船舶推进系统革命是碳减排的必然选择

国际海事组织（IMO）温室气体初步战略于2018年通过，针对船舶运输行业设置了雄心勃勃的减排目标：以2008年全球温室气体作为基准，到2050年减少50%（碳排放减少70%）。这一目标的设置，充分展示了国际海事组织在实现全球温室气体减排方面的担当，同时也对航运发展形成较大的影响。为进一步推动航运减排的实施，国际航运公会(ICS)于2020年11月发布了《促进第四次推动系统革命》的报告,其中阐述了加速技术研发，推动船舶推进系统革命来实现2050年零碳航运的迫切性，同时该报告还认为推进系统革命是实现IMO碳减排目标的必然途径，笔者就此利用SWOT模型，结合该报告开展分析如下：

一、优势

1、统一的政策引导

国际海事组织（IMO）作为全球航运的监管机构的领导作用，其权威性得到充分认可。其制定的初步战略得以通过，一方面彰显了IMO在引领航运全球规范中的地位，另一方面也说明了IMO设置的减排目标得到了各成员国的普遍认可。这些相关的规范性文件的通过和实施，以及IMO采取的一系列后续行动，为实现减排目标在全球政策上铺平了道路。此外，2020年8月的IMO最新研究表明，2018年的碳排放量较2008年减少了7%。考虑到2008年到2018年期间海上贸易量增加了40%，这些减排代表着全球航运30%的碳效率提升。得益于近些年采取的临时措施，包括提高船舶设计、提升运行能效、采用低碳排放燃料如LNG等，这些减排充分彰显了航运界对于IMO减排措施的适应性和主动性。

2、改变现有推进技术的必然性

众所周知，目前绝大多数船舶使用的推进系统是柴油机推进系统，其燃料为重质燃料油或者柴油。如果没有对现有船舶推进系统进行大幅度改造的情况下，现有的推进系统无法使用目前已经识别的一些零碳燃料，如氢气、氨等。但考虑到船舶的使用寿命一般为20～25年，这部分现有船舶在达成2050年目标之前将开始进入逐步淘汰的过程。

与此同时，航运界充分认识到，如果要实现IMO制定的50%的温室气体减排目标，依靠现有手段和措施是无法达成的。即使保守考虑全球贸易的增长速度，到2050年实现50%的减排目标，意味着全球船队的碳效率需要提高90%，这是传统石油制品无法达成的目标。这就迫切需要大范围使用零碳燃料，来实现碳效率的提高。并且，如果一旦促成零碳燃料的广泛使用，航运业100%的碳减排也是可以快速实现的。

3、航运界的统一行动将加速减排政策实施

为了推动实现零碳航运的研发进程，航运界在2019年12月向IMO提出了成立一个非政府研究和发展组织——海事研究与发展委员会（IMRB）的建议。该组织成立的目的就是希望在IMO的监管之下，协力开展碳减排技术的研究和发展，以帮助航运界尽早实现IMO碳减排目标。目前该建议已经得到了很多政府的支持，预计将在2023年以MARPOL公约修正案的形式得以通过。如果该建议得以通过，IMRB将对航运企业消耗的每吨燃油收取2美元的强制研发税，在10年期间形成50亿美元的核心资金，以保证全球研发项目的协力推进。

二、不足

1、需要巨大的研发投入

零碳技术目前尚未形成规模，尚不能用于大型远洋船舶。而且目前的燃料，如氨、氢气和电池系统需要大量的研发。陆基燃料处置和供应基础设施，培训项目，安全程序。这些工作，对于依赖于石油的航运产业及其相关产业，其中很大部分都是中小型企业，无法完整独立实施整个工作。而且，航运公司是运输公司，其着重点不是技术研发。尽管其可以支持研发但无法引领，这需要整个航运及相关行业的共同努力。

燃烧零碳燃料的推进系统与目前主流的柴油机推进系统大有不同，这就需要对船舶推进系统进行革命性的设计和更新，以满足零碳燃料的使用安全、储存等需要。

根据业界推测，预计将需要花费大约1万亿美元才能实现2050年的碳减排目标。IEA在2018年投入研发的资金就高达1.85万亿美元。

2、低能量密度燃料挤占大量货物空间

在20世纪，船舶主要依靠内燃机和蒸汽涡轮作为船舶动力装置输出推动，使用了大量的石油燃料，从而导致大量的碳排放。这类燃料的能量密度大，易于使用，是石油的主要优势。最大的不足就是在其生产或者燃烧过程中会产生大量的二氧化碳。对于船东而言，为了实现零碳运输，必须同时考虑燃料和推动技术。

目前可以实现零碳运输的技术，其规模尚不能满足国际航运的广泛使用，特别是对于航程超过1万公里的跨洋运输业务。大型远洋船舶通常航程都数千公里，总吨30万吨左右，船舶的航行一方面需要大量的能量，同时需要储存大量的燃料。一艘大型集装箱每日需要消耗20万升燃油，并且携带超过1千万加仑的燃油储备。而目前的公认的零碳燃料，如氨和氢气的能量密度均不足传统燃油的一半，这意味着采用这些零碳燃料的船舶，其燃料储存至少要扩大一倍以上。这将极大挤压货物运输的空间。

利用电池驱动船舶引擎，目前尚处于起步阶段。但化学和技术的进步最终将能满足远洋船舶的动力需求。这同样面临着巨大的挑战，一艘大型集装箱每天需要1万块特斯拉S85电池提供动力，一周就需要7万块。航运业去碳化面临这巨大的挑战。

3、高运输成本

丹麦一家催化剂公司预测到2025 年环保氨的成本约为21.50～45.70美元每十亿焦耳，到2040年下降到13.50～15.00美元每十亿焦耳。相比较而言，目前的燃油约为12.50～15.00美元每十亿焦耳。对于以经济效益著称的航运而言，燃料成本的上涨无疑将是一个巨大的挑战。

4、多元化零碳燃料的选择困难

选取适合船舶的最佳低碳或者零碳燃料，将考虑众多的因素，包括能量密度，是否环保，对新推进系统的需求，以及全球燃料补给基础设施情况等。如果考虑到这些因素，对于不同的航线，不同尺度的船舶，会基于需求开展最优的选择。例如，一些短途的近岸运输，可以选用燃料电池或者电池组作为动力能源。而对于跨洋航行的大型船舶而言，可能需要选择氨或者氢作为燃料。

可以预测到的是，未来航运业不会使用单一种类的零碳燃料，也不会存在单一种类的推进系统。零碳燃料的多元化，为航运业提供了多种选择的同时，也为技术的研发提供了更多的尝试方向。由国际航运协会（ICS）开展的报告表明，目前存有的200多个早期阶段研发项目，能形成20种可用于船舶的演示项目。这些技术对于航运业的需求而言，处于萌芽发展状态，还停留在实验室阶段，而且需要很长的时间才能商业应用。而且演示项目能否全面满足实际需求，还需要开展全面的研究才能确定。这也意味着更大的技术研发投入。

5、零碳燃料的产能不足

根据英国皇家学会的研究，250千兆瓦的再生能源产生的环保氨，仅能满足全球三分之一船队的需求。如果全部船队都使用氨的话，大概需要750千兆瓦的电力，这占到目前全球再生能量产量的60%。

三、机遇

近些年，国际上在零碳燃料和推进系统方面的研究也取得了明显的突破，为航运的转变和全球供应链的去碳铺好了道路。目前一些国际组织（例如国际能源署）列出了一些潜在可行的零碳排放燃料，如可以用于跨洋运输的氨和氢气，可以用于短途近岸运输的电池或燃料电池，具体例举如下：

环保氨是最有前景的低碳排放燃料，IEA预测，到2070年航运消耗的氨将达到1.3亿吨，约为2019年全球化肥用量的两倍。氨燃烧唯一释放出的温室气体就是氮氧化物，这可以通过安装催化系统，例如选择性催化减排技术（Selective Catalyst Reduction），消 除氮氧化物的排放。使用氨作为替代燃料又很多的好处，最明显的就是可以使用内燃机。目前MAN energy solutions 已经计划在2024年推出首款商用使用氨燃料驱动的引擎。

氢燃料驱动的船舶也在顺利研发之列：比利时航运公司CMB和ABC合作研发出全球首台双燃料（氢气和柴油）引擎。该项目被称为Behydro，研发出的引擎能够提供10兆瓦的动力。目前该项目已经收到首个订单，将于2021年第二季度交付用于安特卫普港口的拖轮上。

目前纯电力船舶仅能用于短途航行。取得高能量密度是能否使用的关键。电动汽车行业早已经开始研究，提高电池的能量密度。目前特斯拉Model 3电动汽车使用的电池的能量密度为250wh/Kg。一些公司认为将很快实现1000wh/kg的能量密度。航运业会成为电动汽车行业的受益者。

核燃料技术上已经完全可以用于商船，达到彻底消除二氧化碳排放的目标。仅需要一个小小的反应堆，可以使用很多年，免除了加注燃料和携带燃油的需求。俄罗斯在近北极地区成功运营着数艘核动力的破冰船。

燃料电池可以为短途航行的、船舶提供动力，或者为大型船舶提供辅助性能量。

风力作为航运业最为古老的驱动方式。对于现代化船舶而言，单独利用风力驱动船舶已经不现实，风力可以用于起到辅助推动作用，在某些航线上甚至可以作为主要推进系统。目前的风力能提供5～10%的船舶能量需求。

四、影响

1、零碳化的考虑

在上文提及的几种零碳燃料中，氨和氢气，燃料本身可以做到零碳排放。但如果燃料的生产过程不能做到零碳，在生产环节产生大量的碳排放，对于全球温室气体减排的控制是起不到实质意义的。

目前全球广泛生产的氨，主要用来生产化肥，且其主要通过加工天然气或者石油气生产得到，在生产过程中会产生大量的碳排放。同样，现在市场上销售的多数商用氢气乙来自石油，在其生产过程中产生大量的碳排放。

氨可以利用再生能量合成氢气和氮气产生，而不会产生碳排放。环保氨可以利用再生能量合成氢气和氮气产生，同样不会产生碳排放。目前正在开展的研究，计划使用热化学手段利用水产生绿色氢气。

2、港口加注设施是否完备

除使用核燃料外，船舶具备有限的续航里程，需要在不同的国家和地区的港口进行补给。港口补给设施的完备与否、补给设施的标准统一与否，都直接关系到船舶获取燃料补给的可能性。试想一下，一艘使用氢燃料的船舶大不可能达到一个只供应氨燃料的港口开展作业。

3、燃料使用安全

在大规模使用石油制品的航运时代，燃油使用的技术和流程已经非常成熟，但安全问题尚时不时发生。如果开始使用氨和氢气等零碳燃料，这些燃料本身所具备的化学性质与传统燃油存有很大不同，船上存储和使用的安全尤显得重要，特别是在船舶机舱这个相对较小的空间内，会产生多大的风险尚未可知。

根据其理化性质，氨是IMDG中列明的2.3类有毒气体，属于易爆的高危险品，必须以溶液形态储存，其储存和供给网络必须安全可靠，防止氨的有毒性；氢，是一种极易燃料的气体，需要超低温高压储存。IEA认为，作为船用燃料，特别是对于大型船舶，考虑到氢气较高的存储成本和低能量密度。氢气作为燃料的可行性尚不如氨。

4、船舶运力的影响

氨能量密度相对较低，仅为传统燃油的一半，意味着在同样的运输状况下，需要携带传统燃油的两倍数量。氢气的能量密度相对较低，同等单位的液态氢的能量不足传统燃油的一半。而且需要液化加压储存，作为燃料而言，其储存和运输存有一定的技术需求。

5、船舶保安考虑

一艘大型船舶，本身携带大量的燃油，如果一旦产生故意破坏等行为，有可能对生命、财产造成巨大的影响。如果携带危险性更高的氨和氢气等燃料，其危险性将会更高。特别是核燃料船舶，虽然在俄罗斯的北极区域进行运营。鉴于全球对于核燃料的敏感性，如果核燃料用于大型跨洋运输船舶，基于安保的考虑，船舶跨国进港的可能性几乎为零。

航运零碳化是一个必然的趋势，与之关联的船舶推动技术也必然需要跨越式的改革。ICS秘书长盖·普拉滕(Guy Platten)表示：如要实现航运业目前的二氧化碳减排目标，就必须在脱碳技术上实现一次重大飞跃，类似于一个世纪前从帆船到蒸汽船舶的转变。在IMO碳减排目标下，继风力、蒸汽和石油之后，零碳燃料的使用必然催发第四次推进系统革命。

零碳技术及零碳推进系统需要政府的支持，促成IMRB建议得以尽快通过，从而尽早为零碳燃料和零碳推进技术研发提供有力的政策和资金支持，同时航运界也需要投入到零碳技术的研发之中，争取在2030年引入零碳技术船舶，并逐步在未来数十年内替代掉现有船舶，从而实现碳减排目标甚至实现零碳航运。