汪穎異 杜 亮 金 強

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引言

從2023 年1 月1 日開始，營運碳強度（carbon intensity indicator,CII）和現(xiàn)有船舶技術能效（energy efficiency existing ship index,EEXI）正式生效[1]。5 000 總噸以上的船舶將需要每年度評估CII，預計采用年度能效比（annual efficiency ratio,AER）作為指標。每艘船所達到的CII 值將與按溫室氣體減排目標指定的CII 規(guī)定值進行比較，按照其達標情況，船舶將會被給予A 到E 的評級，評級為D 和E的船舶將需要實施能效改進措施。歐洲碳邊界調整機制（碳關稅）將于2023 年10 月1 日正式生效，涵蓋鋼鐵、水泥、電力、化肥和鋁這5 個行業(yè)[2]。航運業(yè)納入歐盟碳交易體系的立法方案已在2023 年2 月初步確立，將逐年提高行業(yè)需清繳的碳排放量，從2024 年的40%逐年提高到2026 年的100%，涉及歐洲航線的航運公司在2025 年9 月30 日前需要真正繳納航運碳稅[3]。因此，替代燃料動力船愈發(fā)受到船東歡迎。2022 年新船訂單中，替代燃料動力船占44.5%[4]，遠高于2021 年的27.6%。

航運業(yè)巨頭（如馬士基、達飛等公司）已率先制定了未來的脫碳規(guī)劃?，F(xiàn)階段馬士基專注于甲醇在船上的應用，2022 年訂造的集裝箱船全部可用甲醇動力，且其在綠色甲醇供應鏈方面也已經(jīng)布局，目前已與Reintegrate、European Energy、?rsted 等7家公司簽訂綠色甲醇供應協(xié)議。達飛創(chuàng)立了1 個能源基金，從2022 年開始，計劃5 年內投資15 億美元，用于研發(fā)生物燃油、生物甲烷、電化甲烷、碳中和甲醇及其他替代燃料，其近2 年訂造的船也以液化天然氣（liquified natural gas,LNG）動力和甲醇動力為主。LNG 和甲醇是目前市場上相對成熟的替代燃料，但在三大主力船型中主要應用于集裝箱船和油船，在低附加值的散貨船上應用較少。

船東對替代燃料的選擇考慮多種因素，如燃料供應鏈、存儲環(huán)境、能量密度、燃料價格、船舶初投資、營運成本，以及主機、燃料供應系統(tǒng)等船上設備的成熟度等情況。本文將從替代燃料船舶的經(jīng)濟性角度著眼，采用總擁有成本分析法[5]，通過比較，極低硫燃料油（very low sulfur fuel oil,VLSFO）、生物柴油、LNG、綠色甲醇、綠氨等5種相對熱門的燃料應用于散貨船的經(jīng)濟性，判斷替代燃料對散貨船船東的吸引力。

1 現(xiàn)階段散貨船脫碳方式

節(jié)能減排方式主要有2 種，分別為型線優(yōu)化、水動力節(jié)能、加裝氣泡減阻等傳統(tǒng)方式，以及使用LNG、生物燃料、甲醇、氫、氨等低碳/零碳燃料的方式[6]。LNG 是目前最成熟的船舶替代燃料，在散貨船上也有一定應用，即便其是三大主力船型中最晚也是最少使用LNG 燃料的船型。據(jù)IHS 公司的數(shù)據(jù)統(tǒng)計[7]，截至2023 年4 月，全球共有63 艘LNG 動力散貨船，船型集中于紐卡斯爾型和好望角型這類大型散貨船中，其中27 艘待交付。全球主要船東的LNG 動力散貨船訂單情況如表1 所示。

表1 全球主要船東LNG 動力散貨船訂單情況

為了不使燃料艙的增加對貨艙產(chǎn)生影響，有船東選擇將LNG 燃料艙布置在甲板上。H-Line 公司已交付的18 萬載重噸HL Green 號LNG 動力散貨船（圖1）便將2 個1 600 m3的LNG 燃料罐布置于船尾甲板[8]。此種布置方式不僅縮小了生活區(qū)，給船員生活帶來不便，并且存在一定的安全隱患。運營散貨船的輪機管理員需參加培訓且具備液化氣管理培訓證書，這也增加了船東的運營成本。此外，LNG 動力系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)等與燃料相關設備的應用，均會導致船舶建造成本增加。上述因素都會影響到散貨船船東應用LNG 的積極性。

目前，常石造船、揚子江集團等已獲得甲醇動力散貨船的訂單[9]，主要集中于卡姆薩爾型中型散貨船。從燃料儲存角度看，甲醇比LNG 更適用于船舶，但受限于綠色甲醇供應鏈薄弱和較低的能量密度，甲醇動力目前來看可能難以廣泛使用。

2 碳捕獲系統(tǒng)在散貨船上的適用性分析

預計應用于航運的零碳燃料（如綠氫/綠氨）、碳中和燃料（如綠色甲醇）目前供應鏈還不成熟，成本較高。中長期內，低硫油、LNG 等燃料仍然會大規(guī)模應用于航運，碳捕獲系統(tǒng)可在脫碳上發(fā)揮重大作用。

二氧化碳的分離和捕獲可分為燃燒前和燃燒后[10]。燃燒前捕獲利用重整將氣體分成氫氣和二氧化碳，該工藝可將含碳燃料轉化成氫氣用于氫燃料電池中；燃燒后捕獲是捕獲并存儲廢氣中的二氧化碳。用液態(tài)胺吸收二氧化碳的后端捕獲系統(tǒng)包含捕獲裝置、液化裝置和儲罐，如 圖2 所示[10]。

圖2 二氧化碳捕獲系統(tǒng)

船端安裝二氧化碳捕獲系統(tǒng)需要考慮二氧化碳儲罐的存儲空間（目前放置在甲板上的居多）、額外能耗、儲罐布置對船體強度的影響以及二氧化碳上岸用途等因素。馬士基零碳航運中心對應用低硫油和甲醇的20.5 萬載重噸散貨船安裝碳捕獲系統(tǒng)的情況進行了研究[11]，安裝捕獲率為50%的捕獲系統(tǒng)需2 個1 200 m3的儲罐，儲罐布置在上層建筑兩側，總布置圖如圖3 所示[11]。該散貨船航行于澳大利亞—日本航線。二氧化碳捕獲系統(tǒng)成本占船舶建造成本的41%，船端二氧化碳降低43%，但也造成了16%的額外能耗，還損失了1 500 t 的載貨量。若捕獲率高達90%，則難以布置在甲板上，因布置后將會損失1 個貨艙，這對船東來說難以接受。捕獲的二氧化碳如何處理，也是船東安裝碳捕獲系統(tǒng)所必須考慮的問題之一。二氧化碳可埋藏于地底，也可對外售賣。售賣或許可為船東獲得額外收益，但船端捕獲的二氧化碳成本較高，難以出售，且相關的物流環(huán)節(jié)也較繁復，二氧化碳去向這一環(huán)節(jié)較難打通。不過，對于擁有燃料供應鏈的大船東來說，將二氧化碳作為甲醇的原料，仍不失為一種較好的選擇。

圖3 安裝碳捕獲系統(tǒng)的20.5 萬載重噸散貨船總布置

對于散貨船這類對貨艙容積及成本增加較敏感的船型，較難大規(guī)模采用在船上布置二氧化碳捕獲系統(tǒng)的脫碳方式。

3 替代燃料應用在散貨船上的經(jīng)濟性比較

本文以20.5 萬載重噸的紐卡斯爾型散貨船為例，分析比較應用低硫油+碳稅、生物柴油+碳稅（對于不同原料種類及加工工藝對應不同的溫室氣體減排值，這里假設原料為葵花油，減排52%[12]）、LNG+碳稅、灰甲醇+碳稅、綠甲醇、綠氨這6 種情況的經(jīng)濟性，以此為指標得出散貨船的碳減排方式。

3.1 基礎參數(shù)及假定

該20.5 萬載重噸散貨船的典型航線為澳大利亞紐卡斯爾港—日本大阪港，航行距離4 153 n mile，其船型參數(shù)如表2 所示。

表2 20.5 萬載重噸散貨船船型參數(shù)

假設正常航行平均航速為13.5 kn，單航次航行耗時35.8 d，其中包含進出港、港內等待、港內裝卸貨和正常航行這4 個階段的耗時，如表3 所示。

表3 單航次航行耗時

低硫油主機型號為G70ME-C9.5，在13.5 kn 營運航速下的主機功率為11 035 kW，根據(jù)MAN 關于該機型的報告，可以得到在100%和75%工況下燃油消耗率分別為167 g/（kW·h）和163 g/（kW·h）。生物柴油特性與化石柴油類似，可直接應用G70ME-C9.5 主機。LNG 雙燃料主機型號為G70MEC9.5-GI，在100%和75%工況下燃油消耗率分別為141 g/（kW·h）和135 g/（kW·h）[13]，甲醇和氨主機的燃油消耗率根據(jù)其最低熱值換算。

低硫油、甲烷、甲醇和氨的低位熱值及相應主機在75%和100%工況下的燃油消耗率如表4 所示。查詢IHS 中關于該船的參數(shù)，該船的輔機功率為920 kW。

表4 6 種燃料的低位熱值及相應主機的燃油消耗率

燃料費是不同燃料動力方案經(jīng)濟性對比最為重要的影響因素?？刹樵兊?021 年7 月大阪港的低硫油加注價格為每噸445 美元[14]，暫未查詢到該港口LNG 的加注價格。本文采用2023 年4 月24 日鹿特丹的LNG 加注價格，為每噸846 美元[15]。綠氨和綠甲醇目前尚未形成規(guī)?；瑫簾o市場價。

據(jù)畢馬威預測，2030 年綠氨將具備商業(yè)化能力，生產(chǎn)的最低成本約為每噸475 美元[16]，從生產(chǎn)端到加注端會涉及燃料運輸、分銷以及過程中相關的基礎設施。因此，假設綠氨加注價格為生產(chǎn)成本的2 倍，即950 美元/t。

據(jù)國際可再生能源機構（international renewable energy agency,IRENA）預測，2050 年綠甲醇將具備商業(yè)化能力，生產(chǎn)成本為每噸250～ 630 美元[17]，這里假設為每噸630 美元；同樣，假設綠甲醇加注價格為生產(chǎn)成本的2 倍，即每噸1 260 美元。

生物柴油作為船用燃料目前僅為試點，并無加注價格。據(jù)研報分析，2021 年中國生物柴油每噸均價為8 740 元[18]，本文假設該價格為加注價。

Methanex 公司公布了2023 年6 月份中國灰甲醇的合同價為每噸330 美元[19]，假設該價格為加注價。本文同時考慮了應用常規(guī)燃料交碳稅的情況，并據(jù)路透社預測，2025 年歐洲碳稅為每噸102.24 歐元[20]。文中應用的燃料費用和碳稅如表5 所示。

表5 文中應用的燃料費和碳稅 美元

3.2 20.5萬載重噸散貨船建造和運營成本

據(jù)IHS 公司官網(wǎng)查詢，常規(guī)燃油動力的20.5萬載重噸散貨船造價為7 300 萬美元。由于生物柴油的黏度比化石柴油大，且高濃度的生物柴油可能會導致系統(tǒng)部件的腐蝕[21]，因此需根據(jù)生物柴油的混合比例對船舶進行適當改造，本文假設應用其他燃料的船舶造價與應用常規(guī)燃油的船舶一致。

由于LNG 需在-163 ℃超低溫儲存，圍護系統(tǒng)往往采用成本較高的薄膜型、B 型或C 型艙，其動力系統(tǒng)成本也較高，故整船船價高于其他動力的散貨船，本文假設溢價20%。甲醇可常溫常壓儲存，對燃料艙的要求比LNG 和氨低很多，其動力系統(tǒng)的成本低于LNG 和氨，本文假設溢價15%。氨需在-33 ℃條件下儲存，通常采用C 型艙，假設其溢價在LNG 動力和甲醇動力之間，為17%。各動力的散貨船船價如表6 所示。

表6 各類動力20.5 萬載重噸散貨船船價

運營成本通常包括燃油費、港口費、船員工資、管理費、主機/輔機維修保養(yǎng)費、保險費和碳稅，其中船員人均年薪假定為3 萬美元，管理費取船員 資的25%；主機和輔機的保養(yǎng)周期假設為1 000 h、大修周期為25 000 h；保養(yǎng)費取主機/輔機初投資的1%，大修費用取初投資的30%；保險費假設為船舶造價的1%。

6 種動力船的成本預估如圖4 所示。

綠甲醇和綠氨動力船的年營運成本非常高，在該碳稅下，采用綠甲醇或綠氨沒有優(yōu)勢。盡管灰甲醇價格低于低硫油，但由于甲醇體積能量密度低且采用灰甲醇仍有碳排，灰甲醇動力船的年營運成本仍高于常規(guī)燃料油動力船。

3.3 不同燃料方案經(jīng)濟性評估

6 種動力船的油耗及碳排放量數(shù)據(jù)如下頁表7所示。從二氧化碳的排放量來看，常規(guī)燃料方案無疑排放量最大。LNG 的二氧化碳減排為25%左右，生物柴油的二氧化碳排放比傳統(tǒng)燃油低了52%，因此LNG 和生物柴油屬于脫碳的過渡燃料。采用灰甲醇船端減排僅11%左右，考慮碳稅后，其成本仍高于常規(guī)燃料油，故幾乎沒有優(yōu)勢。真正實現(xiàn)碳中和或者零碳，還是需采用綠甲醇或者綠氨作為動力。

表7 6 種動力船的油耗及碳排放量情況

未來對于碳排放量較高的船舶，碳稅是調節(jié)能源結構的手段之一。在2025 年碳稅102.24 歐元/t情況下，采用常規(guī)燃料油從成本角度仍有最大優(yōu)勢，其增加的貨物成本僅為1.3 美元/t；若采用綠甲醇，則增加的貨物成本為7.6 美元/t；采用綠氨，則增加4.6 美元/t。如若采用綠甲醇和綠氨的方式，碳稅需分別增加到692 美元/t 和439 美元/t，與常規(guī)燃料油相比才有競爭力。

由于甲醇和氨較低的體積能量密度，其所占燃油艙的體積是常規(guī)燃油的2～ 3 倍，故會導致艙損。此外，盡管綠甲醇和綠氨可認為接近于無二氧化碳排放，但即使考慮碳稅后，傳統(tǒng)燃油動力船的營運成本仍遠低于甲醇/氨動力船，這是由于目前LNG 加注價格較高，即使采用LNG 比傳統(tǒng)燃油更節(jié)能，LNG 動力船的營運成本仍高于傳統(tǒng)燃油動力船，且LNG 仍有碳排，考慮碳稅后將導致其成本進一步增加。生物柴油由于生物質收集困難、成本較高，最終導致營運成本高于常規(guī)燃料和LNG。對于散貨船來說，僅從經(jīng)濟性角度考慮（碳排因素已通過經(jīng)濟手段進行了主動補償），采用常規(guī)燃料油似乎更為合適。

4 結語

燃料的減排能力、燃料價格、燃料儲存條件、船端技術成熟度以及船端經(jīng)濟性等是替代燃料應用于船舶的主要考慮因素，這些因素對于散貨船的影響如圖5 所示。

圖5 各燃料對散貨船影響雷達圖

對于散貨船這類低附加值船型來說，單航次的燃料消耗并不大，“常規(guī)燃料油+碳稅”的方式或許更加適用。安裝碳捕獲系統(tǒng)也可實現(xiàn)脫碳，但即使捕獲50%的二氧化碳，也將額外造成16%的能耗，且二氧化碳儲罐的布置可能會造成艙損，而且捕獲而得的二氧化碳如何處理也將是一大難題。

對散貨船而言，或將不得不考慮傳統(tǒng)的節(jié)能方式而非采用替代燃料或加裝碳捕獲系統(tǒng)，若面臨極為嚴格的脫碳要求，則采用交碳稅的方式獲得航行許可。不過，如若長此以往，散貨船的CII 評級將必定落入E 級。盡管目前還未對不遵守CII 規(guī)定的船舶出臺正式制裁規(guī)定，但考慮到極端情況下，未來可能不允許該類船舶航行，屆時，散貨船將不得不考慮采用清潔燃料。