中國船舶工業(yè)經(jīng)濟與市場研究中心 尚家發(fā) 劉碧濤

2018年4月1 3日，國際海事組織（IMO）海洋環(huán)境保護委員會（MEPC）宣布，其成員國代表一致同意，至2050年將航運板塊的二氧化碳總排放量削減50%，并盡快開始減排，努力逐步實現(xiàn)零碳目標。此次國際海運溫室氣體減排初步戰(zhàn)略的通過將海運業(yè)的溫室氣體減排問題再次推向高潮，雖然目前初步戰(zhàn)略尚未制定明確的時間表與行動計劃，但是可以預(yù)見未來海運業(yè)溫室氣體減排的相關(guān)措施必將出臺，并且將會愈加嚴格，正如目前正在實施的NOX、SOX排放控制。未來溫室氣體減排的實施也必將為造船、航運領(lǐng)域帶來新的挑戰(zhàn)，船廠、船東等航運各參與方也必須采取新的減排措施以滿足新的排放要求。此外，2020年即將實施的全球0.5%硫排放控制也使得海運業(yè)對于有效的排放控制措施的需求更加迫切，海運業(yè)迫切需要一種可滿足目前及未來船舶排放控制要求并且具備技術(shù)與經(jīng)濟可行性的排放控制措施。

目前，受到行業(yè)關(guān)注與認可的船舶溫室氣體減排措施主要有三類：能效提升措施、營運管理措施以及替代燃料和技術(shù)。能效提升措施主要是在船舶設(shè)計建造階段通過船舶大型化與標準化設(shè)計、低阻力船型優(yōu)化設(shè)計、空氣潤滑、節(jié)能高效推進系統(tǒng)等措施提升船舶的能源效率，達到降低油耗與溫室氣體排放的目的；營運管理措施主要是在船舶運營過程中通過降速航行、提升船舶管理智能化程度等方式，提升船舶運營的效率，降低船舶油耗與溫室氣體排放；替代燃料和技術(shù)主要是通過利用LNG、LPG、甲醇、氫、風能等綠色低排放燃料與技術(shù)替代船用重油、柴油等污染較重的化石燃料，實現(xiàn)降低船舶排放的目的。

在上述三類減排措施中，使用替代燃料與技術(shù)在溫室氣體減排方面的效果更加直接和顯著，同時還可減少NOX、SOX及顆粒物（PM）等污染物的排放，排放控制的綜合效益最高，在未來船舶排放控制愈加嚴格的大環(huán)境下具有良好的應(yīng)用前景。目前可行的替代燃料和技術(shù)包括了LNG、LPG、甲醇、生物燃料、氫燃料、燃料電池、電池動力以及風力輔助推進等多種方式，每種替代燃料和技術(shù)之間在減排效果、技術(shù)與經(jīng)濟可行性等方面也存在較大的差距，究竟該采用哪種替代燃料和技術(shù)成為困擾替代燃料和技術(shù)在海運業(yè)應(yīng)用的主要問題。本文將對各種替代燃料和技術(shù)的特點及優(yōu)勢進行比較分析，為替代燃料和技術(shù)在海運業(yè)的應(yīng)用提供支持。

船舶替代燃料與技術(shù)

太陽能、風能、生物燃料等綠色環(huán)保新能源作為傳統(tǒng)化石燃料的替代能源早已在能源、電力、汽車等領(lǐng)域得到應(yīng)用，并在綠色減排方面發(fā)揮了積極作用。在日趨嚴格的國際海事環(huán)保規(guī)則規(guī)范的推動下，船舶行業(yè)也將替代燃料與技術(shù)作為應(yīng)對環(huán)保要求的重要措施，并對大量的替代燃料與技術(shù)開展了船舶領(lǐng)域應(yīng)用的研究與實驗。目前，獲得行業(yè)認可的、具備在船舶行業(yè)應(yīng)用的船舶替代燃料與技術(shù)主要有LNG、LPG、甲醇、生物燃料、氫、燃料電池、電池動力以及風能八種。

船舶替代燃料與技術(shù)對比分析

上述我們介紹了八種不同的船舶替代燃料與技術(shù)，每項替代燃料與技術(shù)都具備不同的特點與優(yōu)劣勢，也具有不同的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀。對于海運業(yè)而言，未來選擇哪種替代燃料與技術(shù)作為應(yīng)對排放控制的措施是必須未雨綢繆的關(guān)鍵問題。因此，我們從價格、基礎(chǔ)設(shè)施、法規(guī)、可獲得性、環(huán)保效果、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性七個方面對八種船舶替代燃料與技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)劣勢進行對比分析。

1、價格

價格決定了船舶替代燃料與技術(shù)在船舶應(yīng)用的經(jīng)濟性，也是船東選擇替代燃料與技術(shù)時考慮的主要問題。過去數(shù)十年，L NG市場價格長期低于原油與船用柴油價格，與價格較低的船用重油相比也具有一定的優(yōu)勢。未來，隨著2020年全球0.5%硫排放控制標準的生效，船舶使用的低硫燃油價格將進一步上漲，LNG的價格優(yōu)勢將更加明顯。2010年前，LPG市場價格與原油價格趨于一致，但隨著美國頁巖氣的開采與出口，LPG市場價格下降，介于船用柴油與LNG之間。目前，甲醇主要是由天然氣生產(chǎn)獲得，其價格是天然氣價格的2倍，介于HFO與MGO之間。甲醇也可通過煤或者可再生燃料生產(chǎn)，煤生產(chǎn)的甲醇雖然價格相對較低但其溫室氣體排放不符合減排的目標，而通過可再生燃料生產(chǎn)的甲醇沒有價格優(yōu)勢。與化石燃料相比，由于原料來源與產(chǎn)量的限制，生物燃料的價格高于原油等化石燃料，這一趨勢短期內(nèi)將不會改變，產(chǎn)量與價格也將成為制約生物燃料在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的主要障礙。以原油為基準的LNG、LPG、甲醇、生物燃料價格對比如圖1所示。

表1. 船舶替代燃料與技術(shù)介紹

圖1. 船舶替代燃料價格對比（以原油價格為基準）

表2. 船舶替代燃料技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展情況

氫燃料主要是通過電解或者天然氣生產(chǎn)，其價格主要取決于電價、天然氣價格以及生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)模。據(jù)測算，電解方式生產(chǎn)的氫燃料價格平均在5.3美元/千克（相當于原油價格1770美元/噸），天然氣生產(chǎn)的氫燃料價格平均在4.1美元/千克（相當于原油價格1370美元/噸），遠高于目前原油價格510美元/噸。近年來，在汽車與消費電子領(lǐng)域的驅(qū)動下，電池動力系統(tǒng)性能大幅提升、價格大幅下降。汽車行業(yè)預(yù)計將于2020年將鋰離子電池成本降至100美元/Kwh，屆時船舶行業(yè)電池動力的應(yīng)用成本將達到200美元/Kwh。燃料電池技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用正處于研發(fā)階段，目前價格極為昂貴。未來實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)后其價格將具有競爭力。

整體來看，LNG、LPG與目前價格最低的HFO相比具有競爭力，價格方面最具優(yōu)勢；甲醇、生物燃料與MGO相比具有競爭力；氫燃料、電池動力、燃料電池目前價格沒有競爭力，但長遠來看隨著技術(shù)的發(fā)展成熟以及生產(chǎn)規(guī)模的擴大，其價格將會降低。

2、基礎(chǔ)設(shè)施

基礎(chǔ)設(shè)施主要指為船舶提供燃料分配與加注的設(shè)施，如目前為船舶提供燃油加注的港口設(shè)施，其發(fā)展程度代表了船舶燃料獲得便捷性，也是船東選擇替代燃料與技術(shù)時需要考慮的重要問題。燃油作為船舶燃料的基礎(chǔ)設(shè)施體系已經(jīng)運行發(fā)展了數(shù)十年，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)非常完善。目前，除了LNG之外，其他船舶替代燃料與技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本處于空白（見表1）。

近幾年，在IMO相關(guān)船舶排放控制法規(guī)的推動下，LNG動力船舶發(fā)展迅速，相關(guān)的LNG加注基礎(chǔ)設(shè)施也在快速完善，在眾多的替代燃料與技術(shù)中發(fā)展最好。目前85個港口已經(jīng)有了或承諾將建設(shè)LNG加注設(shè)施，分布在新加坡、中東、加勒比海以及歐洲等地港口（見表2）。此外，2018年還將有6艘LNG加注船舶將在全球范圍內(nèi)投入使用，另外還有4個加注船項目得以確定。船燃巨頭Total、Shell、Gas Natural Fenosa、ENN以及Statoil也都相繼宣布了將建造更多的LNG加注船舶。

3、法規(guī)

IMO是船舶相關(guān)法規(guī)制定的主要國際機構(gòu)，目前針對替代燃料與技術(shù)的應(yīng)用，IMO已有的法規(guī)主要是船舶使用氣體或其他低閃點燃料國際安全守則（IGF規(guī)則）。IGF規(guī)則于2015年被采納，2017年1月1日正式生效的，為船舶使用氣體或其他低閃點燃料作為船舶燃料的設(shè)備及系統(tǒng)的布置、安裝、控制與監(jiān)測等方面進行了強制性的規(guī)定。最初是針對LNG作為船用燃料使用制定的，目前關(guān)于甲醇、低閃點柴油以及燃料電池的相關(guān)內(nèi)容也在制定中。對于其他替代燃料與技術(shù)，IMO相關(guān)法規(guī)尚未出臺具體的規(guī)定，但是其他的國際組織、船級社以及地區(qū)政府等相關(guān)機構(gòu)制定了相關(guān)的法規(guī)及規(guī)范。

表3. 全球LNG加注設(shè)施建設(shè)情況

表4. 船用替代燃料與技術(shù)相關(guān)法規(guī)制定情況

圖2. 船舶替代燃料年產(chǎn)量

4、可獲得性

圖3. 船舶替代燃料二氧化碳排放情況

圖4. 船舶替代燃料氮氧化物排放情況

表5. 各種替代燃料與技術(shù)的技術(shù)成熟度情況

可獲得性是指替代燃料是否擁有充足的產(chǎn)量與供給，是決定替代燃料能否大規(guī)模的應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。燃油作為船舶燃料已經(jīng)形成了固定的市場供給關(guān)系，產(chǎn)量完全滿足船舶市場需求。因此，可通過對各種替代燃料的產(chǎn)量與燃油的產(chǎn)量進行比較，以反映各種替代燃料的可獲得性，如圖2所示。天然氣是LNG的主要來源，目前市場上的LNG產(chǎn)量為3.2億噸/年，這一數(shù)據(jù)僅占天然氣市場的10%。未來五年，LNG的產(chǎn)量將進一步增加，達到4.5億噸，遠高于燃油的供給量，具有較高的可獲得性；LPG產(chǎn)量2015年為2.84億噸，與燃油產(chǎn)量相當，且以每年2%的速度增長，未來可基本滿足船用需求；2016年甲醇的產(chǎn)量為1.1億噸，含能量相當于5500萬噸燃油，且主要以化工原料為主，難以滿足作為船舶燃料的需求；目前每年的生物燃料產(chǎn)量主要包括3200萬噸生物柴油以及1.7億噸直植物油（SVO），尚不能滿足船用需求；全球氫氣產(chǎn)量為5000噸每年，相當于1.5億噸燃油，難以滿足船用需求。但是，氫氣可通過電解水生產(chǎn)，理論上產(chǎn)能是無限的，然而成本是最大的限制因素。

此外，電池動力已經(jīng)在汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，電池系統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)施也在不斷提升，未來可向船舶行業(yè)的應(yīng)用轉(zhuǎn)移，可滿足船舶領(lǐng)域的需求；燃料電池在船舶行業(yè)僅有少數(shù)生產(chǎn)商進行了小批量生產(chǎn)，可獲得性較低。

5、環(huán)保效果

替代燃料與技術(shù)在船舶的應(yīng)用最直接的效果就是降低船舶排放產(chǎn)生的環(huán)境污染，這也是替代燃料與技術(shù)在船舶應(yīng)用的主要目的。由于替代燃料性質(zhì)的不同，其使用產(chǎn)生的環(huán)保效果也存在差異。我們可以從溫室氣體、硫氧化物、氮氧化物三方面減排效果來評價替代燃料與技術(shù)的環(huán)保效果。

溫室氣體減排方面，我們以船用重油（HFO）與船用柴油（MGO）的排放作為參考。在使用過程中，LNG、LPG以及甲醇的二氧化碳排放將出現(xiàn)10%～30%不等的減少，其中LNG二氧化碳減排效果最佳，生物燃料與氫燃料將實現(xiàn)零排放。但是，由于甲烷也是溫室氣體，并且其溫室效應(yīng)是二氧化碳的3～4倍，因此LNG、LPG以及液化沼氣等以甲烷為主要成分的替代燃料存在著燃料泄露所帶來的更高的溫室氣體排放風險。如果將燃料生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放也考慮進來的話，各種替代燃料的溫室氣體排放將會增加，其中由天然氣生產(chǎn)的甲烷與氫氣的排放量甚至將超過船用重油（HFO）。此外，風力輔助推進將減少船舶油耗，也將減少船舶的二氧化碳排放，但減排相對有限；燃料電池將提升燃料的能源效率，可減少30%的二氧化碳排放，同時由于燃料種類的不同，減排效果也不同，如氫燃料電池可實現(xiàn)二氧化碳零排放。

硫氧化物排放方面，與燃油不同，各種替代燃料基本不含有硫，因此使用過程中硫氧化物的排放基本為零，同時也使得顆粒物（PM）排放基本為零。

表6. 船舶替代燃料與技術(shù)經(jīng)濟性比較

表7. 替代燃料與技術(shù)船舶應(yīng)用潛力評價

氮氧化物減排方面，在現(xiàn)有船舶以內(nèi)燃機為主要動力方式的情況下，氮氧化物的排放是不可避免的。各種替代燃料的使用可減少船舶的氮氧化物排放，但減排的幅度相對有限，難以達到IMO氮氧化物排放控制第三階段（IMO TierⅢ）的減排目標，需要安裝SCR或者ERG等設(shè)備才能滿足減排要求。只有LNG與氫氣在奧拓循環(huán)發(fā)動機上使用時才能直接達到IMO Tier Ⅲ的排放要求。此外，由于不采用內(nèi)燃機的動力方式，電池動力與燃料電池的氮氧化物排放基本為零。

6、技術(shù)成熟度

替代燃料與技術(shù)在船舶的應(yīng)用依賴各種技術(shù)手段來實現(xiàn)，成熟的技術(shù)是替代燃料與技術(shù)推廣應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。由于各種替代燃料與技術(shù)發(fā)展的時間以及應(yīng)用情況存在差異，各種替代燃料與技術(shù)的技術(shù)成熟度也存在差異。目前，LNG、LPG、甲醇以及風力輔助推進技術(shù)發(fā)展較為成熟，具備在實船應(yīng)用的基礎(chǔ)，而生物燃料、氫燃料、電池動力以及燃料電池等技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展成熟度較低。

7、經(jīng)濟性

經(jīng)濟性是替代燃料與技術(shù)在船舶應(yīng)用時需要重點考慮的問題，也決定了船東對于替代燃料與技術(shù)的接受程度。經(jīng)濟性主要包括初始投資與運營成本兩方面，初始投資是指替代燃料動力系設(shè)備購買及改裝等初期投入成本，運營成本是指替代燃料動力系統(tǒng)運營過程中的燃料及維護保養(yǎng)等成本費用。各種船舶替代燃料與技術(shù)由于技術(shù)成熟度、燃料可獲得性、基礎(chǔ)設(shè)施完善程度等不同，初始投資與運營成本也存在較大差異。LNG、LPG、甲醇由于技術(shù)成熟度較高，其經(jīng)濟性相對較高。其中，LNG由于系統(tǒng)低溫要求較高，其系統(tǒng)的初始投資高，目前經(jīng)濟性低于LPG與甲醇。但LNG動力應(yīng)用較為成熟，未來隨著市場的興起，其經(jīng)濟性將進一步提升。其他替代燃料與技術(shù)由于在技術(shù)成熟度、燃料可獲得性、基礎(chǔ)設(shè)施等方面的限制，經(jīng)濟性相對較低。

8、綜合評價

上述從價格、基礎(chǔ)設(shè)施、法規(guī)、可獲得性、環(huán)保效果、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟性七個方面對各種替代燃料與技術(shù)在船舶應(yīng)用的潛力進行了對比分析，下面將從整體上對各種替代燃料與技術(shù)的應(yīng)用潛力進行評價（見表5，根據(jù)各方面的應(yīng)用潛力分為1～5分五個級別進行打分評價，以船用燃油作為對比評價的基準參考）。

上述的對比評價是基于對各種替代燃料與技術(shù)近期（2025年前）的燃料價格、基礎(chǔ)設(shè)施、法規(guī)、技術(shù)等方面發(fā)展情況的判斷做出的，未來隨著國際排放控制要求的嚴格、技術(shù)的發(fā)展成熟以及能源市場結(jié)構(gòu)的調(diào)整等變化，各種替代燃料與技術(shù)的船用潛力也將發(fā)生變化?；谏鲜雠袛?，我們得出了以下結(jié)論：

短期內(nèi)，LNG、LPG、甲醇的船舶應(yīng)用可行性較高，其中LNG是最具應(yīng)用潛力的替代燃料。國際能源市場的調(diào)整為LNG的應(yīng)用帶來了充足的燃料來源與價格優(yōu)勢，同時近幾年LNG動力技術(shù)的應(yīng)用與基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展也為LNG的船舶應(yīng)用打下了基礎(chǔ)，可以預(yù)見未來LNG動力的發(fā)展將對傳統(tǒng)的燃油動力構(gòu)成威脅。LPG、甲醇雖然已經(jīng)實現(xiàn)了實船應(yīng)用，但是應(yīng)用的場景相對有限，主要集中在專業(yè)運輸船舶（如LPG、甲醇運輸船）或者近海小型船舶，加之其可獲得性與基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的限制，與LNG相比船用潛力較低，應(yīng)用范圍相對有限。

長期來看，IMO已經(jīng)通過了2050年將航運板塊的二氧化碳總排放量削減50%的溫室氣體減排目標，未來必將出臺更加嚴格的具體減排措施與要求，LNG、LPG、甲醇的二氧化碳減排能力較為有限，其船舶應(yīng)用的可行性將降低，而隨著技術(shù)的發(fā)展成熟，具有良好的二氧化碳減排能力的生物燃料、氫燃料、電池動力以及燃料電池的應(yīng)用可行性將提升。生物燃料與氫燃料可利用現(xiàn)有的燃油或LNG動力系統(tǒng)，對于船舶的改裝較少。電池動力與燃料電池將改變傳統(tǒng)的內(nèi)燃機動力模式，促進船舶全電力推進的發(fā)展，有利于智能船舶技術(shù)的發(fā)展。但是，電池容量與壽命是電池動力與燃料電池船舶應(yīng)用的最大障礙，還需要技術(shù)的發(fā)展與突破。