經(jīng)過多年努力，航運業(yè)已經(jīng)通過降低船舶航速、引入現(xiàn)代型環(huán)保船舶等方式減少二氧化碳排放，但要實現(xiàn)“碳中和”的目標只能通過燃料轉(zhuǎn)換。時下備受追捧的LNG可否令航運業(yè)“進階”?氫基燃料當真是“終極燃料”嗎?電能又將充當何種角色?

根據(jù)克拉克森的數(shù)據(jù)，2020年全球航運業(yè)排放二氧化碳(CO2)約8.1億噸，船隊排放量較2008年下降約21%。這是航運業(yè)通過降低船舶航速、引入現(xiàn)代型環(huán)保船舶等舉措取得的初步成效。干散貨運輸巨頭Klaveness的一項研究顯示，2008—2020年，船舶降速和能源效率等提升措施已使典型巴拿馬型船的碳排放量減少約30%(相當于每年減少約10噸CO2當量，見圖)。

但是，由于全球氣候形勢日益嚴峻，航運業(yè)承擔著繼續(xù)降低CO2等溫室氣體排放的重任，而包括國際海事組織(IMO)在內(nèi)的各大行業(yè)機構(gòu)也在力促航運業(yè)加快碳減排進程。6月下旬，歐盟則進一步提議把航運業(yè)納入其碳排放交易體系，并希望航運業(yè)從2023年起為往返于歐盟港口之間的船舶航行支付碳排放費用。

某船廠商務人士周曉杰告訴《航運交易公報》，2008年以來的新造船幾乎都是電推主機，這將促使單船能源消耗減少約10%。同時，一些船舶通過加裝風帆、球鼻艏改造、加裝螺旋槳槳轂鰭等方式降低能源消耗并減少CO2等溫室氣體的排放。此外，在船舶上加裝太陽能光伏系統(tǒng)以提供船舶照明電源也成為一種降低能源消耗的重要方式。

然而，Klaveness的研究表明，2010年以來業(yè)界探索的主要溫室氣體減排方式難以帶領(lǐng)航運業(yè)實現(xiàn)減排的“終極理想”，能源轉(zhuǎn)換幾乎成為必然之路。

LNG等清潔能源僅是“進階石”嗎?

在進入業(yè)界視野的主要可轉(zhuǎn)換燃料中，當前受青睞度最高的是液化天然氣(LNG)。

自2018年IMO提出碳減排的目標后，達飛輪船規(guī)模化訂造9艘23000TEU型和5艘15000TEU型LNG混合動力船，中遠海能將其在大連船舶重工訂造的4艘超大型油輪升級為LNG混合動力船舶，殼牌石油通過多家船東訂造LNG混合動力油輪，眾多企業(yè)成為把LNG應用為主流船型燃料的先行者。

法國船級社可持續(xù)發(fā)展中心經(jīng)理宋丹表示，由于在LNG船上的應用，LNG作為船用燃料的應用歷史超過10年，技術(shù)上已經(jīng)較為成熟。據(jù)周曉杰介紹，2021年以來越來越多的新造船選擇應用LNG雙動力系統(tǒng)。在集裝箱船領(lǐng)域，包括赫伯羅特6月份在韓國大宇造船與海洋訂造的6艘23500TEU型船、達飛輪船4月份在中國江南造船訂造的6艘15000TEU型船和在滬東中華造船訂造的6艘13000TEU型船、塞斯潘3月份在韓國三星重工訂造的10艘15000TEU型船和6月份在中國揚子江船業(yè)訂造的15艘7000TEU型船等，均選擇應用這一系統(tǒng);在油輪領(lǐng)域，15艘新造超大型油輪選擇應用這一系統(tǒng);在散貨船領(lǐng)域，挪威Himalaya Shipping等船東訂造的20艘210000DWT級紐卡斯爾型船應用這一系統(tǒng)……克拉克森統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在2021年截至8月底的新訂單中，有182艘船舶選擇LNG作為替代燃料。

周曉杰表示，另有一些船東選擇“騎墻”。在2021年截至8月底的新訂單中，有49艘船舶采納一種便于在未來改裝成可增加LNG驅(qū)動(LNG-ready)的設(shè)計。除了加裝費用高、設(shè)計建造難度大等原因，宋丹認為，甲烷(CH4)逃逸現(xiàn)象也是一個不可忽略的因素，據(jù)了解，CH4的溫室氣體效應約是CO2的28倍。盡管目前CH4并未被列入IMO規(guī)管的排放氣體，但是這并不代表未來不會。

此外，甲醇、二甲醚、乙醇以及液化石油氣(LPG)等也進入航運業(yè)減少溫室氣體的候選名單之中。在這些燃料中，甲醇是一種可以與LNG相媲美的船用燃料。宋丹表示，較之LNG的優(yōu)勢是，甲醇在常壓常溫下是液態(tài)，不需要降溫加壓液化，與傳統(tǒng)燃料在船上的儲存類似，但是甲醇的單位體積能量密度較低，因此相對于傳統(tǒng)燃料，需要較大艙容來儲存。在港口加注可獲得性方面則幾乎與LNG相當，據(jù)悉全球已有超過100個港口可以獲取甲醇。

8月，馬士基在韓國現(xiàn)代重工訂造的(8+4)艘16000TEU型船選用甲醇混合動力主機引發(fā)廣泛關(guān)注。實際上，馬士基7月初在韓國現(xiàn)代尾浦訂造的1艘2100TEU型船已經(jīng)使用這一動力系統(tǒng)。

從趨勢上看，清潔能源混合動力新造船正呈逐步增加之勢。船用主機巨頭MAN新近表示：“雙燃料主機訂單規(guī)模正在擴大，當前其約占總體訂單的1/3，傳統(tǒng)主機占2/3。我們預計到2025年兩種主機的訂單比例將達到1∶1。”

讓業(yè)界有所疑慮的是，目前廣泛使用的LNG或甲醇作為燃料均有一定比例的CO2排放，無法以其追尋“零碳”的“終極理想”。更為理想的生物燃料在生產(chǎn)和運輸中也會產(chǎn)生CO2，而且作為其主要原材料之一的廢棄食用油的供應量并不充足。

然而，也有專業(yè)人士指出，生物LNG可以達到更好的溫室氣體減排效果。由“灰色”甲醇(將甲醇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2排向大氣)向“藍色”甲醇(將甲醇生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2捕捉)的轉(zhuǎn)變將進一步減少排放，再向“綠色”甲醇(甲醇由生物質(zhì)原料直接獲得，或使用捕捉封存的CO2與“綠”氫反應獲得)轉(zhuǎn)變便可實現(xiàn)“終極理想”。據(jù)了解，馬士基在訂造甲醇雙動力集裝箱船時也意在使用“綠色”甲醇，以便未來實現(xiàn)“碳中和”。

氫基燃料可否成為“終極”燃料

與馬士基的理念類似，業(yè)界也在研究通過“綠”氨(NH3)等燃料實現(xiàn)零排放。

一直以來，氨主要運用于化肥工業(yè)。氨作為燃料的主機技術(shù)研究始于第二次世界大戰(zhàn)期間，燃料匱乏的比利時成功地在1941—1942年冬季的100輛汽車和從1943年起的8輛公交車上應用了氨和壓縮的混合煤氣(主要是氫氣和一氧化碳)。隨著航運業(yè)面臨脫碳和擺脫對化石燃料依賴的壓力，氨看起來是一種有強吸引力的替代燃料。

2019年12月，在“2019年中國國際海事技術(shù)學術(shù)會議和展覽會”上，中國船舶集團發(fā)布氨燃料雙動力概念超大型集裝箱船，引發(fā)更多關(guān)注。

周曉杰表示：“2021年以來，我們看到越來越多的新造船訂單采納一種便于在今后改裝成可增加氨驅(qū)動(Ammonia-ready)的設(shè)計。”在2021年截至8月底的新訂單中，有22艘船舶選用這種設(shè)計，包括9艘集裝箱船、9艘油輪和2艘LPG船。“只是氨燃料雙動力主機現(xiàn)在仍在研發(fā)階段，還沒有成型的產(chǎn)品推出。根據(jù)主機廠商的信息，首臺可燃燒氨的主機要到2023或2024年才會正式面世”，宋丹說。

盡管氨作為燃料在船上的實際應用仍處起步階段，卻是航運業(yè)走向“終極理想”最具潛力的燃料。首先，氨是氮與氫的化合物，由于不含碳，因此在用作船用燃料時不會排放任何CO2，這創(chuàng)造了“零碳”推進的可能性。其次，從能量密度來看，氨的體積能量密度與甲醇相似，約為傳統(tǒng)化石燃料的1/3，從而使得氨燃料在船上存儲具有相對經(jīng)濟可行性。第三，氨的液化需要較少的冷卻，在常壓下-33°C左右，或者常溫在1MPa左右即可成為液態(tài)，便于存儲和運輸。

但不可忽視的是，氨是一種有毒物質(zhì)，并且對某些金屬材料存在腐蝕性，這較傳統(tǒng)船用燃料而言更加危險。此外，氨燃燒時會排出具有刺鼻惡臭的一氧化二氮，該物質(zhì)也是較強的溫室氣體，這也是在技術(shù)上需要解決的問題。“與甲醇當前的生產(chǎn)狀況類似，氨絕大部分是通過工業(yè)生產(chǎn)合成的，在此過程中不可避免要產(chǎn)生CO2，這種氨只能稱為‘灰’氨。如果在源頭生產(chǎn)過程中捕捉CO2，將可獲得‘藍’氨。生產(chǎn)‘綠’氨則需要利用綠色電能電解海水等方式獲取氫，再將氫與空氣中的氮氣合成。”宋丹詳細解釋氨燃料的獲取途徑。

既然“綠”氨需要氫來合成，那何不直接利用氫作為船用清潔燃料呢?實際上，氨是利用氫特性作為燃料，也被稱為“氫基”燃料。宋丹認為：“盡管氫也是一種很好的燃料，但其要求的儲存條件比較嚴苛，易燃易爆的特性導致其危險性較高，未來或許近海短程運輸船舶會選擇氫作為燃料。”

綠色電能成為通達彼岸的“橋梁”

無論是氨，還是氫在未來作為船用綠色燃料方面的應用，都離不開一個“電”的概念，這一切還要從“綠”電開始。

中遠海運集團近日稱：“大力推進船舶受電和港口岸電設(shè)施升級改造，分步推動五星旗沿海航行船舶岸電改造，重點推進在建碼頭岸電配套設(shè)施建設(shè);重點打造綠色航運樣板工程和綠色航線，推進船舶岸電使用，實現(xiàn)自有船舶靠泊自有港口岸電使用，形成綠色航運建設(shè)和推廣機制，完善相關(guān)標準規(guī)范……”岸電正成為其綠色轉(zhuǎn)型的能源來源之一。

有專家表示，在當前全球主要依賴化石能源發(fā)電的背景下，岸電來源“綠色化”才能真正促進CO2的減排。近年來，全球有多個港口正通過將風電、光伏電等引入岸電系統(tǒng)實現(xiàn)真正的綠色岸電供應。不久前，天津港從山西省河曲飛龍泉風電場、交口祝源光伏電站等50家風電及光伏發(fā)電企業(yè)采購的電能已輸送至天津北疆港區(qū)智能化集裝箱碼頭的岸電設(shè)施上。

除了岸電之外，電池混合動力船舶的訂造也在增加。在2021年截至8月底的新訂單中，有39艘船舶選擇電池混合動力系統(tǒng)，包括12艘客船/客滾船、1艘豪華郵輪、4艘汽車運輸船、9艘住宿船、4艘港拖、2艘雜貨船、2艘小型化學品船、2艘LNG與原油燃料船和2艘瀝青運輸船。

不難發(fā)現(xiàn)，上述船舶以沿海近洋運輸為主。某業(yè)內(nèi)專家認為，由于船用電池能源密度的瓶頸仍舊難以突破，以電池為燃料的船舶更適宜承擔短途運輸任務。國際航運商會的研究也表明，要滿足一艘全球航行的大型集裝箱船的能耗需求，需要至少1萬個動力電池，目前的電池技術(shù)尚不足以應用于遠洋船舶。

然而，電能對于航運業(yè)走向“碳中和”仍然意義重大，前文所提及的“綠色”甲醇、“綠”氨以及“綠”氫無一例外需要電解水獲取氫基。也就是說，電能的供應、尤其是綠色電能的充足供應是航運業(yè)實現(xiàn)“終極理想”的必由之路。

應該說，隨著風能、太陽能、潮汐能等清潔能源獲取技術(shù)的不斷進步，清潔電能不斷增多，將為綠色船用燃料的生產(chǎn)提供支撐。不過，一旦與一年超過3億噸船用燃油當量進行換算，當前的清潔電能供應仍顯“卑微”。有機構(gòu)按當前航運業(yè)使用的能源量計算，如果完全轉(zhuǎn)換為使用“綠”氨，需要消耗的電能約7萬億千瓦時，幾乎與目前中國一年的總發(fā)電量相當。需要提醒的是，2020年中國約70%的發(fā)電量依賴火力發(fā)電。

世界銀行也強調(diào)，到2030年，“零碳”燃料至少需要占船用燃料組合的5%，才能保證航運業(yè)不偏離IMO設(shè)定的減碳軌跡。

從當前新船訂單的燃料選擇中可以看到，傳統(tǒng)燃油仍是主流，LNG與燃油雙燃料在增多，選擇設(shè)計可改裝的也有一些。在走向“終極理想”時，航運業(yè)總體仍表現(xiàn)為無措。盡管沒有“靈丹妙藥”，航運業(yè)也必須在探索中走下去。除了燃料上的抉擇，時下更多船東仍然選擇以降低航速、利用各種措施提升船舶能效等方式降低CO2排放。在提升船舶能效的措施方面，數(shù)字化應用正給予船東更多助力，船舶大型化也成為提升單位運能的有效方式。

在實現(xiàn)遠期目標上，CO2捕捉或?qū)⒊蔀橐环N替代方案。但從目前的技術(shù)上看，這也同樣是一條漫長而曲折的道路。

(新媒體責編：xmtqyd)