AIP）證書，以更好地與適應(yīng)未來氨燃料動(dòng)力船市場(chǎng)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)已有多家氨燃料處理和供應(yīng)系統(tǒng)集成商也取得了大主流船級(jí)社的原則性認(rèn)可證書。一旦氨燃料供應(yīng)鏈配套完整并規(guī)模化應(yīng)用，隨著氨燃料法規(guī)的明確以及溫室氣體減排力度的加大，氨燃料裝備也將愈加成熟，氨燃料動(dòng)力船將很快市場(chǎng)化。

2、氨燃料船用化面臨的挑戰(zhàn)

作為一種未來型綠色無碳燃料，氨的實(shí)船化應(yīng)用中存在著其自身物性帶來的風(fēng)險(xiǎn)以及法規(guī)/標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范不完善、產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)體系不完善、裝備配套體系不成熟等挑戰(zhàn)。

氨自身物性帶來的風(fēng)險(xiǎn)主要有：

(1)低溫特性：常壓下-33.5℃液化存儲(chǔ);

(2)高壓特性：45℃時(shí)1.7MPa液化存儲(chǔ)；

(3)燃燒特性：燃燒速度慢，熱值低，點(diǎn)火能量高，需要使用燃油輔助燃燒；

(4)腐蝕性：在有水份存在的情況下，氨會(huì)與銅、黃銅、鋅和其他合金發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生腐蝕；

(5)毒性及強(qiáng)刺激性。

其中最值得關(guān)注的是氨的毒性和強(qiáng)刺激性，一旦泄漏可對(duì)船員造成人身傷害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)��?dǎo)致死亡。由于氨的熱值低，供給壓力高，對(duì)氨燃料供給的穩(wěn)定性和壓力波動(dòng)要求都比較高。基于相同的續(xù)航能力，氨燃料所需的容積是MGO的約3.31倍，占用的載重量是MGO的2.3倍，會(huì)直接導(dǎo)致貨物裝載量及貨艙容積的減少。氨的燃燒特性決定了其對(duì)引燃油的依賴性。

法規(guī)/標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范方面，氨作為船用燃料尚無法規(guī)可循，IGC規(guī)則已明確有毒貨品的貨物不允許用作燃料， IGF規(guī)則尚沒有針對(duì)氨燃料的安全規(guī)則；氨作為船用燃料尚無標(biāo)準(zhǔn)可依，船用燃油有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 8217《國(guó)際船舶燃料油規(guī)范》，LNG作為船用燃料有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 23306《船用液化天然氣燃料規(guī)范》；氨作為船用燃料尚無規(guī)范可查，目前船級(jí)社僅發(fā)布了船舶應(yīng)用氨燃料的指導(dǎo)性文件。此外，IGC規(guī)則和IGF規(guī)則對(duì)A型/B型獨(dú)立艙要求設(shè)置的次屏壁是防止低溫貨物和燃料泄漏造成對(duì)船體結(jié)構(gòu)的破壞，而次屏壁的設(shè)置對(duì)氨毒性的防護(hù)效果并不明顯。

產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)體系方面，在供給側(cè)，我國(guó)是全球氨生產(chǎn)大國(guó)，每年生產(chǎn)約0.6億噸，占全球產(chǎn)能（2.35億噸）的1/4左右；在需求側(cè)，目前全球航運(yùn)業(yè)每年消耗的常規(guī)殘?jiān)�燃料（HFO）和餾分燃料（MDO/MGO）約為2.85億噸，折合氨的需求量約為8.55億噸，氨產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)側(cè)和需求側(cè)的產(chǎn)能需求矛盾較大，這種供需矛盾會(huì)影響氨燃料產(chǎn)業(yè)鏈的布局，阻礙氨燃料的船用化發(fā)展進(jìn)程。常規(guī)工藝每噸合成氨產(chǎn)生1.8噸CO2，考核全生命周期碳足跡，船舶采用灰氨減碳并無優(yōu)勢(shì)，采用可再生能源合成綠氨才是綠色低碳船舶發(fā)展的根本，可再生能源的規(guī)模及合成效率決定了綠氨燃料的使用成本，規(guī)模越大，合成效率越高，綠氨的使用成本就越低。

裝備配套體系方面，大容量氨儲(chǔ)存艙在LPG船應(yīng)用較為成熟，在普通貨船上的應(yīng)用并非易事，貨損、經(jīng)濟(jì)性、空重、穩(wěn)性、強(qiáng)度、艙型、專利排查、可維護(hù)性、施工便利性、成本、材料、支撐結(jié)構(gòu)、低溫防護(hù)、毒性及可燃?xì)怏w探測(cè)、貨物蒸氣處理、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、燃燒的穩(wěn)定性、消防、通風(fēng)、透氣、危險(xiǎn)區(qū)劃分、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等都需要集中考慮。對(duì)于氨燃料處理和供應(yīng)系統(tǒng)，毒性是最值得注意的安全隱患，氨燃料的泄漏防護(hù)、監(jiān)測(cè)、處置等各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)須降低至合理水平。雖毒性可控，但與常規(guī)和低閃點(diǎn)燃料及液化氣船相比，應(yīng)用氨燃料會(huì)增加船舶設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。此外，適用于氨燃料動(dòng)力船的液氨燃料泵/增壓泵，氨蒸氣壓縮機(jī)等核心裝備當(dāng)前尚不成熟。在氨燃料動(dòng)力系統(tǒng)方面，船用氨燃料電池的技術(shù)成熟度有待提升，氨燃料電池尚不能滿足大型遠(yuǎn)洋船裝機(jī)功率的需求，適用于近海及內(nèi)河船；船用氨燃料內(nèi)燃機(jī)正在緊張研發(fā)中，氨燃料的毒性和腐蝕性對(duì)內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵部件材質(zhì)要求較高，采用OTTO循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)存在固有的氨燃料泄漏，采用Diesel循環(huán)的內(nèi)燃機(jī)燃料供給壓力較高，如圖9所示的氨燃料內(nèi)燃機(jī)研發(fā)概況，氨燃料內(nèi)燃機(jī)將在2023年至2025年間推向市場(chǎng)。相對(duì)于常規(guī)燃油內(nèi)燃機(jī)，氨燃料內(nèi)燃機(jī)的功率降比天然氣燃料內(nèi)燃機(jī)更大，需要更多的引燃油，引燃油耗量的增加削弱了氨作為零碳燃料的優(yōu)勢(shì)。此外，氨燃料內(nèi)燃機(jī)最低運(yùn)行負(fù)荷較高(~30%)，低負(fù)荷下采用燃油模式也將弱化氨作為零碳燃料的優(yōu)勢(shì)。

圖9  氨燃料內(nèi)燃機(jī)研發(fā)概況

氨燃料作為未來型零碳燃料，燃燒產(chǎn)物中雖然沒有CO2，但可能會(huì)產(chǎn)生溫室氣體效應(yīng)是CO2近300倍的一氧化二氮（N2O）。在氮排放控制區(qū)，氨燃料內(nèi)燃機(jī)排放的煙氣除了要控制NOx含量，配置EGR或SCR等尾氣后處理設(shè)備外，還要增加針對(duì)N2O的尾氣后處理設(shè)備，因此氨燃料內(nèi)燃機(jī)需要更為復(fù)雜的尾氣后處理設(shè)備，增加了船舶系統(tǒng)的復(fù)雜性。

綜上所述，綠色低碳船舶發(fā)展的趨勢(shì)是燃料從低碳到零碳的逐步過渡，燃料本身呈現(xiàn)綠色標(biāo)簽化趨勢(shì)以滿足全生命周期內(nèi)的零碳排放。綜合比較各種燃料特性及可獲得性等參數(shù)后，確立氨燃料是實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)減碳的重要技術(shù)途徑，氨燃料產(chǎn)業(yè)鏈具備全生命周期內(nèi)零碳排放的綠氨生產(chǎn)路徑，綠氨燃料動(dòng)力船能夠從本質(zhì)上滿足未來日趨嚴(yán)格的碳排放要求，氨燃料船型的研發(fā)符合未來市場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，是國(guó)際綠色替代燃料船型的新賽道。完善綠氨產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，船舶與儲(chǔ)能，能源化工等行業(yè)緊密融合，將綠氨規(guī)模化、高效化、低成本化，攻克氨燃料供給系統(tǒng)，氨燃料動(dòng)力裝置及尾氣后處理等關(guān)鍵技術(shù)，牽引相關(guān)設(shè)備研制及落地應(yīng)用，積極進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，制定氨燃料應(yīng)用規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)來提升應(yīng)用安全性，將創(chuàng)新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、專利化，搶占市場(chǎng)先機(jī)提升綠氨產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

與此同時(shí)，船舶設(shè)計(jì)及建造正加快腳步向著數(shù)字化轉(zhuǎn)型，向著智能化發(fā)展。利用數(shù)字化、智能化賦能船舶脫碳轉(zhuǎn)型，聚焦行業(yè)前沿重點(diǎn)難點(diǎn)，全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展，從燃料供給側(cè)到設(shè)備配套端，從設(shè)計(jì)總裝側(cè)到船東用戶端，管理端的數(shù)據(jù)共享大協(xié)作，提升關(guān)鍵系統(tǒng)及設(shè)備的可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、安全性及環(huán)境適應(yīng)性，積極促進(jìn)未來低碳及零碳船型的研發(fā)與迭代升級(jí)，從跟跑，并跑到領(lǐng)跑，以科技化方式積極推進(jìn)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)。