崇明海事局 鄢和誠(chéng) 李 偉

在全球溫室氣體減排達(dá)成共識(shí)的大背景下，船舶如何減排已逐漸成為海運(yùn)業(yè)的熱議話題。如何擺脫化石燃料？國(guó)際航運(yùn)公會(huì)ICS曾提供了一份名為“催化第四次動(dòng)力革命”的報(bào)告。為幫助船舶脫碳，以實(shí)現(xiàn)IMO溫室氣體減排初步戰(zhàn)略確定的減排目標(biāo)，該報(bào)告介紹了包括使用氨、氫、電池等零碳或低碳燃料和技術(shù)。報(bào)告認(rèn)為，船舶要徹底脫碳并實(shí)現(xiàn)IMO制定的溫室氣體減排目標(biāo)，就需要進(jìn)行第四次動(dòng)力革命。本文將以該報(bào)告為基礎(chǔ)，并結(jié)合當(dāng)前已有研究和市場(chǎng)情況，對(duì)上述零碳或低碳燃料進(jìn)行解讀。

氨

目前，氨被認(rèn)為是最有前途的船舶低碳燃料之一。氨很容易液化和儲(chǔ)存，其原材料主要是水或化石燃料，分布廣泛，價(jià)格低廉，生產(chǎn)技術(shù)也比較成熟。據(jù)國(guó)際能源署IEA預(yù)測(cè)，到2060年將有60%以上的新船使用氨或氫燃料。

圖1 氨燃料動(dòng)力拖船概念圖

此前，氨一般是由化石燃料制成，被廣泛用于化肥工業(yè)。在生產(chǎn)氨的過(guò)程中會(huì)排放出大量的碳，約占全球總排放量的1.8%。為實(shí)現(xiàn)真正的零碳排放，我們可以對(duì)氨的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行脫碳，此舉也稱為“綠色制氨”?！熬G色制氨”的一種方法是使用可再生能源氫氣和氮?dú)膺M(jìn)行反應(yīng)生成氨，整個(gè)過(guò)程不釋放任何碳。另一種則是收集氨生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體并將其埋在地下巖石中。通過(guò)安裝催化系統(tǒng)，氨燃燒產(chǎn)生的唯一溫室氣體氮氧化物也可以被消除。

然而，氨用作燃料時(shí)必須作為液體進(jìn)行儲(chǔ)存，同時(shí)也需要有能夠安全處理這種毒性燃料的加注系統(tǒng)。此外，氨的能量密度比柴油更低，相比柴油燃料船舶，氨燃料船舶必須攜帶兩倍以上的燃料量才能行駛相同的距離。根據(jù)韓國(guó)向IMO貨物和集裝箱分委會(huì)（CCC）第7次會(huì)議提交的報(bào)告顯示，若要使用氨作為燃料，還需要解決其他安全性和可用性等方面的問(wèn)題。例如，氨一般具有毒性和腐蝕性，需要制定特殊的安全標(biāo)準(zhǔn)；與其他燃料相比，氨的燃燒性也較差，很難點(diǎn)燃且燃燒速度慢；氨與石油、氯氣等燃料混合，或者與金、汞等重金屬反應(yīng)時(shí)，容易引起爆炸；此外，未燃燒的氨還會(huì)與船體表面附近的水汽發(fā)生反應(yīng)，容易腐蝕船體；對(duì)氨的燃燒過(guò)程控制不當(dāng)，還可能導(dǎo)致更高的氮氧化物排放等。

目前，包括中國(guó)、日本、韓國(guó)和歐洲等都已開始布局氨燃料船舶的研發(fā)，我國(guó)前期主要聚焦于船型的研發(fā)，上海船舶研究設(shè)計(jì)院、大連船舶重工集團(tuán)、江南造船等企業(yè)先后分別推出氨燃料散貨船、集裝箱船以及液化氣船的設(shè)計(jì)；日本主要聚焦產(chǎn)業(yè)鏈的布局，今治造船、日本郵船等企業(yè)先后啟動(dòng)研發(fā)項(xiàng)目，旨在構(gòu)建包括船舶建造、設(shè)備研發(fā)、燃料裝卸等為一體的全產(chǎn)業(yè)鏈；相比于其他國(guó)家，韓國(guó)還關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定，韓國(guó)船級(jí)社已于2021年1月發(fā)布了《氨燃料動(dòng)力船舶報(bào)告》；而歐洲則主要聚焦于氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，曼恩和瓦錫蘭等企業(yè)計(jì)劃在2024年左右推出氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

氫

氫作為燃料很有吸引力，因?yàn)樗谑褂脮r(shí)不排放碳或其他污染物。氫氣具有清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)，其燃燒熱值也是除核燃料之外所有化石燃料和生物燃料中最高的。目前，大多數(shù)可買到的氫氣都是由化石燃料制成的，其生產(chǎn)過(guò)程會(huì)排放大量的碳。研究人員正在研究通過(guò)熱化學(xué)工藝從水中生產(chǎn)氫氣，實(shí)現(xiàn)真正的零碳排放。

圖2 世界上第一艘自主航行氫動(dòng)力船“Energy Observer”

圖3 世界上第一艘氫燃料拖船“HydroTug”

目前來(lái)看，氫燃料的在船應(yīng)用仍有一些問(wèn)題亟待解決。例如，氫的能量密度相對(duì)較低，需要液化并在壓力下儲(chǔ)存才能作為燃料，儲(chǔ)氫場(chǎng)所應(yīng)有適當(dāng)?shù)陌踩胧?，這給氫的運(yùn)輸和儲(chǔ)存帶來(lái)了挑戰(zhàn)；同一體積液氫提供的能量不到柴油的一半，因此需要兩倍多的空間來(lái)儲(chǔ)存；此外，氫還需要一個(gè)特有的加注設(shè)施。國(guó)際能源署也指出，由于氫的儲(chǔ)存成本高、能量密度低，其作為大型船舶燃料的作用比氨更為有限。

盡管如此，在實(shí)際應(yīng)用方面，氫比氨應(yīng)用得更早。2018年，豐田贊助的世界上第一艘自主航行氫動(dòng)力船“Energy Observer”下水，該船使用太陽(yáng)能、風(fēng)能和波浪發(fā)電，并且可以通過(guò)海水產(chǎn)生零碳?xì)渥鳛閯?dòng)力。比利時(shí)CMB航運(yùn)公司最近與ABC發(fā)動(dòng)機(jī)公司合作研發(fā)了世界上第一臺(tái)雙燃料氫-柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。Behydro公司開發(fā)出一種柴油-氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，功率高達(dá)10兆瓦。該公司已收到首個(gè)訂單，將2×2兆瓦雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在拖船“HydroTug”上。該船是世界上第一艘氫燃料拖船，將部署在安特衛(wèi)普港。

為實(shí)現(xiàn)真正的“零排放”和“碳中和”，現(xiàn)有的氫燃料制造商還可以通過(guò)收集儲(chǔ)存生產(chǎn)過(guò)程中排放的碳來(lái)生產(chǎn)“零碳”氫燃料。挪威Equinor公司已在開展世界上第一個(gè)規(guī)?；臍淙剂仙a(chǎn)項(xiàng)目，將天然氣與碳收集儲(chǔ)存結(jié)合起來(lái)生產(chǎn)氫。另一種生產(chǎn)碳中和燃料的方法是將氫與碳或氮一起進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，以生產(chǎn)氣體或液體燃料。這種碳基合成燃料的性質(zhì)類似于今天使用的化石燃料，但事實(shí)上，它們使用收集的碳意味著它們?cè)诩夹g(shù)上是碳中和的。

燃料電池

燃料電池可以為短途航行船舶提供動(dòng)力，也可以滿足大型船舶的輔助能源需求。除了可以作為燃料燃燒，氫也可以用在燃料電池中，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

目前，在船舶上使用電池為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的做法仍處于初級(jí)階段，隨著技術(shù)的發(fā)展，相信將來(lái)即使是大型遠(yuǎn)洋船舶也可以使用可再生能源電池提供動(dòng)力。但是，受電池能量密度所限，純電動(dòng)船舶一般僅適用于短途旅行。一艘典型的大型集裝箱船每天需要1萬(wàn)節(jié)特斯拉S85電池，這意味著它需要7萬(wàn)節(jié)電池才能航行一周。但是，得益于汽車電池技術(shù)的發(fā)展，相信這種情況很快就會(huì)改變。目前，研究人員已經(jīng)在研究如何將特斯拉Model 3的電池能量密度從當(dāng)前的250瓦時(shí)/千克提高至1000瓦時(shí)/千克。

在實(shí)船應(yīng)用方面，當(dāng)前歐洲已有超過(guò)50艘純電動(dòng)力船舶營(yíng)運(yùn)，除了純電動(dòng)力船舶外，一些船型較大的船舶采取柴電混合或“LNG+電”混合動(dòng)力技術(shù)來(lái)節(jié)省燃料消耗，降低廢氣排放量。我國(guó)也有電動(dòng)船舶項(xiàng)目的初步嘗試，例如廣船國(guó)際有限公司建造的2000噸級(jí)電動(dòng)自卸船，上海瑞華集團(tuán)改制的500噸級(jí)電動(dòng)貨船等。

圖4 2000噸級(jí)純電動(dòng)自卸船

風(fēng)能

風(fēng)能被認(rèn)為是海運(yùn)業(yè)最古老的推進(jìn)動(dòng)力?，F(xiàn)代商船不太可能完全用自然風(fēng)力作動(dòng)力，但仍可以利用風(fēng)力作輔助推進(jìn)，以此補(bǔ)充零碳燃料系統(tǒng)。盡管現(xiàn)有的風(fēng)電系統(tǒng)目前只能提供船舶所需能源的5%～10%，但這些系統(tǒng)可以進(jìn)一步優(yōu)化，其中風(fēng)電混合系統(tǒng)就是一個(gè)很有前景的發(fā)展方向。

圖5 “海翼”風(fēng)帆系統(tǒng)

圖6 采用旋翼帆技術(shù)的馬士基油船“MaerskPelican”

在技術(shù)研發(fā)方面，芬蘭制造商N(yùn)orsepower開發(fā)出一種旋翼帆技術(shù)，當(dāng)船舶安裝這種旋翼帆后，它會(huì)根據(jù)船舶的環(huán)境和運(yùn)行條件以不同速度旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生壓力差，推動(dòng)船舶前行。此外，法國(guó)Airseas公司研發(fā)的“海翼”（Seawing）風(fēng)帆系統(tǒng)也值得關(guān)注。據(jù)了解，“海翼”風(fēng)帆是以繩索連接船頭，面積可達(dá)1000平方米，且風(fēng)帆上安裝感應(yīng)器，實(shí)時(shí)收集和分析氣象和海洋數(shù)據(jù)，通知船長(zhǎng)揚(yáng)帆時(shí)機(jī)及順應(yīng)風(fēng)向的航行路線。當(dāng)不再需要拖曳時(shí)，風(fēng)帆也會(huì)自動(dòng)重新折疊并回收。

在實(shí)船應(yīng)用方面，2018年底，招商輪船公司成功下水了全球首艘裝備U型風(fēng)帆的30萬(wàn)噸級(jí)油船“凱力”輪；目前包括日本航運(yùn)巨頭川崎汽船在內(nèi)的多家航運(yùn)公司已與Airseas公司簽署“海翼”系統(tǒng)訂造協(xié)議；而Norsepower的旋翼帆技術(shù)現(xiàn)也已經(jīng)成功安裝在多艘大型客船、貨船和油船上，例如馬士基的成品油船“Maersk Pelican”、芬蘭Bore公司的滾裝船“MSEstraden”以及維京游輪的LNG動(dòng)力客船“Viking Grace”等。

圖7 俄羅斯核動(dòng)力破冰船“50年勝利”號(hào)

核能

相對(duì)來(lái)說(shuō)，核燃料的技術(shù)已比較成熟，可以很容易地應(yīng)用到商船上，徹底消除二氧化碳排放。它一般只需要一個(gè)小型的核反應(yīng)堆，就可以使船舶在若干年內(nèi)都不需要加裝燃料。目前，俄羅斯已在北極部署了多艘核動(dòng)力破冰船，比爾蓋茨所創(chuàng)辦的核能公司“泰拉能源”也于2020年宣布開展相關(guān)技術(shù)研發(fā)。然而，出于對(duì)安全和安保的擔(dān)憂，預(yù)計(jì)大多數(shù)政府在短期內(nèi)不大可能接受核燃料的廣泛使用。若想在商船上推廣核燃料，仍有很多工作需要做。

長(zhǎng)江新一代高端豪華游輪“長(zhǎng)江叁號(hào)”交付

2021年12月16日，由招商局郵輪制造有限公司為長(zhǎng)江海外游輪旅游有限公司建造的長(zhǎng)江新一代高端豪華游輪“長(zhǎng)江叁號(hào)”舉行了交船儀式。

“長(zhǎng)江叁號(hào)”游輪是招商局長(zhǎng)航集團(tuán)通過(guò)自主技術(shù)創(chuàng)新打造出來(lái)的長(zhǎng)江新一代高端豪華游輪，總長(zhǎng)149.99米、型寬23米、型深4.7米、設(shè)計(jì)吃水3米，可載客600人。絕大多數(shù)乘客可入住帶觀景陽(yáng)臺(tái)的奢華客房，游輪上設(shè)有影劇院、各類餐廳、露天水上樂(lè)園、兒童樂(lè)園、會(huì)議室等多種設(shè)施，主要運(yùn)營(yíng)區(qū)間為長(zhǎng)江風(fēng)光最雄奇秀麗的重慶至宜昌航段，集三峽風(fēng)光觀賞、休閑娛樂(lè)、會(huì)議、親子活動(dòng)等多種功能于一體，相當(dāng)于一座移動(dòng)式五星級(jí)酒店。