绿色低碳燃料船舶总拥有成本分析

汪颖异 魏 梅

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

0 引 言

从2018年IMO制定2050年碳减排目标到我国提出2030年碳达峰、2060年碳中和目标来看，航运业的温室气体减排越发重要，减碳成为船舶工业未来发展的重要方向、零碳排放船舶成为未来造船及航运业的发展趋势。根据中国船级社报告，全球航运业温室气体排放占全球总排放量的2%，国内内河和沿海温室气体排放量占国内总排放量的0.8%。尽管占比较小，但是全球贸易的90%通过海运完成，如果不加以控制温室气体，随着海运贸易量的增加，2050年海运排放量将增加到18%。在2018年，中国水路货运量达到9.9亿万t·km，其中内河、沿海和海外货运量分别占16%、32%和52%，在未来航运业的货运量将会越来越大，因此航运必须面对减排的挑战。除此之外，2021年3月，欧盟议会投票通过设立碳边境税的议案，决定自2023年起，与欧盟有贸易往来的国家若不遵守碳排放相关规定，其出口至欧盟的商品将面临碳关税，如果仍然按照原模式发展，行驶至欧洲的船舶无疑会增加运营成本。

船舶的绿色化一直是航运业的热点话题，海事界早已着手于绿色船舶的研发，从多家公司提出的概念船型中可以发现，采用的绿色技术主要包括：船型优化、采用清洁能源、混合电力推进、加装减排设备及采用新型减阻涂料等多种方式。但是要实现未来的碳中和以及船舶零碳排放，船型优化等传统技术已经不足以应对，燃料中碳组分的减少才是最直接、最有效的解决方式。目前船用燃料正从化石燃料逐渐向可再生能源转变，以LNG为过渡燃料，氢、氨等零碳燃料为终极燃料的热潮正被掀起。海事界已开始研究低碳燃料在船舶的应用，且有些船已交付，如2020年9月已交付的由我院为法国达飞公司研发设计的全球首艘23 000 TEU双燃料集装箱船达飞雅克萨德号，一些国家也研发了氨动力远洋船舶的船型等，但鲜有学者研究零碳排放船的经济性。因此，本文以航行于亚欧航线上的15 000 TEU集装箱船为例，建立船舶的经济性分析模型，分析该船使用氨燃料作为主动力和氢燃料作为电站的成本，并与以重油为动力的船舶成本进行比较，明确导致两种船舶成本差异的因素，同时也为船舶经济性分析提供一种思路和方法。

1 研究背景

由于氢的特性，氢在发动机中燃烧容易发生回火、早燃和爆震等现象，影响发动机的正常运转且导致较低的燃烧效率，这些问题难以克服，使氢内燃机发展缓慢。除此之外，氢在内燃机中高温燃烧会产生大量氮氧化物，背离了人们使用氢的初衷，因此人们逐渐将眼光投向氢燃料电池。单台氢燃料电池的功率为百千瓦级别，只能应用如内河船等功率需求较小的船舶上，目前全球的氢燃料电池应用现状如表1所示。受限于燃料电池的功率以及氢较低的体积能量密度，氢燃料电池未来仅可能作为电站应用在远洋运输船上。

表1 全球氢燃料电池船现状

续表1

目前全球对于氨作为船用燃料的研究正在如火如荼地进行，尽管没有实船，但全球已研发出各种船型（参见表2）。此外，MAN、瓦锡兰和WIN GD等主机研发单位正在进行氨燃料发动机的研究，预计将于2024年出现示范样机。从表中看出目前全球对于氨作为船用燃料的船型研究主要集中在大型远洋运输船上，说明未来氨燃料更有可能作为远洋运输船的主动力。

表2 全球氨动力船研究现状

因此本文以航行于亚欧航线的15 000 TEU集装箱船为例，研究氢燃料电池作为电站、氨燃料内燃机作为主动力的船舶（简称“绿色燃料”动力船）成本，同时将得到的结果与传统的重油/柴油动力船的成本进行分析对比，明确造成成本差距的原因。本文分析基本方案和对比方案，基本方案为采用传统燃料的船舶，对比方案为采用氨动力、氢电站的船舶。

2 成本构成

本文建立了传统燃料船舶和“绿色燃料”动力船舶的TCO，在建模过程中，采用了自上而下的极细颗粒度的建模方法，通过分析具体到每一个系统设备的成本构成来构建船的总成本模型，模型框架如表3所示。考虑到主动力和辅助动力的变化是导致该箱船与燃油动力箱船区别的主要因素，为准确了解发生变化部分对整个成本的影响，将建造成本分成主动力、辅助动力、燃料储罐、船身及其他零部件等方面。由于氨和氢特殊的物理性质，且与氨相关的发动机和燃料电池的发展还不成熟，应用在船上必然会造成船舶其他零部件的改变，因此在建造成本方面考虑了由于缺乏规模效应而造成的成本加成。运营成本主要由燃料费用、维修成本、箱位损失、人员工资、保险费及其他构成，由于氨和氢体积能量密度低，燃料舱体积比重油燃料舱大，因此在营运成本中有必要考虑由于燃料舱体积增加导致的货舱损失。

表3 船舶的总拥有成本构成

2.1 目标航线

通过对货运量、航线通航情况等数据的统计与调研，发现与目标船型箱量相近的集装箱船主要集中投放在亚欧航线，因此本研究考虑目标船型也瞄准这一航线。假设目标船从大连港出发，并沿途挂靠烟台、新加坡港，通过苏伊士运河到达泽布吕赫港，装卸货物后返回。

按照IHS Ports and Terminal数据库给出的数据，计算出航行距离和航行天数（见表4）。该船的平均航速为22 kn，装卸货、停泊、航行和进出港这4种工况下所需要的时间分别是2.5 d、5.5 d、41.5 d和2.1 d，行驶一个航次约需51.6 d。假设船舶一年行驶330 d，约为6.4个航次。

表4 目标运营航线数据

2.2 建造成本

两种方案船舶的主动力为51 MW，辅助动力为12 MW。对于“绿色燃料”动力船，主动力采用1台51 MW的氨发动机，辅助动力采用2台4 000 kW和2台2 000 kW的氢燃料电池。对于传统燃油动力船，主动力采用1台51 MW的柴油发动机，辅助动力采用4台3 000 kW的辅机。氨发动机目前未推出样机，对于其成本的估算基于LNG双燃料发动机，燃料电池按照目前的市场价格计算。“绿色燃料”动力船中氨以液态方式储存，氢以目前已成熟的高压气态方式储存。两种方案的建造成本见下页表5，结果对比见下页图1。

表5 两种方案的建造成本构成

“绿色燃料”动力船中辅助动力没有考虑氢燃料舱的成本，燃料舱采用罐箱的方式直接向氢气供气商租用，租金摊在氢气价格上。由于传统燃油动力船已经成熟且应用广泛，因此无需考虑由于缺乏规模效应而造成的零部件成本加成。

由图1可见，“绿色燃料”动力船的建造成本约是传统燃油动力船的2倍，主动力和辅助动力系统的建造成本约占总成本的30%，是柴油机的10倍。由于氨发动机、大功率氢燃料电池等系统设备技术成熟度低，尚不具备商业化的能力，由此导致其他零部件的成本加成占总投资的16%。

图1 两种方案建造成本拆分结果对比

2.3 运营成本

船舶的运营成本可分成燃料费用、箱位损失、维修费用、人员工资、保险费及其他等几项，本文将着重说明燃料费用和箱位损失的计算方式。

传统燃油动力船的主、辅机参数假设如表6所示，根据柴油机的参数计算主机、辅机每天的油耗分别为240 t和16 t。由于目前并未研发出氨动力的主机，很难根据主机参数估算每天的消耗量，本文采用释放热量相等的方式用热值计算每天所需的氨，公式如式（1）所示。重油和氨的热值分别为39.8 MJ/kg和22.8 MJ/kg，由此计算每天氨的消耗量为419 t。每天的耗氢量根据电站的功率为12 MW，氢的质量能量密度为120 MJ/kg（33.3 kWh/kg）计算而得为9 t。

表6 传统燃油动力船主、辅机参数假设

式中：

A

为质量能量密度，MJ/kg；

M

为船舶每天消耗燃料的质量，kg；

J

为释放的热量，MJ。

船舶4种工况下主机、辅机运行功率如表7所示，计算在各工况下燃料消耗如下页表8所示。

表7 目标船型运营工况

表8 各工况下每年的燃料消耗

由于氨和氢的体积能量密度比重油小，因此“绿色燃料”动力船的燃料舱会产生额外的体积货损，重油、氨燃料根据每年的消耗可计算出燃料所需的舱容。40 ft规格集装箱体积为60 m，由此可得燃料的货损。氢燃料采用高压方式储存，一个40 ft集装箱，按照500 MPa压力，能够储存1 400 kg氢气。重油、氨和氢所导致的集装箱船的箱位损耗如表9所示。相较于传统燃油动力船，“绿色燃料”动力船会多损失448个箱位。

表9 燃料导致船舶的箱位损耗TEU

假设船舶的全生命周期为25 a，则两种方案全生命周期运营成本如图2所示。

图2 两种方案全生命周期运营成本对比

燃料费用是船舶全生命周期的主要支出，根据市场调研，重油为4 000元/t，氨为4 000元/t，氢采用由煤制备而得，为4万元/t，“绿色燃料”高昂的价格导致“绿色燃料”动力船的燃料费用约为传统燃油动力船的2倍。由于“绿色燃料”较低的体积能量密度使“绿色燃料”动力船的燃料舱造成的损失占了运营成本的6%。

3 总拥有成本分析

两种方案的总拥有成本如图3所示。对于船舶来说，燃料费用是船舶最主要的支出。“绿色燃料”动力船中氢燃料费用和氨燃料费用分别占总燃料费用的15%和85%，因此氨燃料的价格是“绿色燃料”动力船总拥有成本的主导因素。“绿色燃料”动力船总拥有成本随着氨燃料价格变化如下页图4所示，当氨燃料为0.17万元/t时，“绿色燃料”动力船总拥有成本与传统燃油动力船总拥有成本相当。模型中假设氨燃料的价格为0.4万元/t，根据市场调研结果确定，这里的氨是根据煤、天然气等化石能源制备而得（灰氨），会产生大量温室气体，如果未来船用燃料排放的温室气体考虑燃料全生命周期温室气体的排放，灰氨将会被绿氨（可再生能源电解水产生的氢气与氮气合成而得）代替，这时候绿氨的成本将高于目前的灰氨，基本不可能降至0.17万元/t。从经济性的角度考虑，“绿色燃料”动力船的经济性将比传统燃料动力船差。

图3 两种方案的TCO对比

图4 “绿色燃料”动力船总拥有成本随氨燃料价格变化情况

由于氨的体积能量密度与质量能量密度均小于重油，导致当释放同样的能量时，氨的质量和体积均大于重油，因此使船舶损失了相当一部分的箱位并产生了高昂的燃料费用。除LNG外，目前熟知的能用作船用的低碳燃料为甲醇、乙醇、氨和氢等，它们的能量密度如表10所示。

表10 燃料的能量密度

显然，这些低碳燃料的体积能量密度均小于重油，除氢外的其他低碳燃料质量能量密度也小于重油。由此可见，目前市场上的低碳燃料很难做到既环保又有与重油相当的经济性。如果随着环保法规越来越严格，不得不使用低碳燃料，必然会损失一部分经济性。

本文测算传统燃油动力船的成本时未考虑由于使用重油而增加的额外成本，如应对硫排放的脱硫塔、应对氮氧化物排放的选择性催化还原装置（SCR）和未来由于温室气体排放造成的碳税等，这些额外成本将在下一步的研究中考虑，以优化经济性分析模型。

4 结 语

本文通过分析已明确“绿色燃料”动力船的总拥有成本约为传统燃油动力船的2倍，其主要原因在于低碳燃料的能量密度小于重油，而市场上低碳燃料售价与重油相近，导致“绿色燃料”动力船的燃料成本增加。然而，燃料成本是影响船舶经济性的主要因素，“绿色燃料”动力船的总拥有成本增加明显。绿色低碳是航运业发展趋势，随着环保政策收紧，传统的节能减排技术已不足以满足环保要求，唯有低碳燃料的应用才能带来革命性的变革。届时，船舶经济性会受到一定影响，而低碳燃料的成本将会是船舶低碳转型的重要因素。