全球零排放船舶研發(fā)全景掃描

據克拉克森測算，2019年航運業(yè)碳排放約8.19億噸，占當年碳排放總量的2.5％(總量約330億噸)。近年來(lái)，為滿(mǎn)足航運碳排放控制要求，全球開(kāi)展了一系列綠色船舶技術(shù)研究，其中零排放船舶研發(fā)是實(shí)現“碳中和”目標的重要途徑。船舶要實(shí)現零排放，關(guān)鍵依靠動(dòng)力變革。從近幾年全球零排放船舶研發(fā)現狀來(lái)看，研究熱點(diǎn)涉及替代燃料(氨燃料、氫燃料)、電池(蓄電池、燃料電池)、核能、可再生能源等。

氨燃料動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

當前，全球氨燃料動(dòng)力船舶仍處于研發(fā)階段，主要針對油船、集裝箱船、散貨船等主流船型及液化氣船進(jìn)行開(kāi)發(fā)，預計在2025年前后能夠實(shí)現商業(yè)化運營(yíng)。中、韓、日等國船廠(chǎng)普遍與歐洲發(fā)動(dòng)機公司和船級社合作，加快氨燃料動(dòng)力船舶研發(fā)與應用進(jìn)程，其中我國與韓國的多家船廠(chǎng)走在前列，多艘船型設計已獲得船級社原則性批準。

韓國現代尾浦造船、大宇造船海洋、三星重工、大韓造船等公司開(kāi)展了氨燃料動(dòng)力油船、集裝箱船設計。2020年7月，韓國現代尾浦造船設計的5萬(wàn)載重噸氨燃料動(dòng)力MR型油船獲得英國勞氏船級社(LR)原則性批準；2020年9月，韓國大宇造船海洋聯(lián)合德國MAN共同研發(fā)的2.3萬(wàn)標準箱氨燃料動(dòng)力集裝箱船獲得LR原則性批準，同時(shí)韓國三星重工、MAN和LR共同研發(fā)的8.5萬(wàn)～12.5萬(wàn)載重噸級蘇伊士型氨動(dòng)力油船獲得LR原則性批準；韓國大韓造船公司也正在開(kāi)展11.5萬(wàn)載重噸級阿芙拉型氨燃料動(dòng)力油船的設計與研究。此外，為了滿(mǎn)足未來(lái)航運對氨燃料的旺盛需求，2021年5月，韓國現代重工集團聯(lián)合氨燃料生產(chǎn)與儲存、造船、航運等領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)公司，欲協(xié)同打造氨燃料海上運輸產(chǎn)業(yè)鏈，搶占海洋氨燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機。

日本在氨燃料動(dòng)力船舶研發(fā)方面與中、韓相比較滯后，日本郵船等正在開(kāi)發(fā)一艘以氨氣為主要燃料的氨動(dòng)力氨氣運輸船(AFAGC)，以及一艘氨氣浮式儲存再氣化駁船(A-FSRB)，并在近期與挪威化肥公司雅苒國際達成聯(lián)合研發(fā)氨動(dòng)力氨氣運輸船協(xié)議。

歐洲偏重于氨燃料發(fā)動(dòng)機的研發(fā)，如MAN公司已參與多家船廠(chǎng)的零排放船舶開(kāi)發(fā)工作，而對于氨動(dòng)力船型開(kāi)發(fā)相對較少。2021年4月，挪威禮諾航運公司與船舶設計公司Deltamarin合作推出新的Aurora級零排放汽車(chē)運輸船，配備MAN公司B&W多燃料發(fā)動(dòng)機，未來(lái)稍作修改之后，可以過(guò)渡到使用氨氣等零碳燃料運營(yíng)。

中國船舶集團有限公司旗下的上海船舶研究設計院、大船集團、江南造船集團等開(kāi)展了氨燃料動(dòng)力散貨船、集裝箱船和液化氣船設計。2019年，上海船舶研究設計院18萬(wàn)噸氨燃料動(dòng)力散貨船獲得船級社原則性批準，同年，大連船舶重工集團有限公司和MAN公司設計的2.3萬(wàn)標準箱氨動(dòng)力超大型集裝箱船方案獲得船級社原則性批準；2020年，江南造船集團研發(fā)的氨燃料動(dòng)力超大型液化氣體運輸船(VLGC)獲得船級社原則性批準；2021年3月，江南造船集團研發(fā)的氨燃料動(dòng)力中型液化氣船獲船級社原則性認證。

氫燃料動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

當前，日本以及挪威、荷蘭等歐洲國家開(kāi)展了氫燃料動(dòng)力船舶研發(fā)，涉及滾裝船、挖泥船及液氫運輸船等船型，皆處于研發(fā)階段，預計在2024年后能夠實(shí)現商業(yè)化運營(yíng)。

日本側重于大型遠洋氫燃料動(dòng)力運輸船舶及發(fā)動(dòng)機的研發(fā)。2021年1月，日本川崎重工宣布將建造全球首艘大型液化氫運輸船，該船總長(cháng)約300米，型寬約50米，采用燃燒氫氣產(chǎn)生的蒸汽帶動(dòng)輪機為船舶提供動(dòng)力，計劃2026年完工；4月，川崎重工等多家日本公司宣布將開(kāi)發(fā)用于大型船舶的船用氫燃料發(fā)動(dòng)機，包括船用主機、輔機、發(fā)電機等各種用途的產(chǎn)品。

歐洲側重于近海氫燃料動(dòng)力運輸與作業(yè)船舶的研發(fā)。2020年，挪威啟動(dòng)研發(fā)一艘以液態(tài)氫(LH2)為燃料的零排放滾裝船“Topeka”輪，該船可向挪威沿海的氫樞紐碼頭輸送LH2，計劃于2024年投入使用；2021年4月，荷蘭皇家IHC公司與荷蘭交通水利局合作開(kāi)發(fā)的氫燃料動(dòng)力耙吸式挖泥船獲法國船級社原則性批準，該船計劃在2024年投入運營(yíng)，將為荷蘭實(shí)現海岸線(xiàn)維護過(guò)程的碳中和提供重要支撐。

圖1 挪威氫燃料動(dòng)力滾裝船“Topeka”輪(圖源/網(wǎng)絡(luò ))

燃料電池動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

當前，全球開(kāi)展的零排放燃料電池動(dòng)力船舶研發(fā)主要集中于氫燃料電池，也有部分國家正在開(kāi)展氨燃料電池研究，主要面向內河運輸小型船舶，目前基本處于研發(fā)試驗階段，且大部分與其他動(dòng)力混合使用。

歐洲對氫燃料電池動(dòng)力船舶的研究較多，涉及內河運輸船舶、海工作業(yè)船及試驗船等。2019年，德國柏林科技大學(xué)設計研發(fā)了一艘氫燃料動(dòng)力推船“艾麗卡”(Elektra)，該推船長(cháng)20米，采用氫燃料電池(主動(dòng)力)、蓄電池等混合動(dòng)力驅動(dòng)，將用于柏林和漢堡之間的貨物運輸；2020年9月，意大利芬坎蒂尼船廠(chǎng)開(kāi)建氫燃料電池動(dòng)力試驗船ZEUS號，配備柴電混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機和氫燃料電池系統，將作為研究船用燃料電池技術(shù)的重要載體；2020年，挪威Ulstein公司推出了一種氫燃料電池海上風(fēng)力發(fā)電機安裝船的新設計，采用燃料電池+柴油電力推進(jìn)混合動(dòng)力系統，能在75%的時(shí)間以零排放模式運營(yíng)；2021年6月，荷蘭達門(mén)船廠(chǎng)與荷蘭一家內河航運公司簽訂了氫燃料電池內河駁船建造合同，該船長(cháng)135米，計劃在2023年下水交付。此外，芬蘭瓦錫蘭公司與挪威Eidesvik等公司正在合作研發(fā)一艘以氨燃料電池動(dòng)力零排放大型船舶，預計最早將于2024年下水。

圖2 氫燃料電池動(dòng)力試驗船ZEUS號(圖源/網(wǎng)絡(luò ))

日本一直注重氫燃料電池動(dòng)力的研發(fā)。商船三井等正在開(kāi)展“Wind Hunter”風(fēng)能和氫燃料電池混合動(dòng)力零排放船舶研發(fā)項目，涉及風(fēng)能推進(jìn)、風(fēng)能制氫、氫燃料電池等技術(shù)，項目前期將利用一艘帆船進(jìn)行概念驗證試驗。

我國也在推動(dòng)氫燃料電池動(dòng)力船舶研發(fā)。中國船舶集團正在開(kāi)展500千瓦級內河氫燃料電池動(dòng)力貨船研發(fā)，包括船型開(kāi)發(fā)和電池系統研制，已于2019年12月取得中國船級社原則性批準；2021年，武漢眾宇動(dòng)力系統科技有限公司船用燃料電池產(chǎn)品獲得中國船級社型式認可證書(shū)。

蓄電池動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

近年來(lái)，中國、日本及歐洲一些國家等開(kāi)展了蓄電池動(dòng)力船舶研發(fā)，包括內河客船、小型油船、集裝箱船等，電池容量逐步大型化以滿(mǎn)足續航需求，部分電動(dòng)船舶已投入運營(yíng)。

電動(dòng)船舶是日本解決沿海航運排放問(wèn)題的重要手段。2020年，日本船企組建了“e5聯(lián)盟”，旨在攜手開(kāi)發(fā)零排放電動(dòng)船并實(shí)現商業(yè)化，預計在2022年3月之前推出一艘在東京灣運營(yíng)的由大容量鋰離子電池供電的零排放油船。

挪威在電動(dòng)船舶研發(fā)方面較為突出，開(kāi)發(fā)了多艘電動(dòng)客船及小型貨船。2020年7月，挪威設計建造了全電動(dòng)零排放客船“Legacy Of the Fjords”號，該船采用碳纖維材料，船長(cháng)42米，電池容量2.4MWh，巡航速度可達16節；2020年11月，挪威Vard公司建造的電池動(dòng)力集裝箱船“Yara Birkeland”號完成交付，船長(cháng)80米，電池容量7MWh，最大航速13節，后續該船進(jìn)行測試及自主航行功能的再次開(kāi)發(fā)；2021年6月，挪威Fjellstrand船廠(chǎng)開(kāi)建全電動(dòng)客運快速渡船“Medstraum”號，該船采用鋁材雙體結構，全長(cháng)31米，電池容量2.4MWh，設計航速23節，計劃2022年試運行。

圖3 全電動(dòng)客運快速渡船“Medstraum”號(圖源/網(wǎng)絡(luò ))

我國已建造及在建多艘內河電動(dòng)船舶，包括客船、拖船及貨船等，如“君旅”號客船、“藍海豚2020”號客船、“中天電運001”號貨船、“長(cháng)江三峽1”號客船等，大部分電動(dòng)船舶電池容量在1～7.5MWh之間。

核動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

中國、美國、俄羅斯、西班牙、韓國等正在開(kāi)展核能技術(shù)在民用船舶上的應用研究，反應堆為壓水堆、熔鹽堆等堆型。受成本及潛在的安全風(fēng)險等因素制約，除俄羅斯運營(yíng)的核動(dòng)力破冰船外，現階段核動(dòng)力運輸船舶仍處于研發(fā)階段，距離商業(yè)化運營(yíng)還較遙遠。

美國泰拉能源公司正在開(kāi)發(fā)船用熔鹽反應堆技術(shù)，計劃用于大型船舶推進(jìn)動(dòng)力，并為清潔燃料制備提供能源；2020年，俄羅斯建造的全球最大核動(dòng)力破冰船“北極”號正式服役，目前正在建造更加強大的“領(lǐng)袖”級“俄羅斯”號核動(dòng)力破冰船，皆采用壓水堆；2021年，西班牙游艇制造商Iddes Yachts公司推出了一款核動(dòng)力科學(xué)探險船設計，該船將采用熔鹽堆，但受核動(dòng)力技術(shù)認證的限制，運營(yíng)初期將采用清潔燃料作為過(guò)渡，預計于2025年下水；2021年6月，韓國三星重工與韓國原子能研究所簽訂協(xié)議，將聯(lián)合研發(fā)核動(dòng)力船舶，采用小型模塊化熔鹽堆，計劃于2025年開(kāi)始原型堆的試驗。我國也在開(kāi)展海洋核動(dòng)力平臺研發(fā)，推出了核動(dòng)力綜合保障船和核動(dòng)力疏浚船等船型。

可再生能源動(dòng)力船舶

一些國家也開(kāi)展了風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源在小型船舶動(dòng)力領(lǐng)域的應用研究，但要用于大型船舶，需與其他動(dòng)力形式混合使用。2021年3月，英國風(fēng)船技術(shù)公司推出了一款用于遠洋散貨船和油船的零排放船舶解決方案，綜合了風(fēng)能、太陽(yáng)能、柴電推進(jìn)、碳捕獲等相關(guān)技術(shù)。

從近兩年全球零排放船舶研發(fā)現狀來(lái)看，根據船型大小和用途的不同，零排放船舶采用不同技術(shù)路徑，涉及氨燃料、氫燃料、電池、核能、風(fēng)能等相關(guān)動(dòng)力技術(shù)。綜合來(lái)看，未來(lái)，內河和沿海運輸及作業(yè)船舶等可通過(guò)電池技術(shù)實(shí)現零排放，大型遠洋運輸船舶及其他大型船舶則更多依賴(lài)氨/氫燃料等替代燃料實(shí)現零排放，核能、風(fēng)能可為替代燃料的制備提供能源保障；同時(shí)，多種動(dòng)力技術(shù)的綜合集成應用也將成為重要發(fā)展方向。我國應加快零碳排放船型開(kāi)發(fā)、零碳燃料船舶新型發(fā)動(dòng)機研制及船舶碳捕獲技術(shù)研究，搶占零排放船舶市場(chǎng)先機，助力碳達峰、碳中和目標的實(shí)現。