“双碳”目标下我国船机业的出路

吕龙德 熊莹

山雨欲来风满楼。随着全球变暖警报不断升级，国际环保要求日趋严格，国际海事组织推出了严厉的脱碳措施，为航运业提出了明确目标，尤其是我国“双碳”目标出台，低碳甚至零碳浪潮从呼吁走向行动。这种背景下，减碳已成为造船业未来发展的重要方向，零碳排放的推广应用势所必然。在这场海事能源变革中，遭受最大、最深刻的影响无疑是传统船用发动机行业。曾经在川海湖泽辉煌了几百年的船用柴油、汽油发动机甚至新兴LNG发动机走向没落。

“双碳”目标倒逼零碳船舶发展

气候变暖的严峻性和紧迫性是世界性问题，减少乃至零排放二氧化碳已经成了人类的共同愿望和努力方向。2008年，英国《气候变化法案》正式生效，通过立法带动了国际碳减排。2015年，《巴黎协定》正式签订，提出本世纪后半叶实现温室气体净零排放，许多国家纷纷制定了无碳战略。我国也在去年向联合国大会宣布采取“更有力的政策和措施”促进低碳零碳目标实现，并在今年两会写进《政府工作报告》，庄严提出了中国将“在2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和”的目标。国内外严厉减排措施和“双碳”目标出台，无疑给工业和交通运输业带来了前所未有的压力和挑战。

作为服务国际贸易发展的基础力量和重要载体，航运造船业更是首当其冲地承担减排使命。目前，国际航运温室气体排放量约占全球总量3%，2019年达8.19亿吨。此外，航运碳排放量每年呈递增趋势，估计2050年将比1990年高出2～5倍。国际海事组织一直关注和重视气候环境保护，早在2011年7月就通过了船舶能效规则，在减少温室气体排放道路上率先迈出了步伐，并不断完善规则和加大渐进强度，朝着更高脱碳目标前进，如2016年通过规则要求5000吨以上船舶应编制和实施《船舶燃油消耗数据收集计划》，以用于收集和报告船舶燃油消耗数据;2018年又通过了减少航运温室气体排放的初步战略。面对减排大风暴，国际海事组织于今年6月通过的《国际防止船舶造成污染公约》附则六修正案更是提出：2030年所有船舶碳强度至少减少40%，到2050年则减少70%碳排放强度，监管对象将从新造船舶进一步扩大，预计最快2023年导入。

强制性措施推出，不但表明了国际海事组织的决心，更是突显了船舶去碳化迫在眉睫。航运减排已经不是要不要的问题，而是到了怎样减、减多少的时候了。在不断加码船舶碳排放控制的形势下，广大船东不得不另辟蹊径打造能满足碳排放要求的船队。而实现这一愿景的最直接路径就是拥有零碳排放船舶。很显然，国际海事减排战略和“双碳”目标倒逼着零碳船舶的崛起和发展。这也给造船业提出了新的课题和要求，其带来的影响必定是颠覆性和立体化的，包括造船技术、造船观念和动力替代等都面临着新的考验。未来，造船业的焦点之一无疑是零碳船舶的研制，而伴随而来的市场竞争也必将异常激烈。

从另一个角度看，谁掌握了零碳船舶技术，谁就抢先占据了行业高地，谁就抓住了生存命运。正因为这样，很多国家造船业都开展了诸如零碳船型、发动机和替代燃料等方面研发，并取得了一定进展。我国许多船企、研究院所等也对此进行了布局和探索，并在船型设计等领域居于领先行列。总的来说，全球零碳船舶当前还处于研发阶段，离应用推广的目标还有较大差距，而未来10年是减碳、零碳技术的关键发展期，所以整个造船业需要直面的问题和困难会很多很大，也需要行业只争朝夕地跟时间赛跑。但这又是一个难得的发展机遇，零碳船舶研发将为每个国家的造船业带来同等机会。我国造船业只要紧跟行业趋势，利用好脱碳时代的机遇，积极推动零碳船舶研发，就一定能焕发出强大的中国力量。

船舶动力是实现零排放的关键

船舶的动力来自于能源，而发动机几乎是能源转化为船舶动力的心脏。船舶要实现零排放，关键依靠动力改革。也就是说，零碳船舶首先使用的必须是零碳排放能源，因为能源特别是燃料能源的化学成分决定了排碳效果，只要是含有碳成分的能源，就必定会产生碳排放。过去和现在还在使用的柴油、汽油等化石燃料已经越来越不适合了，未来航运业采用的必将也必须是取之不尽用之不竭的可再生无碳能源。目前，人类所知的零碳排放清洁能源有氢燃料、氨燃料、蓄电池、燃料电池、核能、风能、太阳能、水能和海洋能等。因此，要使航运业实现零碳船舶化，就必须寻找到理想的零碳排放能源，并拥有大量生产和安全储运的技术能力。尤其是要开辟新路径获取那些适合大型远洋运输船舶使用的替代燃料，以真正达到零碳船舶大规模应用和全面覆盖。

但是，这还远远不够。对于船舶而言，其动力改革包括两部分：一是能源的选择，一是发动机的匹配。而后者更是船舶动力改革的重中之重，是零碳船舶最终获得运行动力而又没有碳排放的根本保证。众所周知，每一种船用发动机都有自己的特定结构和工作原理，就像一个萝卜一个坑，是什么燃料发动机就使用什么对应的燃料，仅有绿色能源而没有匹配的发动机，船舶动力改革也只能是一句空话。由此可见，零碳燃料发动机对于船舶实现零碳排放是何其重要！

正是基于这一个原因，造船界已经把研发零碳燃料发动机作为船舶动力改革的第一要务。近年来，许多国家都暗中较着劲地开展各种替代燃料发动机的探索，有的已经初见成果。目前，欧洲主导了氨燃料发动机研发，取得较大突破的有曼恩能源方案公司和瓦锡兰集团。2021年，挪威礼诺航运公司新推出的零碳排放汽车运输船就配备了曼恩公司的多燃料发动机，未来稍作修改即可过渡使用氨燃料。在国内，中国船舶集团七一一所开展了“气道低压喷射、缸内高壓喷射、预燃室引燃、缸内柴油引燃”等多条组合燃烧组织路径研究，完成了氨燃料供给喷射系统、氨发动机安全性、涉氨零部件耐腐蚀性、氨发动机集成控制等关键技术研究，开展了样机研制，预计在2025年具备示范应用条件。中船动力也自主立项开展氨燃料发动机的技术预研，确定了氨燃料发动机研发技术路径。川崎重工于今年联合洋马动力技术有限公司和日本发动机公司成立新公司，以研发并销售应用氢燃料船用发动机。而上述三家公司稍早之前还组成了日本发动机制造商联合体，共同研发可用于远洋和沿海船舶的氢燃料发动机。此外，俄罗斯、美国、韩国等国正在开展应用于商船的核能发动机，反应堆为压水堆、熔盐堆等堆型，如美国泰拉能源公司开发船用熔盐反应堆技术，计划用于大型船舶推进动力，但受高成本、高风险等因素制约，核动力船舶很难实现商业化运营，成为影响其发动机研究进展的原因之一。

零碳燃料谁将未来胜出？

业界普遍认为：LNG是船舶短期内减排的最优选择，是航运业迈向零碳时代的关键过渡燃料，正如中国船舶集团经济研究中心科技发展研究室高级工程师江文成说，作为当前全球三大能源之一，LNG来源广供应足，技术相对成熟，基础设施和相关规则规范也趋于完善健全。但是，LNG有自己的硬傷，依旧会产生碳排放，仅是比燃油降低20%碳排量的低碳能源。从未来目标看，它的终极命运必然是像石油等有碳能源一样被替代，最好的结果可能是使用时间会相对延长些。

在已知的零碳燃料中，由于结构、成分和特性各异，它们体现了生产、储存、运输条件和应用瓶颈的差异性，既各有优势，又在船舶推广应用上还存在这样或那样的缺陷和技术滞后，正是家家都有一本难念的经。首先，氢燃料是被公认为最具发展潜力的清洁燃料，其优点是主体以化合物水形式存在，来源广;无污染，不会产生一氧化碳、二氧化碳和粉尘颗粒等有害物质，产物为水，无污染;燃烧性能好、燃烧速度快、发热值大和效率高。但是，氢燃料目前生产成本高，经济性差，且储存、运输和加注难度高。在安全性上，氢燃料的危险性远高于柴油及天然气，爆炸极限较低。正因为这样，中国船舶动力资深专家范建新预测氢燃料在未来30年内还无法成为船舶动力的主流能源。其次，氨燃料很容易液化，不具备高可燃性，不存在爆炸危险，比氢燃料甚至LNG更便于存储和运输，生产供给上也不算太难，但最大缺点就是有毒，对发动机缸体有腐蚀作用，这是目前还无法解决的技术难题。第三，蓄电池和燃料电池具有零排放、噪音小、能效转换率高、快速启动等优势，但它们功率密度不够大，续航能力远远不能满足远洋船舶需求，而且由于装载电池数量较大，安全问题也不容忽视。第四，核能能量密度很高，燃料体积小，运输和储存都非常方便，但动力转化投资成本高，会产生放射性物质，潜在安全风险大。最后，风能、太阳能等可再生能源分布广泛、蕴藏量大，但不稳定，受气候和区域影响大，转换效率低，难以单独作为大型船舶动力使用。

由于各种替代能源均存在一定的天然缺陷，航运业在短期内要实现零碳目标难以有完美的“终极方案”，也很难一蹴而就地通过完美能源来达到控制成本与满足减排要求的平衡。但从零碳能源谱系可发现，有的能源成为未来“双碳目标”下船舶实现零碳排放的主力，还是具有很大的现实性和可行性。譬如氨燃料，航运造船界认为它是未来大型远洋船舶零碳燃料的最可能选项，虽然目前看来还存在着开发利用的能力不足，但随着船舶技术和减排进程的发展，腐蚀发动机缸体等问题终究会被解决。这也是近年许多国家船级社、船厂、设计院所、主机厂普遍倾向氨燃料动力研究的一大原因。与此同时，也有不少人看好氢燃料作为船舶未来能源的前景。总的说，可以预测的是，航运零碳时代的减排路径必将是多样化，各种零碳能源都有可能成为船舶动力。届时，内河和沿海运输作业船舶很可能通过电池技术实现零排放，而大型船舶和远洋运输船舶则依赖氨燃料、氢燃料达成零碳目标，还有核能也可能会成为船舶主要替代燃料的保障。

传统船机还有希望吗？

正是随着船用替代能源研究日益发展，引发了传统船机界不小恐慌。更有传言称，欧洲汽车工业已经不再开发以柴油、汽油为燃油的汽车发动机了。这种论调还直接影响了大学院校招生，许多学生都放弃选择内燃机专业。传统船机业真的没有前途了吗？恰恰相反，这对船机业将是一个机遇，可加快现有设备改造和升级换代。

传统船机业虽然受能源转型冲击是不争事实，但前景并非想象中那样暗淡和沮丧，起码在一定时期内还不会完全被其它发动机取代，正如业内一些专家表示，无论是近期着重提升船用发动机效率，还是中长期向替代能源过渡，传统内燃机依然是船舶动力的主要选择。中国工程院院士严新平也指出：“内燃机这种经典的、可靠的动力机械，在相当长的历史阶段，对于车用和船用都还是非常重要的动力设备。”之所以得出如此结论，主要是有如下三大支撑依据：一是船用内燃机具有较好的经济性、操作简单及可满足远航持续功率输出等优点，其中船用柴油机更是航运业应用最广泛、技术最成熟的传统动力形式，不仅热效率较高，而且经济实用，可以适应各类船舶的需要。目前，95%以上商船动力仍以船用柴油机为主，其它能源动力装备一时半会难以取代。对比汽车行业也可以看出这一走势，虽然今天中国新能源汽车已在全球占比达44%，但传统动力装备依旧占据主力地位，大型客运车、卡车都普遍采用经典的动力机械，未来较长时间里的船舶也必然如此。二是罗马城不会一夜建成，各种替代能源的缺点和当前技术能力、观念以及立法的滞后，决定了零碳能源不可能一步到位地成为船舶主流动力。未来的船舶减排必定是技术路径多样化和新旧能源共存的局面。换言之，低碳燃料、高效传统发动机等现有技术手段将是逐步实现”双碳”目标的主体技术，造船业一定是在将其继续提升及使用的同时，不断研究零碳燃料、零碳技术和相匹配发动机，以期逐渐替代。由此可见，在相当长一段时间里，“高效内燃机+碳捕捉”技术仍是应对碳减排的重要方向和内容。西安交通大学教授黄佐华为此指出，实现高效、清洁、低碳燃烧是内燃机发展的必然趋势。三是传统船机的新技术应用和升级对零碳燃料发动机的研制有促进作用。中国内燃机学会党委书记兼副理事长、中国船舶集团七一一研究所所长董建福表示，在碳减排及零碳排放的道路上，不创新的都是夕阳产业。言外之意就是传统船机只有创新才有出路，而创新恰恰是其助力零碳燃料发动机发展的推进器。虽然传统内燃机与替代燃料发动机存在结构和原理不同，但技术的参考借鉴乃至灵感启迪必然有千丝万缕的联系。正是如此，有业内专家建议向船用锅炉掺氨燃烧，逐年增加掺烧比例，不搞一步到位的完美零碳，而是从四冲程发动机、液氨运输船着手尝试氨燃料在传统船机的应用。另外，从目前已装船的曼恩公司多燃料发动机稍修改即可过渡使用氨燃料也折射了传统船机业的发展前途。

诚然，传统船机被暴风骤雨式淘汰是危言耸听，但零碳能源最终取代有碳燃料是未来的方向。因此，传统船机业要做的不是忧心忡忡和消极自弃，而应该是进取创新，既要加强技术研发，深挖传统动力节能减排潜力，推动传统船机转型升级，又要加大对零碳燃料发动机研发、推广和应用力度，肩负起脱碳减排重任。唯有如此，传统船机业才会有出路有希望。

颠覆性技术已出现

毋庸置疑，人类社会要真正迈入零碳时代，颠覆性技术必不可少。中国工程院院士、上海交通大学讲席教授黄震坦言：“没有绿色革命和颠覆技术，就走不到碳中和。”这是反映在科技史的一个普遍规律，纵观每次能源革命或工业革命，都是由某种交通工具带动整体发展与变革，如第一次能源革命是火车带动了煤炭大规模发展，第二次能源革命是汽车使用汽油带动了石油发展，并使之成为国际政治、经济、外交、金融等方面重要载体。如今，世界处于第三次能源革命风口，采用能源正由油气向可再生能源转变，新的脱碳能源体系代替传统能源体系不可逆转。而维系目标实现的颠覆性技术目前端倪已显，并从陆上交通迅速向水运渗透和延展。

以陆上交通为例，新能源汽车研究已有20年，技术突破有目共睹，市场推广也已实现全方位普及，全球电动汽车达250万辆，且已经跨过前期缓慢发展的瓶颈期，毫无争议地进入了爆发期，呈现了暴增趋势。在我国，国家863燃料电池轿车专项团队早在2003年就研制出具有完全自主知识产权的我国第一辆燃料电池混合轿车样车“超越一号”。这些年我国新能源汽车不管是研制还是市场推广，都展现了一片蓬勃景象。值得强调的是，氢燃料电池是新一代新能源汽车动力的一个开始和切入点，未来从氢燃料电池开发路上扩展出来的氢燃料及其载体氨燃料也必将喷薄而出。于航运业同样如此，未来零碳船舶的颠覆技术就是氢动力的推广应用，这可以从氢燃料电池扑面而来的研发势头看出来。

我国在政府提升国家能源安全的需求和强大执行力的推动下，研究氢燃料电池动力的机构和人员众多，对降低制氢成本的研究也进行得如火如荼。基于此，国内有专家预言撬动和引领全球航运业实现零碳能源变革的技术颠覆者将会在中国出现，而且很有可能来自中国汽车企业。

颠覆技术的出现只是为船舶脱碳打通了技术路径，而更大障碍仍横亘在人们面前，那就是产业链通畅、经济性和观念转变。前者需要解决的是替代能源的产业链完整性问题，比如氢燃料要实现大规模应用首先要掌握完备的生产渠道和方式。否则，不理顺从生产到储运到使用等环节的整个产业链，零碳燃料的普及应用只能是水中月镜里花。其次，目前氢气以及燃料电池价格高昂，动力系统的初始投资是柴油动力的2.5倍左右，营运成本居高不下，经济性不佳，船东难以承受。未来，随着氢气价格、氢燃料动力系统技术发展及规模化应用将带来氢燃料动力价格大幅下降，更能为船东所接受。在观念认知方面，中国科学院院士、清华大学车辆与运载学院教授欧阳明高说：在能源改革初期，很多人是不愿意改变的，譬如决定不再使用石油，石油商肯定是不愿意的，这里有跟不上变化的原因，也有不愿意跟的因素。事实上，任何技术转型和变革带来的利益重组，都会不可避免地让一些相关方丧失部分利益，从而导致受损方消极对待甚至从中阻挠。随着“双碳”目标出台，碳减排具体化和量化了，并且时间也明确清晰了，各参与方的态度自然也就发生了不同变化。因此，破除利益的藩篱是能源改革最重要的选项，其阻力和难度比技术要求更大，需要的时间也会更长，但这是不可回避的。因为观念如果不改变，变革就很难跨出实质性的第一步。

我国船用发动机产业的对策

传统船机特别是船用低速发动机一直作为短板困扰着我国造船业的发展，这是产业先天不足的结果，但我们也有举国研发体制和广阔应用市场的后天优势。最近，中国船舶集团中船动力交付了自主研发的全球最小缸径双燃料低速发动机CX40DF，标志我国全面掌握了中小缸径船用低速发动机设计、制造和试验验证的技术，也充分说明我国在船机业上是能够大有作为和“弯道超车”的。虽然零碳能源完全替代传统能源还有较长一段时日，但我国船机业无法逆势地进入“伤停补时”阶段，更不能为此“等、靠、馁”，如果要想在这场能源变革中“不掉队”甚至成为“领跑者”，就要发挥体制优势，集结行业力量，加强船舶动力的技术创新和研发，打造自主可控技术，走出有自己特色的路子。

首先，希望国家层面给予资金和政策上支持，加大对传统船机创新和替代燃料发动机研发的扶持力度，如设立基金对船用主机改造或创新技术研发进行适当补贴，也可推出一些鼓励政策调动船机单位研发低碳、零碳发动机的积极性。在新燃料的生产研发和配套设施建设上，也希望有国家专项资金支持，推动全产业链响应和参与。另外，还要加大科研人才支持力度，提高零碳燃料船用发动机国产化率，鼓励国产新能源主机优先装船使用。

其次，行业组织要推动产业联盟的打造和发展，促进船机企业、船级社、院校研究所、船厂和能源生产供应商的相互合作，集聚整合多领域力量，开展替代燃料动力的共性技术研发和关键设备研制，构建优化研发手段和研究平台，形成示范性项目，共同推进低碳、零碳燃料发动机的研究、创新和发展。

第三，船机企业和研究机构作为船舶动力转型的主要实践者和担当者，在今后发展中必须做到“两手抓，两手都要硬”：一方面要在传统船舶动力领域深度挖潜，结合当前数字化、智能化的发展趋势，加大节能减排技术的研发和应用，提高传统能源的利用效率，积极推动碳捕捉技术等新技术应用，使船舶产生的碳可被再利用，从而实现全生命周期的低碳排放甚至零碳排放;另一方面要在新能源动力领域探索减碳控碳技术路线，开展大功率船用气体发动机、氨燃料发动机、氢发动机的关键技术研究，加大船舶动力与新技术、新材料、新工艺的融合发展力度，深入开展新能源动力基础理论研究和技术研发，着力实现自主可控的技术创新突破，打造我国绿色船舶动力完善可控的产业链，力争船机业在新能源应用领域实现领先优势。

第四，船机行业要瞄准世界能源技术发展前沿，加强和国外同行开展合作，培养满足行业发展要求的高精尖人才，推动绿色动力规范标准创立，争当实现“双碳”目标的榜样，为全球海事业实现能源变革提供中国船用动力解决方案。

第五，面对变革风暴，船机企业既不能消极恐慌，又不要急功近利。虽然離“碳达峰”目标只剩下10年时间了，但惊慌和冒进都是不可取的，唯一的办法就是按照船舶动力产业发展规律，做好各种燃料不同阶段的研发、试点、示范和推广工作。在布局零碳能源发动机研究的同时，也应该脚踏实地努力提升传统船机燃烧效率和碳排放治理技术水平，特别是加强对LNG等低碳能源的发动机改良创新和技术研究，以此为零碳燃料发动机研制提供积累和借鉴。

千帆竞发勇者胜。在“双碳”目标下，低碳、零碳能源成为未来航运业的主宰，已是不可阻拦的滚滚洪流。在这场能源变革混战中，谁顺应趋势，积极开拓进取，谁就能脱颖而出笑到最后。展望未来，我国船机业一定能在新的挑战和机遇中迎来充满希望和激情的明天！