双碳背景下新型能源在邮轮行业的应用及展望

蒋永旭，李 晨，高 蕾

（招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海 200137）

0 引 言

2018年，国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）制订了2050年碳减排目标，提出了航运业减碳的短期、中期和长期措施，其中短期措施包括：完善现有的能源效率框架；研发提高能效的技术；制定能效指标；制订海运减排国家计划；优化船舶航速；减少港口排放；研发可替代的低碳或零碳燃油等。2020年全球航运业的二氧化碳（CO2）排放量约为8.1亿t，船队的CO2排放量相比2008年下降约21%。这是航运业通过降低船舶航速、引入新型能源推进的环保船舶举措取得的初步成效。2020年，我国提出了“2030年碳达峰”和“2060年碳中和”的目标。此外，欧盟从2022年开始将海运业纳入其碳排放交易体系。根据初步协议，欧盟境内所有5 000总吨及以上船舶的排放量将被完全计入排放交易计划。这些都表明，国际海运业已对温室气体减排达成共识。

杨喜顺［1］对新能源在船上的应用进行了研究，介绍了新能源在船上的应用现状及应用方略。马网扣等［2］对液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）动力邮轮的研发动向进行了研究，介绍了邮轮公司在LNG动力燃料邮轮领域最新的研发动向。从中长期来看，航运业脱碳仍面临燃料选择方面的困惑，虽然业界已对多种新型能源进行研发，但船舶燃料低碳发展路径尚不明晰。

近年来全球邮轮行业得到了快速发展，邮轮行业对环境可持续性的认识日益提高，国际邮轮协会（Cruise Lines International Association，CLIA）正在努力帮助邮轮行业实现零碳排放。2018年，CLIA承诺推动其成员到2030年将碳排放量减少40%。本文主要讨论新型能源在邮轮行业的最新应用情况，为邮轮行业未来燃料动力的发展提供参考。

1 新型能源在邮轮行业的应用

近年来，随着各邮轮公司的科技水平不断提高，以风能、太阳能、氨燃料、LNG、生物质燃料和氢燃料为代表的新型能源在温室气体减排方面具有的独特优势和能产生的效益越来越显著，其在邮轮行业的应用和推广越来越广泛。

1.1 风能的应用

风能，即空气流动产生的动能，是太阳能的一种转化形式。风能资源的储量大分布广，但其能量密度较低（只有水能的1/800），且不稳定。在一定的技术条件下，风能可作为一种重要的能源得到开发利用。风能利用是一种综合性的工程技术，通过风力机将风能转化为机械能和电能等可利用的能量形式。风能利用以风帆助航和风力发电2种形式为主，其中风帆助航在船上的应用形式主要有翼型风帆、天帆和转筒帆等3种［3］。

1）海云邮轮（Sea Cloud CRUISES）专注于帆船型邮轮研究80 a，被称为邮轮界的“爱马仕”。目前海云邮轮只有Sea Cloud I和Sea Cloud II 2艘邮轮，其中：Sea Cloud I是由一艘风帆游艇改建而成的，并于2011年进行了重新改建。Sea Cloud II为海云邮轮于2011年建造的。这2艘邮轮都只有3 000总吨，载客量不超过100名。

2）法国庞洛邮轮（PONANT）在法国大西洋船厂（原STX法国船厂）为其“Le Ponant”号邮轮安装了300多平方米的硬质帆。这种采用玻璃纤维、碳和环氧树脂板制造的碳-板条框架新型风帆，将大大减少与船舶推进相关的能耗，大幅降低对环境的影响。

3）转筒帆由可旋转的转筒和转筒两端的端板构成，依靠玛格努斯效应推动船舶前进。维京游轮（Viking Line）旗下的“Viking Grace”号为全球首艘采用旋筒风帆的客船，同时是全球首艘LNG动力大型客船。该船由芬兰图库船厂建造，于2013年投入运营，从2018年开始增设了芬兰Norsepower公司的旋筒风帆，能利用风动力推进船舶航行，每年可降低燃料成本达20%，减少高达900 t的碳排放量，相当于年均节省约300 t LNG。

1.2 太阳能的应用

太阳能是指太阳的热辐射能，其利用形式主要有光-热和光-电2种［4-5］。太阳能是一种新兴的可再生能源，目前在船舶行业应用较多的有小型游艇、双体船和邮轮。

1）全球首艘全太阳能动力双体船为PlanetSolar，该船长31 m，宽15 m，高7.5 m，重95 t，配备有536.65 m2光伏太阳能电池板，由德国Knierim Yachtbau公司建造。PlanetSolar的电板框架是由38 000枚太阳能电池交错排列而成的，另配备有72枚锂离子电池，用于储存吸收到的阳光。

2）奥地利游艇制造商Silent Yachts专注于研制太阳能电动双体游艇，于2022年与Vision F Yachts公司合作推出游艇Silent Vision F82。该游艇加长硬顶飞桥将配备一个大型太阳能电池阵列和一个大型电池组，为游艇的整体设施供电。

3）日本非政府组织Peace Boat一直计划建造全球最环保的邮轮“Ecoship”。该船达60 000总吨，拥有750个舱房，可搭载2 000位乘客。该船不仅配备有柴油-LNG双燃料动力系统，而且配备有750 kW风力发电机和太阳能电池板等设备，包括10个可收起的太阳能帆板、可伸缩的风力发电机和混合动力发动机。与普通船舶相比，该船可减少20%的能源消耗和50%的电力负载。

1.3 LNG的应用

LNG是对气田生产的天然气进行净化处理，经超低温（-162℃）液化形成的，其关键成分是甲烷，无色、无味、无毒、无腐蚀性，体积约为同量气态天然气的1/600，质量仅为同体积水的45%左右。LNG作为燃料，相比燃油，其硫排放量几乎为零，氮氧化物排放量减少85%，颗粒物排放量减少95%～100%，温室气体排放量减少20%。LNG被认为是脱碳过程中可利用的重要过渡燃料。据统计，目前采用LNG作为燃料的船舶已超过500艘，在手订单超过300艘。LNG燃料已得到多家船东的支持，如新加坡油轮船东AET、俄罗斯航运公司Sovcomflot，以及集运公司达飞轮船和赫伯罗特等。目前已投入运营的LNG燃料（含双燃料）邮轮共有10艘，相关信息见表1。

1.4 氨燃料的应用

氨为氮氢复合物，分子组合中的分子量为17.03 g/mol，分子组合中的氢质量分数为17.6%。常温常压下氨为气态，密度为0.701 6 kg/m3。氨和液化石油气的沸点比其他燃料高（重油和甲醇除外），这使得其能在适当的低温环境下运输。氨燃料与其他燃料相比，存在燃烧性较差、具有毒性和腐蚀性、燃烧会排放很多氮氧化合物等问题。因此，氨作为三大主流船型的推进燃料的进展较为迅速，但作为邮轮推进燃料的进展相对缓慢。

1.5 生物燃料的应用

生物燃料主要是液态生物甲醇、生物乙醇、生物柴油，其具有可再生性和良好的燃烧性能，与现有的船舶燃料油相比，可减少99%的硫氧化物排放，减少80%的氮氧化物排放，最多可减少25%的CO2排放。生物燃料在邮轮上的应用情况如下：

1）挪威邮轮公司海达路德（Hurtigruten AS）作为清洁燃料的倡导者，将生物燃料应用于使用LNG的储罐和发动机，基于现有基础设施和技术实施改装之后，该公司旗下的邮轮即可投入运营。2021年，该公司签署年供应量达15 000 t的生物燃料购买协议，以满足旗下邮轮的运营燃料需求。

2）2022年7 月，爱达邮轮（AIDA Cruises）旗下的“AIDAprima”号邮轮在鹿特丹港顺利完成生物燃料的加注（燃料由荷兰低碳船用燃料供应商Good Fuels Marine提供），这也是嘉年华集团首次开展生物燃料和船用轻柴油的混合燃料测试。同年9月，嘉年华集团旗下的荷美邮轮（Holland America Line）在“Volendam”号邮轮上完成了全生物燃料测试。

1.6 氢燃料的应用

氢的燃烧产物是水，对环境不产生任何污染。氢气是一种极易燃的气体，燃点为574 °C，在空气中体积分数为4%～75%的氢气都能燃烧。相比传统的船舶燃料，氢能源具有清洁环保等多种优点，随着技术的不断进步，近年来越来越多的船厂、能源公司和动力系统供应商开始加大对氢气发动机和氢燃料电池的研发，取得了实质性进展。

1）2021年7 月，世界上第三大邮轮公司MSC邮轮、豪华邮轮船厂芬坎蒂尼（Fincantieri）和意大利能源基础设施公司Snam签署了一份谅解备忘录，将共同设计建造世界上第一艘氢动力远洋邮轮。

2）豪华邮轮船东Viking Cruises公司公布了一项使用液氢作为燃料的邮轮建造计划，计划开发一艘采用零排放技术的邮轮。该邮轮全长约230 m，可容纳900多名乘客和500名船员。该邮轮采用液态氢作为船用燃料，并通过燃料电池将其转换为电能，提供船舶推进和生活用电。

3）皇家加勒比集团旗下的豪华邮轮公司银海邮轮（Silversea Cruises）将于2023年夏季推出下一代“Evolution”级豪华邮轮，该邮轮将成为世界上首艘大规模安装氢燃料电池的豪华邮轮。该系列邮轮的首制船由德国迈尔船厂建造，该船采用混合动力驱动，可使用LNG和氢燃料电池提供动力。

2 新型能源在邮轮行业的应用前景展望

2020年IMO关于全球硫排放上限的禁令生效，极大地改变了新型能源在船舶和航运业的应用现状。短期来看，主要的改变是以石油为基础的燃料将改为更轻质的低硫燃料。长期来看，在IMO和船东的支持下，随着温室气体减排目标的确立，将促使船东提高船队效率和船舶能效，大规模地使用新型能源。

1）新型能源（如风能、太阳能）作为辅助动力是助力航运业碳减排的重要手段。受天气、风向、风速和船舶航行状态等因素的影响，未来风帆动力将作为辅助动力得到大规模应用。太阳能受存储技术的影响，目前主要应用于小型船舶上，未来要作为主燃料应用于大型远洋船舶上，还有很长的路要走。

2）LNG是航运业迈向零碳未来认可度最高的过渡燃料。短期来看，LNG双燃料推进系统将在邮轮上得到更多应用，LNG燃料与碳捕集和封存技术的应用将进一步减少温室气体排放。

3）生物燃料作为航运替代燃料，其生产技术相对成熟。虽然生物燃料在邮轮行业的能源结构中所占份额很小，但其比例在持续增长。然而，生物燃料主要原料的可用性、产量、全球贸易的可行性和燃料本身的成本是决定其能否广泛应用于邮轮行业的重要因素。

4）采用LNG燃料、甲醇燃料的电池可减少约30%的温室气体排放，且不产生氮氧化物、硫氧化物或细颗粒物等排放物。电池作为一种环境友好型燃料，已在邮轮行业逐步推广，尤其是在欧洲，一些邮轮公司将柴电混合或LNG+电混合动力技术应用到了邮轮行业中。

5）长远来看，氢燃料是航运业零排放解决方案的重点发展方向。目前业界正围绕氢燃料在内河游船和近海邮轮上的应用开展试点研究，相关船用规范标准、技术装备和基础设施等正在逐步建立、发展和完善。

3 结 语

随着全球气候变暖的趋势越来越明显，海事环保法规要求日趋严格，各航运公司都在寻求更加清洁的新型燃料，选择合适的燃料是实现航运业脱碳的关键。CLIA与其他海事组织提议设立一个50亿美元的研发基金，加速对零碳燃料的技术开发，以期推动航运业实现零碳转型。近年来邮轮船东在积极地加大对新技术、新型燃料的投资，在LNG燃料、生物质燃料、电池、氨燃料和氢燃料的研发方面取得了一些进展。虽然在大规模应用这些新型燃料之前还需解决设计、供应和法规等方面的问题，但机遇与挑战共存，相信在产业链各方的共同努力下，邮轮行业脱碳运营这一长远目标终将实现。