船舶脱碳关键技术路径评估
2023年7月，国际海事组织(IMO)在海洋环境保护委员会第80届(MEPC 80)会议上通过了《2023年船舶温室气体减排战略》。该减排战略提出了四大关键要素：雄心勃勃的减排目标、指示性校核点、中期措施、从生产到使用以防止排放转移到其他部门的全生命周期管理。
本文综合阐述了各种能效技术对商船的影响，如节能设备、风能辅助推进、空气润滑系统以及废热回收等，以评估它们是否符合IMO的温室气体减排战略。同时，文章还对各种推进技术在不同船型中的应用进行了评估，包括二冲程发动机、燃料电池和蓄电池，并重点讨论了这些技术的年度二氧化碳当量减排潜力以及相关的减排成本。
IMO新战略要求更加关注脱碳技术的实施
2023年夏，IMO通过温室气体减排战略修正案，旨在助力国际海运排放的有效管理。《2023年船舶温室气体减排战略》主要包括以下4项关键内容：
1、雄心勃勃的减排目标。考虑到不同的国情，国际航运应尽快达到温室气体排放峰值，并在2050年左右实现温室气体净零排放，与《巴黎协定》第2条规定的长期温度目标保持一致。增加零温室气体排放或接近零温室气体排放技术、燃料和/或能源的使用，到2030年，该技术至少占国际航运所用能源的5%，并力争达到10%。在碳强度方面，到2030年，将每次运输工作的二氧化碳(CO2)排放量(国际航运的平均排放量)比2008年至少减少40%。
2、指示性校核点。到2030年，国际航运的年度温室气体排放总量应比2008年至少减少20%，并力争减少30%；到2040年，国际航运的年度温室气体排放总量应比2008年至少减少70%，并力争减少80%。
3、中期措施。目前，低温室气体燃料标准(类似于FuelEU Maritime)已得到广泛支持，而温室气体排放税仍在讨论中。为了实现减排目标，中期措施应全面考虑船用燃料在其整个生命周期中的温室气体排放。虽然具体的中期措施细节尚待进一步制定，但预计这些措施将于2027年上半年正式生效。
4、从生产到使用的全生命周期管理。在设定雄心勃勃的减排目标、指示性校核点和中期措施中，必须充分关注从生产到使用各个环节的排放问题，以防止排放转移到其他部门。为此，IMO已经通过了第一版生命周期评估指南。
随着温室气体战略的修订，国际航运如何脱碳以实现行业合规和长远发展再次成为人们关注的焦点。本文重点评估了节能技术对商船温室气体排放的影响，以及这些技术在推动船舶达到合规标准方面的作用。此外，本文还比较了三种不同商船类型所采用的推进技术，以明确分析该技术带来的绝对年度CO2当量的减排量以及每吨CO2当量的相关减排成本。本文旨在推动有关商船推进技术的脱碳讨论，以加快脱碳措施的实施，推动行业的可持续发展。
能效技术手段及效果
为了全面评估和比较各种技术可能产生的温室气体减排效果，我们充分利用了IMO的数据收集系统(DCS)和欧盟的监测、报告和验证(MRV)数据。这两个数据库的结合为我们提供了关于主要商船类型(如集装箱船、油轮、散货船和液化天然气船)的CO2排放量的详细信息。这两个数据库的共同之处在于，它们都包含了船舶的实际燃料消耗数据。这一点在脱碳背景下尤为重要，因为它为我们提供了与实际船队相比的减排潜力。这些基础数据还为我们提供了2050年之前的预测数据，从而有助于评估各船型未来的CO2排放趋势。
可以在船舶上采用以下几种技术，通过提高能效来减少CO2排放：
1、节能装置：有多种形式，例如，采用高效螺旋桨与舵球的组合，可以节省约8%的排放。如图1所示，这种装置在集装箱船上的应用取得了显著的节能效果。
图1 商船中各船舶类型的CO2排放总量预测值(非当量)和能效提升后的CO2排放总量
2、风能辅助推进：对于可以安装风帆的船型，利用风能辅助推进可以节省约5%的排放。
3、空气润滑系统：为大型平底船安装空气润滑系统，可以节省约5%的排放。
4、废热回收：推进装置上的废热回收技术可以回收利用部分能量，节省约5%的排放。
5、EcoEGR(废气再循环)：通过废气再循环技术，可以节省约2%的排放。
6、动力输出系统：在推进装置上安装动力输出系统，可实现特定船舶类型的节能。
7、速度优化：合理调整船舶的运行速度，可以实现特定船舶类型的节能。
8、替代燃料：使用替代燃料能够实现不同程度的减排，具体效果取决于燃料类型。如表1所示，不同类型的替代燃料具有不同的减排效果和优势。图1展示了各类船舶的CO2总排放量预测值、所需的能效减排量及通过节能装置可能实现的减排量。所需的能效减排量与能效设计指数(EEDI)第三阶段紧密相关，而该指数将于2025年对新船生效。据推测，通过降低船舶的装机功率，可以达到EEDI第三阶段的标准。相对于船队中的平均船舶，EEDI第三阶段对各类船舶的节能要求分别为：集装箱船5%、散货船27%、油轮32%、液化天然气船34%。
表1 商船燃料CO2排放系数(以gCO2e/MJ为单位)及其相对于重油的温室升温潜能值
通过采用节能技术，我们还可以实现额外的减排量。具体而言，在满 足EEDI要求的节能基础上，各类船舶通过节能技术可实现的额外减排量分别为：集装箱船25%，散货船18%，油轮18%，液化天然气船为26%，这些都是各船型的平均值。因此，为了达到EEDI第三阶段要求，我们不仅需要考虑降低装机功率，还可以通过提高能效技术来实现节能减排。评估结果表明，与目前的平均船队相比，节能可以使集装箱船的CO2减排量达到约30%，散货船达到约45%，油轮达到约50%，液化天然气船达到约60%。
通过将各种节能技术应用到不同船舶类型，并结合速度优化，我们可以实现有效减排。同时，也应考虑船上功率消耗、附加波浪阻力的相对增加及执行相同运输任务的船舶数量。不同船舶类型的减排潜力存在差异，这种差异主要源于在考虑上述因素时各船舶在降速方面的潜力不同。
商船的平均寿命约为25年，这意味着现在新建的船舶必须能够实现在2050年左右达到净零排放的目标。此外，在2050年之前，使用化石燃料的船舶可能会面临支付未知碳税的风险，而在2050年及之后，船舶必须实现净零排放，否则可能会面临其他处罚或地理禁令。因此，新建船舶需要具备使用替代燃料的能力。根据图1和表1的数据，我们可以看到，即使采用所有相关的节能设备和措施，基于化石原料的燃料仍然不足以实现净零排放的目标。为了向碳中和过渡，生物液化天然气、生物甲醇和生物燃料油等替代燃料是可行的选择。但要实现碳中和或无碳运输，电子燃料是必不可少的。目前，电子燃料仍处于稀缺状态，因此需要节能技术来加速和扩大航运业的脱碳实施，并确保在电子燃料达到所需规模之前能够减少碳排放。
随着2050年的日益临近，预计法规将会逐步收紧，并通过一系列目前尚未明确的中间措施来实施。对于现有的船舶，它们需要评估各种合规选项，这一过程将取决于它们各自的使用寿命。对于部分船舶而言，采取节能措施可能足以在中期内满足合规要求。然而，对于其他船舶，可能需要进行改装以使用更清洁的燃料，或者依赖于先进的生物燃料来实现合规。在考虑这些选项时，船东和运营商还应将其与替代方案进行比较。例如，相对于改装船舶，支付碳税可能适用于某些船型和一定船龄的船舶。因此，对于每艘船舶来说，都需要进行详细的业务案例分析，以确定最适合的合规选项。
绝对年度减排量及相关减排成本现在我们重点来讨论推进技术，并从两个维度评估不同技术和船舶类型在减排方面的差异：绝对年度减排潜力和每吨CO2当量减排成本。我们将以新巴拿马型集装箱船、2000标准箱的支线船和卡姆萨尔型散货船这3种大运量船舶类型(参见图2)为例进行评估，并以使用重燃油(每吨630美元的低硫燃料油)的二冲程发动机为基准(图3—5中缩写为2S VLSFO)，展示不同技术路径的年度减排潜力和减排成本。在评估中，我们还将推进技术与能够减少CO2排放的燃料(相对于重燃油而言)相结合。
图2 船舶尺寸、安装效果和能源消耗的对比
图3 在新巴拿马型集装箱船上，采用不同的推进技术对CO2当量减排量的影响
图4 在2000标准箱的支线船上，采用不同的推进技术对CO2当量减排量的影响
图5 在卡姆萨尔型散货船上，采用不同的推进技术对CO2当量减排量的影响
我们评估各种二冲程双燃料发动机的运行情况，包括使用合成甲醇、合成甲烷和合成氨作为燃料的发动机。目前，甲醇和甲烷的二冲程双燃料技术已经达到了9级的技术就绪指数(TRL)，意味着这些技术在现实环境中已经得到了验证。相比之下，氨的二冲程双燃料技术目前处于TRL4，即仅在实验室环境中进行了验证。然而，预计在2025年左右，经过全尺寸测试后，氨的二冲程双燃料技术将达到TRL9。为了最大程度地减少CO2排放，这些发动机还可以配备PTO轴带发电、废热回收和合成引燃油喷射等技术。此外，本节还评估了使用液化天然气运行的二冲程双燃料发动机，以及带有PTO轴带发电、废热回收与合成引燃油喷射的液化天然气发动机，旨在提高发动机的效率和性能。同时在柴油循环发动机全生命周期的技术上，液化天然气相对于重油具有约17%的CO2排放优势。所有液化天然气推进系统元件的技术就绪指数均为TRL9。
1、带有船载碳捕集技术的二冲程发动机
船载碳捕集与封存(CCS)系统可与使用液化天然气或超低硫燃油等燃料运行的二冲程发动机结合使用。超低硫燃油被认为在CCS设施中可以最大限度地减少胺的降解。目前，船载碳捕集技术已经处于TRL5—6阶段，该技术已经在船上进行了验证，并正在或已经进行了技术试点。目前正在商船上进行普及的船载碳捕集系统是基于有机胺的。这种技术已经经过评估，但关于捕集或储存的碳的处理技术尚未进行评估。可以预见，对船上捕集和储存的碳进行卸载和记录会给船舶运行带来一定的复杂性。然而，在以下的减排成本核算中并未将其计算在内。为了进一步评估这种技术的实际应用效果，需要更高的技术就绪指数。
2、燃料电池+二冲程发动机
我们评估了两种燃料电池技术：固体氧化物燃料电池和聚合物交换膜燃料电池。尽管燃料电池可用于合成燃料生产等船用燃料生命周期中的其他用途，但本文主要关注其在推进方面的应用，即为驱动螺旋桨的电动机提供能量。评估结果显示，燃料电池技术可以根据需要进行扩展或堆叠，以满足三类船舶所需的功率。
对于固体氧化物燃料电池，我们考虑使用液化天然气、合成甲醇和合成氨作为燃料的情况。而聚合物交换膜燃料电池则使用合成甲醇和合成氨作为燃料。大型船舶的燃料电池推进技术根据所使用的燃料具有不同的技术就绪指数。具体来说，使用液化天然气和氨的固体氧化物燃料电池处于TRL7，而使用甲醇的固体氧化物燃料电池则处于TRL3。对于聚合物交换膜燃料电池，使用甲醇和氨的情况均处于TRL3。此外，关于燃料电池的使用寿命，目前尚不明确。因此，我们的评估假设在船舶寿命期间，燃料电池堆能够持续工作。然而，考虑到可能需要在船舶寿命期间进行维护或更换，这可能会显著增加减排成本。我们还假设燃料电池与其他能源转换器一样，可以使用相同质量的燃料。如果需要更高纯度的燃料以避免对燃料电池的性能产生影响，这可能会增加操作成本。
3、蓄电池+二冲程发动机
经过初步评估，我们发现对于本文所关注的3种船型而言，蓄电池的功耗过高，导致减排成本显著增加。由于货物排水量较大，蓄电池在商船运输中不具备商业价值。目前，蓄电池在航运中的优势主要体现在近岸航运领域，而非远洋商船的推进领域。然而，蓄电池在大型远洋船舶的船载电网中可能得到有效应用。在评估过程中，我们考虑了多个因素，包括技术成本、船上供应和储存系统、货物空间损失成本(如适用)、资本成本、燃料成本和技术效率等。燃料成本对减排成本的影响尤为显著，其中重燃油的价格设定为每吉焦11美元，化石液化天然气为8美元，合成甲醇为61美元，合成氨为48美元。
4、搭载二冲程发动机的新巴拿马型集装箱船
根据图3，二冲程双燃料发动机使用合成氨燃料的绝对减排潜力为每年约92千吨CO2当量，减排成本为每吨460欧元。若在二冲程氨燃料发动机中集成PTO轴带发电、废热回收和合成引燃油喷射技术，每年可减少多达102千吨CO2当量，减排成本降低至每吨450欧元。然而，这种配置会使推进方案变得更为复杂。对于一些发动机运营商而言，标准氨燃料发动机因其简洁性比有多种附加技术的发动机更受欢迎。对于二冲程甲醇发动机，其绝对减排量为每年约93千吨，成本为每吨640欧元。电制甲烷的绝对减排量也约为每年93千吨，成本为每吨500欧元。若采用相同的节能技术，甲醇和电制甲烷的绝对减排量分别增至98千吨和96千吨，成本则分别降至每吨590欧元和每吨510欧元。
使用甲醇和氨的燃料电池具有相对较高的绝对年减排量，减排量介于96至103千吨之间，减排成本在每吨580至1020欧元之间。与二冲程发动机相比，尽管这实现了更高的绝对年度减排量，但是其成本也相应地高达两倍。
具有船载碳捕集技术的二冲程发动机在使用液化天然气时，每年能够实现约80千吨的CO2当量减排，减排成本为每吨460欧元。而当使用超低硫燃料油时，每年减排量约为77千吨CO2当量，成本则升至每吨1590欧元。需要注意的是，该系统及其相关成本并未包括卸载捕集/储存碳的部分，同时也不包括碳经济可能带来的潜在收益。目前，碳经济的模式和潜力尚不确定，因此这也为船上的碳捕集带来了相应的风险。
使用液化天然气为燃料的二冲程发动机每年能够实现约13千吨的CO2当量减排，减排成本为每吨790欧元。而当该发动机配置了PTO轴带发电、废热回收以及合成引燃油喷射技术后，每年减排量大幅提升至约27千吨CO2当量，同时减排成本降低至每吨440欧元。通过将船载电力生产转移至二冲程内燃机，轴带发电机与使用四冲程辅助发电机组发电相比，具有明显减少甲烷逃逸的优点，从而对减排效果产生显著影响。沼气和合成甲烷是另外两种可用于提高绝对减排量的替代燃料。在过渡阶段，这两种燃料的减排效果尤为显著，但相应的每吨成本也会有所增加。
最后，使用液化天然气为燃料绿色航运Green Shipping的固体氧化物燃料电池每年能够实现约23千吨的CO2当量减排。尽管减排效果可观，但这一技术的成本相对较高，每吨的减排成本达到1140欧元。
5、搭载二冲程发动机的2000标准箱的支线船
对于2000标准箱的支线船和新巴拿马型集装箱船而言，其绝对减排和减排成本的模式存在一定的相似性——这主要适合较小规模的船舶和较低的能源消耗。与新巴拿马型集装箱船相比，2000标准箱的支线船的年度排放量较低，因此无论采用何种技术，其绝对减排潜力相对较小。推进技术在图4中的相对位置虽然相似，但仍存在一些例外情况。例如，较低的功率消耗——新巴拿马型船的能耗约为126吉瓦时，而支线船的能耗约为42吉瓦时——导致二冲程发动机在使用液化天然气时的成本增加，减排成本超过每吨1030欧元，这是因为相对较低的能耗，导致液化天然气系统的初始投资成本相对较高。
在固体氧化物燃料电池的使用上，情况有所不同。使用液化天然气的燃料电池成本每吨降低了220欧元，这是因为大型集装箱船与支线船在安装效果上存在差异。大型集装箱船倾向于安装备用容量高的大型发动机，而小型集装箱船的安装效果与其实际使用效果更为匹配。因此，对于支线船而言，其燃料电池方案的规模较小，减排成本为每吨920欧元 ；而新巴拿马型船的减排成本则接近每吨1140欧元。根据计算，假设液化天然气的成本低于其他燃料，结合船载碳捕集技术的二冲程双燃料发动机理论上可以实现中等偏上的绝对减排量。然而，在TRL5—6阶段，实际成本仍无法确定。此外，还涉及到与卸载和认证/文件相关的财务和实际风险及系统复杂性增加的风险。
6、搭载二冲程发动机的卡姆萨尔型散货船
卡姆萨尔型散货船的绝对减排潜力和减排成本也呈现出与前述船型相似的模式。然而，它在本文所讨论的三种船型中的能耗最低，仅为24吉瓦时，因此其绝对减排潜力也相应较低。对于这种船型，使用液化天然气二冲程双燃料发动机的成本相对较高。这主要是因为与大型船舶相比，较小的船舶在使用液化天然气系统时的资本支出与能源消耗之间的比例更大。如果不采用任何节能技术，其减排成本为每吨1470欧 元。然而，如果结合PTO轴带发电和废热回收技术，减排成本可以降至每吨940欧元。
综上所述，对于大型商船或高能耗船舶而言，最经济且简便的脱碳方式是采用氨燃料发动机，其次是甲醇发动机和电制甲烷发动机。
而对于小型商船和低能耗船舶，甲醇相比氨燃料更具优势，因为甲醇的资本支出增加相对有限。通过结合各种附加技术，可以略微降低年度绝对减排量和减排成本，但代价是机舱的结构变得更加复杂。燃料电池的年度绝对减排量较高，但成本高于二冲程发动机。目前该技术仍在开发阶段。此外，船载碳捕集技术也在研发中，可作为短期合规的过渡方案，但还不足以在2050年实现净零排放。因此，除了燃料电池和碳捕集技术外，还需要其他技术的支持。总体而言，燃料电池和碳捕集技术在岸上应用中可能对航运脱碳作出主要贡献，例如在燃料生产过程中；因为与船上应用相比，这些技术的效率和成本都可能得到进一步优化。
未来展望
IMO修订后的温室气体战略与《巴黎协定》第2条的2℃净零航运路径保持一致。然而，在2023年夏天的MEPC 80会议后，一些批评人士对该战略与1.5℃温控目标不一致表示失望。但为单一行业设定不同目标可能会带来不公平的竞争优势，因此对航运业设定额外目标可能是一种惩罚。如果航运部门能够证明其在运营中实施和推广脱碳技术的能力，那么温室气体战略有可能进一步修订。但在作出这样的决定之前，航运业需要得到其他部门的承诺，确保这些部门也致力于实现1.5℃温控目标，而不是2℃。这种承诺可以在缔约方会议上正式达成。一旦《联合国气候变化框架公约》的缔约国签署新的协议，航运业将做好准备，确保所有部门都能在平等的商业条件下运营。
在等待IMO的中期措施期间，我们的初步结论是，双燃料发动机，尤其是与节能技术相结合，将更有利于新建船舶。随着2050年的临近，这一趋势预计将进一步稳固和加强。对于现有船舶，尤其是大型或高能耗船舶，将燃油发动机改装双燃料发动机具有明显优势。在某些情况下，仅进行能效改装可能就足以符合未来的排放要求，但这具体取决于船舶的船龄和运营模式。
在订购新船时，考虑到未来潜在的改装需求，可能会存在一定的风险。如果几年后改装需求激增，船厂可能无法应对所有改装任务，从而无法确保每艘船都能得到及时和高质量的改装。通过在新船订购时选择双燃料发动机，则可以提前锁定双燃料建造的船厂建造船位。
为了推动海事领域的脱碳化，必须确保有足够数量的净零排放燃料与推进技术相匹配。这意味着需要对能源价值链进行投资，并优先考虑航运业的利益。面对“先有鸡还是先有蛋”的困境，我们需要同时部署技术和拓展合成燃料的可用性。因此，船东在为新建船舶选择减排技术时，能源供应商也需要确保合成燃料的供应能够满足船队的运行需求。在实践中，电制甲醇、电制氨和电制甲烷等合成燃料将具有市场需求。作为净零燃料价值链的一部分，我们需要扩大绿氢的生产规模。来自碳税的资金可以有效地用于支持这一目标的实现。
海事能源转型已经开始，该行业正在逐步扩大规模并实施脱碳技术。
