氢、氨和LNG之外的探索

本刊记者 赵 博

为满足航运碳排放控制要求，业界开展了一系列绿色船舶技术研究，零排放船舶是实现国际海事组织（IMO）提出航运减排目标的重要途径。而船舶要实现零排放，需要依靠更加多元化的动力供应。

欧洲：多面实践，追求领先

欧洲的电动力船舶研发成果令人瞩目，包括内河客船、探险邮轮、集装箱船等，所搭载的电池容量也逐步大型化，以满足越来越高的续航需求。这与欧洲“驱动模式”关系紧密。早在2017年，欧盟委员会和欧盟区域发展基金等官方机构就与一些非官方行业组织合作“ELMAR”项目，主要从政治、技术和商业因素出发，推动波罗的海航行船舶的电动化发展。另外，欧洲在标准化充电设施和电力输送方面的基础配套设施相对完备，为电动力船提供了很好的应用场景和可持续性的电力解决方案。

2015年，全球首艘电动力车客渡船“MF Ampere”轮交付，她被认为是客船绿色革命代表。“MF Ampere”轮有“电池动力”船级符号——以电池作为主电源之一或唯一电源的船舶强制性入级符号，船长约80米，能运载120辆汽车和360名乘客横跨松恩峡湾，电池容量1.86MWh，在港期间的满充电时间仅约10分钟。由于拥有表现力极佳的创新动力系统和操纵性，“MF Ampere”轮在当年荣膺由Environmental Technology颁发的“船舶能效大奖”。预计明年，全球首艘全电动快速客船“Medstraum”轮也将进行试运行，该船长31米，电池容量为2.4MWh，设计航速23节，以探索欧洲内河客船零排放模式。海达路德旗下运营的“阿蒙森”轮（MS Roald Amundsen）配备了大型电池组，与其它相同规模的探险邮轮相比将减少20%以上的碳排放量。

图1 全球首艘电动力车客渡船“MF Ampere”轮

图2 配备了大型电池组的“阿蒙森”轮

图3 全球第一艘甲醇动力商船“Stena Germanica”轮

在欧洲，蓄电池技术（含纯电动力和混合动力）使用最多的船型是渡轮、游船和邮轮，而同样适合欧洲水路网络环境的具有航线固定、航程较短或对电池冗余度不是很高的近海小型运输船，也正趋于电动化。将于今年完成首航的“Yara Birkeland”轮是纯电动货船的典型代表。“Yara Birkeland”轮由雅苒集团和康士伯海事联合研发，船长约80米，型宽约15米，载箱量为103TEU，最大航速13节，电池容量7MKh，相当于电动汽车电池容量的一千倍。更重要的是，这是全球首艘可实现无人航行的纯电动集装箱船，更充分地诠释了欧洲“智能+绿色”的减排理念。

今年8月24日，马士基宣布订造8艘16000TEU型甲醇动力集装箱船，针对此次适用于远洋航行的甲醇动力船，马士基首席执行官施索仁表示：“如果我们要解决航运业面临的气候挑战，现在行动正当其时，马士基始终致力于满足客户对供应链脱碳需求。这也对燃料生产商释放出坚定信号，即未来绿色燃料会涌现出巨大市场需求。”有业内人士认为，全球约有100座港口供应甲醇，且从马士基的选择来看，其作为重要新型替代燃料的地位已经确立。实际上，全球第一艘甲醇动力商船也来自于欧洲船东。2015年3月，船长240米、可运输1500名乘客和300辆汽车的“Stena Germanica”轮在哥德堡港和基尔港之间完成了全球首次甲醇动力航行。在此之后的六年中，大型甲醇动力船市场持续。Waterfront Shipping旗下船队目前运营30艘油船，其中11艘选用甲醇动力，另有8艘49999载重吨级船在建，是全球最大的甲醇油船船队。“最新订单交付后，我们船队中大约有60%的运力将使用甲醇燃料。这些甲醇动力油船受益于最新技术进步，也显示出大型船舶使用甲醇的可行性。”Waterfront Shipping声明称。

图4 我国自主研发的300客纯电动客船“君旅号”

图5 “长江三峡1”号客船效果图

中国：积极推广，进展迅速

我国已建和在建的多艘电动船项目表明，我国在电动船领域的初步尝试获得成功。2017年，广船国际建造的2000吨级新能源电动自卸货船是全球第一艘全部采用磷酸铁锂电池动力的内河货船，该船电池容量约为2.4MWh，满载情况下可航行80公里，直翼舵桨装置作为主推进器的技术突破了内河大型运输船舶传统的螺旋桨推进方式，重要的是，该船实现了“五个第一”： 世界第一艘采用锂电池作为船舶唯一动力的内河千吨级货船；世界第一艘采用全向直翼舵桨作为推进系统的内河大型运输船； 国内第一艘采用轻型移动式货舱盖的内河货船；国内第一艘采用封闭式自卸货系统的自卸式散货船；国内第一艘具有中国船级社《内河绿色船舶规范》绿色船舶III标志的内河大型散货船。我国自主研发的300客纯电动客船“君旅号”也采用全锂电池推进，这艘国内第一艘50米以上的纯电动客船也成为了国内首艘通过中国船级社《纯电池动力电动船检验指南》要求的客船。“君旅号”采用高安全性锂电池系统、高效变频驱动系统、高机动性吊舱推进器、智能化船舶操纵及运维系统，其运营标志着长江新能源船舶新时代正式开启。

2021年6月30日，“长江三峡1”号客船完成船体建造，成功转入舾装阶段，这是我国具有自主知识产权的新能源纯电动游轮，也是目前全球在营在建的最大电池容量商船。“长江三峡1”号配备总电量约为7500kWh的电池系统，设计分布15个独立动力电池子系统，全船电池系统分4个电池舱布置，配置七氟丙烷和压力水雾双重灭火系统，直流母线采用三段母排结构，系统保护充分考虑故障选择性，额外配置应急电池动力系统，推进控制设计了三套全回转推进舵桨装置和一套侧推装置。可以说，“长江三峡1”号是目前电池容量最大、智能化最先进、安全保障手段最全、推进负载最丰富的新能源纯电动游轮。

除此之外，包括“蓝海豚2020”号客船和“中天电运001”号货船在内的大部分电动船电池容量也在1MWh-7.5MWh之间，这些项目为我国电动船发展提供了较好的市场基础。而发展自是离不开顶层设计。交通运输部针对船舶排放设定的一系列减排目标对推广电动船具有较为积极的作用，例如《船舶大气污染物排放控制区实施方案》和《推进珠江水运绿色发展行动方案（2018-2020年）》，这些文件不仅关注岸电技术应用，而且对电池动力船舶技术推广进行了铺垫。而一些地方政府出台的政策文件在推广电动力船舶技术所发挥的作用更为直接。《广州港口船舶排放控制作战方案（2018-2020年）》明确提出实现约五艘纯电动船舶或混合动力客船投入运营，《2018年“深圳蓝”可持续行动计划》则提出要推广使用电动港口工作船舶。基础设施条件方面，我国已建成的约2500套岸电设施不仅可用于靠泊期间的船舶电力供应，也为电动力船舶获取电力提供了较好的硬件基础，通过后期技术升级、改造或添置充电设施，可实现电动船舶充电目的。

在甲醇动力船舶项目方面，我国也有突破性进展。中国船级社在2017年发布实施的《船舶应用替代燃料指南》已将甲醇作为船用替代燃料列入其中，旨在为甲醇/乙醇、燃料电池、生物柴油等替代燃料在船使用提供技术标准。2019年7月，中国首艘甲醇燃料动力船艇下水仪式在神湾江龙船艇科技园举行，这艘由江龙船艇科技股份有限公司自主研发的甲醇燃料动力船艇填补了我国在甲醇船艇设计建造领域的空白，对于甲醇燃料在国内船艇领域的技术推广及产业化应用具有重要的现实意义。

日韩：限于国情，跳出常规

电动力船舶也是日本解决航运碳排放问题的重要手段。“但与欧洲船东所持观点不同的是，日本认为电动力船仅适用于近海短途航行。”中国船舶工业综合技术经济研究院船舶标准化研究中心工程师李睿男强调。

2020年，商船三井、朝日油船（Asahi Tanker）、三菱商事株式会社和日本国内船舶经纪公司Exeno Yamamizu共同成立了核心要素包括电气化、环保、演变、效率和经济的“e5 Lab”，携手开发零排放电动船并实现商业化。朝日油船将订造两艘零排放电力推动油船，新船采用“e5油船”设计，船长62米，型宽10.3米，吃水4.15米，设计航速11节，货油舱容积约1300立方米，由大容量锂离子电池供电，电池容量3500KWh，为纯电池动力油船，交付后将作为供油船在东京湾内运营。同时考虑到船员和东京湾周边水域环境，新船还采用了能减轻噪音和振动的设计，并搭载各种自动化、数字化和物联网技术设备，以减少船员工作量并提高运营效率。

有意思的是，我们似乎看不到日本除上述“e5油船”之外的其它电动船项目，那么，日本为何显得“非主流”？通过航运以外的例子，我们也许能找到线索。首先，日本很难保证国内供电，当地震、台风、暴雨之后，日本总会发生多多少少的电力供应短缺问题，这大大阻止了需充电航行的电动船推广。其次，日本能源极度匮乏，99%的煤炭依赖进口、99%的石油依赖进口、95%以上的天然气依赖进口，日本正在压缩核能发电，若大部分供电需要火力发电时，“电力来源-输电-充电-电驱动”全链条闭环并不是完全脱碳，碳的总排放或许远超于碳节约量，因此很难实现新生态全产业链的减排要求。另外，日本重要港口均为远洋航线重要起运港，进出港船舶大型化明显，而电动船在现阶段的应用场景则相对简单，且动力供应不足以实现大吨位船舶的长距离运输。

不过，日本对于解决电力缺口的想象力或许会在未来为其小型电动力船的发展提供能源上的保证。日前，日本初创公司PowerX提出了电能转移船概念，将海上风电场产生的电能输至集装箱式电池中，再将其运往码头，以供岸基或未来船舶用电。这一想法是前所未有的。PowerX首席执行官伊藤正裕表示：“第一艘电能转移船可运载100个集装箱式电池（即200MWh电力），专门为在日本沿海水域运输可再生能源而设计。当前，日本过度依赖进口化石能源，我们希望未来可以不再需要使用那些传统燃料，而是让更多船舶使用电力驱动。”据悉，PowerX会在成功验证概念船的可行性之后，将运载规模扩大至1000-3000个集装箱式电池，能实现1000-3000公里的长距离、洲际清洁电力运输，从而加速全球电动船发展。

图6 “e5油船”

风动力船舶虽然不是日本首创，但日本航企确实让风帆应用上升到了一定高度。商船三井与大岛造船（Oshima Shipbuilding）设计了全球首艘装有硬帆系统的煤炭运输船，利用伸缩式硬帆将风能转化为船舶推进力，帆结构和相关控制能够根据风的强度在四个阶段进行自动伸缩，并能自动调整到可充分利用风力的方向。此外，商船三井参与研发的“风氢混合动力”船寻求风能和氢燃料在海事界的新应用。未来，这艘船将结合风力推进航行技术和通过风能转换产生稳定氢气供应的技术，将风能和燃料电池与电解槽产生的氢气结合（电解槽的电力由风力发电产生），使船舶能够在强风气候下捕获风能，并在低风速段的航行过程中产生氢气，保证船舶常规航行，进而创造出完全没有任何温室气体排放的零排放运输系统。

韩国是造船大国，几家船厂都曾建或在建氢/氨动力船新型绿色船舶，但他们对甲醇动力船或电动力船的热情并不高涨，甚至找不到公开的典型项目，且对于风帆技术的利用也仅限奉行“拿来主义”的泛洋海运（Pan Ocean）案例。“电动船的尝试主要在欧洲的短程运输领域，而韩国的情况与日本类似，多数属于远洋运输。甲醇的热值低，相同航程所需燃料多，且甲醇加注基础设置在韩国和日本并不完善。”在李睿男看来，新出现的甲醇动力船和不适合长途航行的电动力船对韩国航企的吸引力不大。

不过在核能利用方面，韩国走在了中国和日本的前面。今年6月，三星重工与韩国原子能研究所（KAERI）宣布将联合研发核动力船舶和浮式核电站，以提升韩国航运企业在零碳排放船舶市场上的竞争力。公开资料显示，核动力船舶和浮式核电站将采用小型模块化熔盐反应堆，使用周期在20年左右，计划于2025年开始原型堆试验。“熔盐反应堆是一种可以有效应对气候问题的零碳能源，这项船舶推进技术可以改变航运业的游戏规则，在船舶动力、船用清洁能源制备等领域发挥重要作用，助力海事业碳达峰、碳中和目标的实现。”三星重工表示。

欧洲和亚洲国家在零排放船舶应用方面逐步形成了差异化发展，各自根据本国市场需求完善绿色船舶布局，在船型方面，也根据实际情况建造大小和用途不同的新型燃料动力船，以求形成最理想的减排方案。