當前，全球貿易的90%通過海運完成，船舶海運帶來的環境污染問題受到國際社會的高度關注，為此國際海事組織出臺各項防止船舶污染的強制性規定。在此背景下，世界主要造船國家制定國家級綠色船舶發展規劃和措施，以期支持本國造船業和航運業盡快滿足國際環保公約規定。目前有一定應用經驗和發展潛力的綠色船舶主要包括可再生能源（甲醇、生物、風能）、替代燃料（氫能、氨能、LNG）、電池（蓄電池、燃料電池）。本文主要圍繞船用替代燃料、電池兩方面展開研究，詳細梳理了日歐韓等造船強國綠色船舶研發現狀，并分析了該領域當前面臨的瓶頸問題。
國際海事組織減少船舶溫室氣體排放初步戰略示意圖（圖片來源：《船舶綠色低碳發展趨勢與應對策略》）
一、世界主要造船國家綠色船舶研發現狀
（一）歐洲全面布局綠色船舶領域，引領全球綠色船舶發展
歐洲作為航運領域綠色轉型的全球領導者，近年來出臺一系列政策文件，對綠色船舶技術研發進行全面的規劃，力求掌握該領域核心技術，同時推進綠色船舶領域相關標準制定。
2018年12月，德國聯邦經濟事務和能源部發布新版《國家海洋技術總體規劃》（National Masterplan Maritime Technologies），首次將船舶制造與綠色航運新興領域列入德國政府重點布局領域。2020年10月，挪威船級社發布第四版《2050年海事展望》（Maritime Forecast to 2050）報告。報告預測，燃料選擇是航運業實現碳減排的關鍵要素，并指出到2050年，氨氣和生物甲醇將在船舶市場上占據較大份額。2021年7月，歐盟委員會正式提出推動航運業綠色轉型的歐洲綠色協議提案，包括將航運業納入歐盟碳配額交易體系（EU ETS）、Fuels EU Maritime提案以及可再生能源指令的修訂（RED）等一攬子計劃。該提案將確保2050 年前航運業完成從化石燃料到可持續燃料的轉變。
歐洲聚集了諸多航運巨頭，其在綠色船舶領域布局范圍廣，涉及氨燃料船舶、氫燃料船舶、LNG動力船等多型綠色船舶研發。在氨燃料領域，歐洲主導氨燃料發動機研發?[1]。德國曼恩公司和芬蘭瓦錫蘭公司均參與氨燃料發動機的研發。其中，曼恩公司研發出的多燃料發動機已成功應用于零排放船舶上，稍作修改即可使用氨燃料。瓦錫蘭主要在中高速機領域開展相關研究，預計推出的氨混合燃料發動機中氨的比例可達70%，2023年或推出純氨燃料發動機。在氫燃料領域，歐洲側重于氫燃料電池動力研究?[2]。2019年，德國柏林科技大學研發出一艘氫燃料動力推船，采用氫燃料電池、蓄電池等混合動力驅動。2020年，挪威Ulstein公司推出一款海上風力發電機安裝船新設計，其采用氫燃料電池與柴油混合動力系統。此外，芬蘭瓦錫蘭公司與挪威Eidesvik等公司正在合作研發一艘氨燃料電池動力大型船舶，預計最早將于2024年下水。在LNG領域，歐洲引領LNG船技術和標準發展。歐洲企業擁有LNG船領域諸多核心技術。例如，法國GTT公司掌握的薄膜型液貨艙圍護系統專利技術達到了壟斷級別，外國船企每建造一艘LNG船就要給GTT公司繳納1000萬美元左右的專利費。而挪威作為全球首個引入LNG動力船的國家，其率先制定了LNG動力船相關標準。
（二）日本將開發清潔替代燃料視為促進綠色船舶發展的有效途徑
在航運業脫碳大背景下，日本政府陸續出臺多項綠色船舶戰略規劃文件，從國家層面積極布局未來船舶技術發展，將開發氫、氨等清潔燃料作為未來船舶領域研發重點之一。近年來，在船舶訂單量逐漸落后的情況下，日本希望通過搶占綠色船舶這一領域趕超中韓，重振造船業。
2020年5月，日本政府出臺《零排放國際航運路線圖》（Roadmap to Zero Emission from International Shipping），重點展示了四個新型“零排放生態船舶”設計概念，即氫燃料船、氨燃料船、船上二氧化碳捕獲船和超高效液化天然氣燃料船。2021年2月，日本經濟產業省發布《2050碳中和綠色增長戰略》（Green Growth Strategy），提出到2050年將現有船用傳統燃料全部轉化為氫、氨、液化天然氣等清潔燃料。2021年8月，日本國土交通省發布綠色挑戰賽，提出在2030年前實施一攬子交通領域綠色化項目，其中在船舶領域提出要研發低碳化、脫碳化技術。
在一系列政策指引下，以三菱重工、川崎重工、大島造船、常石造船為代表的日本船企近年來在氫燃料、氨燃料等領域展開研究并取得突破。在氫燃料領域，積極開展氫燃料動力、混合動力船舶的設計研發。目前，川崎重工聯合日本發動機巨頭正同步開發氫燃料低速、中速、高速發動機，希望到2026年左右推出一系列可用于各種船型的氫燃料船舶發動機。2021年，日本常石集團造船公司推出全球首艘氫動力渡輪“Hydro Bingo”。該船配備了兩臺氫-柴雙燃料發動機，實現較傳統柴油發動機減少50%的二氧化碳排放。在氨燃料領域，打造涵蓋船舶建造、設備研制、燃料加注的氨燃料全產業鏈。當前，日本在氨動力船舶設計研發方面較為滯后，但其在布局氨燃料產業鏈方面走在前列。2021年，日本商船三井與伊藤忠財團合作開發氨動力船的燃料供應網絡。
（三）韓國在鞏固完善LNG動力船的同時，發力氨燃料船舶
韓國作為世界造船強國，其在船舶眾多細分領域走在世界前列，綠色船舶領域亦是如此。多年來，韓國政府和企業通過多種舉措表明其支持造船業及航運業向綠色化轉型的決心，希望通過相關技術研發拉大與中日兩國競爭對手的距離，在面向未來的綠色船舶產業中獲得更大的市場份額。
2018年11月，韓國政府出臺造船產業活力提高方案，指出要大力發展綠色船舶及其配套技術，并首次提到要研發氫、氨等清潔燃料。2020年12月，韓國政府公布環保船舶十年規劃，指出到2030年前將公共和民間部門的528艘船舶改造成環保船，并開發可實現減排70%目標的溫室氣體減排技術。2021年4月，韓國政府發布《2030綠色船舶推進戰略》（2030 Greenship-k Promotion Strategy）。根據這一戰略，韓國將在未來5年投入364億韓元推進綠色船舶測試平臺的開發。從韓國政府發布的一系列文件中可以看出，韓國造船業已將發展綠色船舶產業作為未來產業發展的突破口，全面布局并積極推進造船業“綠色化”。
在綠色船舶領域，韓國目前發展較為成熟并走在世界前列的是LNG動力船，以三星重工、大宇造船、現代重工為代表的韓國船企掌握了該型船舶眾多關鍵技術。近年來，三大船企分別研發出各自的LNG船燃料供給設備系統S-Fugas、HiVAR-FGSS、Hi-eGAS。該系統將氣化出的天然氣輸送至油船的動力主機和發電輔機以供給燃料，是LNG船的關鍵設備。此外，三大船企業相繼推出自主研發的液貨艙圍護系統SCA、Solidus、High Japs。同時，三大船企還合作研發出“KC-1”LNG液貨艙圍護系統。液貨艙圍護系統是LNG船的關鍵核心設備，其技術門檻高，長期以來一直被法國GTT公司壟斷，韓國希望實現國產化擺脫對外依賴。韓國目前自主研發的液貨艙圍護系統因缺乏實用案例均不肯被海外船東采用，尤其是“KC-1”于2018年投入使用出現一系列問題后，市場前景更加渺茫。目前，三大船企正在推進國產第二代LNG液貨艙圍護系統“KC-2”的研發，相關工作計劃2023年前完成。除LNG船外，韓國船企也開始布局氨燃料船舶領域。2021年，韓國船級社發布《氨燃料動力船舶報告》。同年，現代重工的環保氨燃料供應系統概念設計獲得韓國船級社頒發的原則性認可證書（AIP），是韓國造船業界首次在此類船舶上獲得突破。
二、綠色船舶發展遇到的瓶頸問題
盡管當前綠色船舶清潔燃料研發正在全球范圍內如火如荼地進行著。但總體來看，國內外氫燃料、氨燃料、LNG等清潔燃料均處于研究階段，仍有諸多涉及技術、監管、基礎設施等層面的難題有待解決，距離大規模商業應用階段還有很長的路要走。
（一）氫燃料上船應用面臨儲氫、加氫等技術難題
氫燃料作為一種清潔燃料，在環保法規日益嚴格的情況下，已成為當下最受關注的替代燃料之一。盡管全球氫燃料研發提速，但氫燃料在船舶上應用的技術成熟度仍未進入大規模商業應用階段，仍有三方面技術瓶頸需打破：一是高密度儲氫技術仍不成熟。當前高壓儲氫技術儲氫密度較低，無法滿足常規船舶對于燃料續航力的要求，未來船舶儲氫將向能量密度更高的液化儲氫方向發展，金屬氫化物儲氫、液體有機化合物儲氫等其他高能量密度儲氫技術均是潛在的船用儲氫方式，也是未來船舶行業大規模應用氫能亟需打破的技術瓶頸?[3]。二是船舶專用加氫基礎設施不完善。船舶在長距離航行中需要停靠碼頭及時補充氫燃料，需要有較為完善的加氫基礎設施網絡。但目前全球范圍內船舶專用加氫設施較少，進一步限制氫燃料船舶長距離、長時間航行。三是氫燃料電池續航力難以滿足遠洋航行。目前，氫燃料電池功率密度不夠大，續航力遠不能滿足遠洋船舶需求，只能作為輔助能源來使用。
（二）氨燃料上船應用面臨技術、監管、安全等方面的挑戰
氨在常溫常壓下為化學性質穩定的無色氣體、易液化、易于儲存和運輸，燃燒時不會排放碳顆粒，在綠色船舶領域有較大的應用潛力。但氨作為船舶燃料使用仍面臨諸多難題。從技術角度看，一是目前的技術還難以穩定維持氨燃料在內燃機中充分燃燒。氨在不充分燃燒時將產生一氧化二氮，該氣體是一種比二氧化碳溫室效應更高的氣體。二是“綠氨”的制取方法仍是一大難題。氨氣主要是氫氣和氮氣在高溫高壓下發生催化反應而生成，目前廣泛使用的制氨工藝是20世紀初提出的哈伯-博世工藝。該工藝本身以化石燃料為氫源和熱源，會造成大量的二氧化碳排放。從監管角度看，當前現有法規框架尤其是國際海事組織的《國際船舶使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規則》（IGF守則）未明確涵蓋使用氨的方面，進一步制約氨燃料上船應用。此外，氨燃燒時會排放氮氧化物，這樣的排放將受到《船用柴油機氮氧化物排放控制技術規則》的制約。從安全角度看，氨具有毒性和腐蝕性，其與石油、氯氣等燃料混合，或與金、汞等重金屬反應時，會引起快速爆炸。
（三）LNG動力船面臨成本、監管及基礎設施等方面的挑戰
LNG動力船是目前所有綠色船舶中發展較為成熟的船舶，但仍存在三方面挑戰。一是新建或者改造成本高?[4]。LNG動力船尤其是大型LNG船新建成本非常高。而對于現有的船舶而言，在使用LNG燃料作為動力前，需要對船舶的相關設備進行改裝，這一過程也需要投入巨額資金。對船東而言，經濟性是其選擇是否進行改裝的決定性因素。雖然在國際環保公約日益收緊的大環境下，LNG動力船可以減少碳排放量。但據相關文獻，采用LNG動力僅能實現碳減排20%，與高昂的改造費用相比，難免會覺得“性價比”不高。二是監管機制有待完善。從全球范圍看，歐洲對于船舶應用LNG燃料及加注的監管以港口監督為主，歐洲的主要港口大都已制定了較為相關的監管要求，北美及東北亞地區相關的監管要求尚未完善?[5]。三是全球范圍內的LNG加注站不足。LNG燃料的可獲得性和加注便利性是發展LNG動力船的關鍵因素。目前，LNG加注站主要集中在北歐、北美和東北亞地區。隨著LNG動力船的規模逐漸擴大，需要更多的LNG加注設施。根據新加坡Pavilion能源公司統計數據，LNG加注需求預計到2025年前將增加大約900萬噸以及到2030年前將增加大約3000萬噸。
三、綠色船舶未來發展趨勢
（一）綠色船舶將逐漸由雙燃料船向單一清潔燃料船過渡
作為解決船舶節能減排問題的終極方案，氫燃料、氨燃料、LNG等替代燃料可實現真正意義上的零碳排放。然而，在替代燃料大規模商用仍存在較大技術、監管、成本等問題的制約下，各國船東選擇將雙燃料船舶作為一種向單一清潔燃料動力船舶過渡的綠色船型。雙燃料船舶是指能同時混燒兩種燃料的柴油機，除柴油外還可以燃燒LNG、氨氣、甲醇等碳氫化合物。目前，日歐韓諸多船企均選擇引入雙燃料發動機。未來，隨著技術不斷成熟、監管機制逐漸健全，單一燃料動力船舶將逐漸成為主流船型，在航運業節能減排上發揮關鍵作用。
（二）綠色船舶配套設施市場將迅猛增長
正如第二部分所述，綠色船舶當前面臨諸多瓶頸問題，如配套設施不完善，尤其是全球范圍內的LNG等加注設施已逐漸無法滿足面向未來的LNG動力船市場需求。根據新加坡Pavilion能源公司預測，未來十年全球LNG加注需求或增加30倍。在航運業節能減排大形勢下，氫燃料船、氨燃料船、LNG動力船等綠色船舶發展將進入快車道，與之相應的配套設施產業發展潛力巨大。為避免出現類似“有船無站”的情況，目前全球船東已開始布局綠色船舶配套產業，確保綠色船舶與配套產業同步發展。可以預見，綠色船舶配套設施市場將迎來快速發展期。
（三）綠色船舶動力繼續向著多元化方向發展
近幾十年來，為滿足航運業逐漸嚴苛的碳排放要求，業界開展了一系列綠色船舶技術研究，推動綠色船舶燃料動力向著多元化方向發展，重點聚焦氫燃料、氨燃料、LNG、甲醇等多種替代燃料。從目前市場關注的眾多選項來看，尚未有一種燃料能夠完全替代傳統能源，各類燃料各有優缺點。例如，氫燃料由于加注體系問題，中短期內應用到大型遠洋船上的可能性較小；氨燃料泄露會有中毒風險且燃燒不充分會產生氮氧化物；LNG更多的是作為一種過渡燃料使用，因其燃燒仍會產生二氧化碳。在此背景下，綠色船舶替代燃料將繼續向著多元化方向發展，共同助力航運業節能減排。
四、結語
綠色低碳、節能減排是船舶航運業發展大趨勢。日歐韓等造船強國均已將綠色船舶技術列為船舶工業的優先發展項目，確保本國在該領域的技術領先地位。綠色船舶同時也是我國船舶工業提升國際競爭力的重點布局領域。近年來，我國在綠色船舶領域也取得一定成果：LNG動力超大型集裝箱船、散貨船、油船、客滾船等進入了實船建造階段；甲醇、氫燃料、氨燃料動力船型也在研發過程中。但與日歐韓相比，相關能力仍需完善，一方面在技術創新方面，加快推進開創性綠色船舶設計理念，圍繞關鍵核心技術開展攻關研究；另一方面在綠色船舶配套設施方面，不斷優化船舶配套產業格局，加速核心設備自主化進程，持續推進綠色船舶市場化應用。
參考文獻
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作者簡介
武志星 國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究四室，三級分析員
研究方向：海洋和核領域形勢跟蹤及關鍵核心技術、前沿技術研究
聯系方式：wuzhixing@drciite.org
