船舶可以從哪些方面實現碳減排？

海工

2022年2月28日 17:23

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有數據顯示，截至2022年1月底，全球新增了40份LNG動力船訂單，而去年全球總共訂購了240艘LNG動力船。2021年，按載重噸計，綠色動力船舶約占我國新船訂單的24.4%。

自2018年國際海事組織（IMO）通過全球溫室氣體減排戰略后，各國海運企業正在為此投入大量的人力、物力和財力，以期能及時實現碳減排目標，來規避未來可能會實行的碳稅制度。在可以預見的未來，海運與環保的關系會更為緊密，全球海運企業一定會加大對于綠色供應鏈和船舶減排技術研發的投資。

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氫燃料動力技術需突破

氫氣是一種零碳排放的清潔替代燃料。目前，氫燃料電池主要分為以質子交換膜（PEM）為代表的低溫燃料電池，以及以熔融碳酸鹽和固體氧化物為代表的高溫燃料電池。盡管PEM燃料電池技術已十分成熟，行業正在向產業化、規模化方向發展，但是高溫燃料電池具有高功率、高效率、氫氣純度要求低等優勢，更適合在船舶上應用，是未來大型船舶發展方向。

因為氫燃料電池車用技術標準與工程經驗已經基本完善，所以其在船舶的應用可以借鑒部分車用技術經驗。但由于船舶營運條件與車用環境條件有很大不同，并且氫燃料電池不能使用傳統的內燃機推進理念，因此許多技術障礙還需要攻破。

國際上一些國家早在2003年就開展了船用氫燃料電池系統研究測試項目。國內的燃料電池船舶研究起步較晚，在動力系統認證和整船方面直至近期才迎來實質性的突破。2021年1月，武漢眾宇動力系列燃料電池系統獲得由中國船級社頒發的中國首張船用燃料電池產品型式認可證書。隨后在2月初，由大連海事大學建造的“蠡湖”號燃料電池游艇順利通過試航，該船長度為13.9m，由大連化物所開發的70kW氫燃料電池電堆和86kW的鋰電池組成混合動力，設計船速18km/h，續航180km，可載乘員10人。

當前，打造綠色供應鏈并完成減碳目標已成為我國推動水運行業綠色健康發展的重要動力。比如，中國船舶集團設立的“綠色珠江”氫燃料電池示范船舶重大科技專項已于2019年底獲得中國船級社（CCS）頒發的我國首艘氫燃料試點船舶設計方案的原理認可證書。該船將采用氫燃料電池作為船舶主動力并輔以鋰電池組進行調峰補償。該船舶還載有35MPa高壓氫氣瓶組儲存氫氣燃料，可續航約140公里。

此外，CCS受交通運輸部海事局的委托，也開展了氫燃料船舶應用技術的專項研究工作，研究成果將在未來進一步推廣船舶氫燃料在我國的應用。

船舶可以從哪些方面實現碳減排？的圖1

“達飛巴塔哥尼亞”號雙燃料船。

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優化船舶運營節能效果佳

除了使用新型燃料，對船舶運營進行優化也可以取得明顯減排效果，有時節能效果甚至可達50％。

比如，船舶可以多使用高效螺旋槳。使用高效螺旋槳不僅可以降低油耗且不需要增加脈動壓力水平，甚至可以不改變螺旋槳主尺度。因此，設計使用高效螺旋槳可以成為實現碳減排的一個重要抓手。

又如，可對航速、航線及縱傾進行優化。對船舶的航速進行優化是指將航速作為變量，通過已經獲得的風浪和洋流等參數去建立數學模型，然后計算得出這些參數對油耗的影響系數，最后通過動態優化得到最佳節能航速曲線。目前已有根據上述理論而研發出的最佳航速控制系統，實際應用測試顯示，節能效果最多可達3％。

船舶的航線優化是指通過選擇航線克服風浪和洋流阻力來實現節能，是比較常用的節能措施之一，市場上已有公司提供航線優化系統。如Force Technology公司研發的SeaPlanner已經應用多年，其節能效果可達2％。

此外航運公司還可以考慮對風浪和洋流等參數進行仿真和建模，然后將其對縱傾的實時影響納入模型，這樣就可以實現船舶的動態控制。

總體來說，船舶運輸是一個復雜的系統工程，因此只有從整體能效出發來對系統的節能技術進行協調整合，才能達到最優規劃、最優控制、減少油耗，最終實現節能減排。

近年來，國際上的節能技術開始對生產全過程進行綜合優化和監測。因此有一些綜合節能系統開始在市場上出現。這些航行性能監控分析系統整合了船舶的五大性能因數：功率、船型、螺旋槳、燃油消耗率和燃油消耗量。他們通過傳感器來采集船舶本身的各種性能數據以及風浪、洋流數據，然后使用數據進行數學建模，最終實現數據的可視化，在操作過程中船員可以看到實時準確的航速和主機功率等參數。

目前，Eniram公司開發的清污分析平臺，就可以根據長年的船體污損數據，來交叉對比分析在不同海域船舶運行的性能數據。該產品已經在實船上得到應用，檢驗證明該項節能可達5％。

船舶可以從哪些方面實現碳減排？的圖2

LNG雙燃料動力紐卡斯爾型散貨船“碧璽山”號。陸佳駿攝

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他山之石可以攻玉

2020年5月，日本土地、基礎設施、運輸和旅游部（簡稱“日本運輸部”）與研究機構和公共機構合作，制定了零排放國際航運路線圖，匯總了零排放船舶實用化的進度表。根據進度表，面向完全不排放二氧化碳的氫、氨燃料實用化，到2024年，日本將開發出專用的發動機、渦輪和燃料箱；2026年，在連接日本國內港口的內航船舶上進行實證試驗。日本國土交通省和海事界希望推進對于使用氫、氨等新燃料船舶的開發，力爭到2028年實現商業航運。

這份日本零排放國際航運路線圖重點向業界展示了四個新型“零排放生態船舶”設計概念——氫燃料船、氨燃料船、船上二氧化碳捕獲船和超高效液化天然氣燃料船。據介紹，上述四個新型“零排放生態船舶”或將實現減少90%以上的溫室氣體排放量（與2008年排放量相比），并為建造零排放的2萬TEU型集裝箱船或8萬載重噸級散貨船提供了技術可行性。

而為了應對全球減碳的需求，馬士基集團宣布將于2023年啟用以甲醇為燃料的支線集裝箱船舶，并且力圖使馬士基未來所有新建船舶都使用清潔燃料。馬士基集團激勵燃料供應商擴大新型清潔燃料的生產，希望在未來的三年內解決氨氣和酒精燃料的安全性問題，訂購使用這些替代燃料的船舶。

馬士基甲醇支線集裝箱船舶設計運力約為2000TEU，將部署在區域航線網絡中。該集團計劃使用甲醇或生物甲醇來為該船舶提供動力，面臨的最大挑戰是找到足夠的綠色甲醇來按計劃投運零碳貨輪。因為生產綠色甲醇的成本極高，目前其總產量仍微不足道（據國際可再生能源署的數據，目前每年約22萬噸），即使全部用于運輸，也不到該行業年燃料消耗量的1%。要使綠色甲醇供應達到規模，監管者將需要為二氧化碳排放確定較高的價格，或采取類似措施激勵（或迫使）企業購買更清潔的燃料。

此外，因甲醇化學性質特殊，航運業需要在世界各地港口為甲醇建造特定的燃料基礎設施。

目前，馬士基正在推進多種碳中和燃料的應用探索，在未來較長時間內，多種燃料解決方案將并存。馬士基宣布，未來幾年的絕大部分投資都將用于開發“碳中和燃料”，包括甲醇、生物甲烷和氨。

船舶可以從哪些方面實現碳減排？的圖3

全球首艘5000立方米雙燃料全壓式LPG運輸船。

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航運公司應提前應對

當前，我國航運公司需要高度關注減排有關政策動向，深入研究制定應對策略。應盡快摸清船隊情況，為后續選擇運營能效指標、重點船型以及船隊建設和更替等，提前做好策劃與安排。

在現有船舶技術能效方面，建議對船隊不同船型對船舶能效設計指數（EEDI）的滿足情況進行識別，對主力船型和較難滿足EEDI要求的船型進行重點關注。對于船隊中可通過降低功率來滿足EEDI要求的船舶，可及早考慮在降低功率后，對其航線及經營的影響；對降功率仍不能實現EEDI要求的船舶，應提前考慮論證相應的節能技術手段提早對船期及進塢時間進行安排。

對于新造船，在船隊更新和中長期規劃時應考慮IMO相關戰略及政策對使用傳統燃料提出的挑戰以及低碳（無碳）燃料技術的發展和應用趨勢。建議相關設計單位和產品廠商積極開展新船型儲備，針對國際上加快并提前實施EEDI要求的趨勢，提前進行船隊更新的戰略部署，優先考慮能夠滿足EEDI削減40%—50%的高能效新船型，或考慮能夠直接滿足無碳排放的新能源船型儲備。