汪穎異

IMO對氮氧化物、溫室氣體、硫、顆粒物等排放物的限制做出了嚴(yán)格規(guī)定。目前，氮氧化物以及硫氧化物的限制已經(jīng)開始實(shí)施，EEDI第三階段或?qū)⑻崆皩?shí)施， 中國船舶科學(xué)研究中心收集了從2013年1月至2017年11月所承接完成的126艘實(shí)船所測得的EEDI數(shù)據(jù)，與IMO在同時(shí)間段收錄的2452艘實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果顯示，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，僅有不到1%的船可以滿足EEDI第三階段的要求。從滿足EEDI的船型以及目前普遍的節(jié)能技術(shù)對EEDI的貢獻(xiàn)度可以看出，僅僅靠節(jié)能技術(shù)已經(jīng)很難滿足未來更為嚴(yán)苛的環(huán)保要求，綠色燃料的使用是大勢所趨。

船用燃料的轉(zhuǎn)變

圖1 重油、LNG和氫的發(fā)展態(tài)勢

船用燃料的轉(zhuǎn)變主要在于碳、氮、硫在燃料組份中的遞減，目前通過使用LNG燃料，基本無氮氧化物和硫氧化物的排放，但是只能減少20%～30%CO2的排放，從長遠(yuǎn)來看，無法滿足更高的環(huán)保要求。隨著環(huán)保要求的提高，脫碳一直是燃料的痛點(diǎn)，業(yè)界對航運(yùn)界未來燃料的使用已經(jīng)有相關(guān)的研究，如有機(jī)構(gòu)預(yù)測，LNG、甲醇等有望作為中期的替代燃料，而終極燃料鎖定為氫、氨和生物合成燃料。還有機(jī)構(gòu)預(yù)測，重油的使用比例將逐漸減少，LNG的使用比重逐漸增加，到2025年將會逐漸開始使用氫作為燃料。

通過研究，重油、LNG和氫的發(fā)展態(tài)勢如圖1所示。隨著高環(huán)保要求的到來，燃料的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。在這期間，我們可以不斷去完善現(xiàn)有技術(shù)，比如空氣潤滑減阻技術(shù)、水動力節(jié)能技術(shù)等。LNG是目前比較熱門的船用燃料，能夠滿足現(xiàn)階段的環(huán)保要求，關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)基本完成，正在從導(dǎo)入期走向成長期，我們需要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)的工程化應(yīng)用。氫燃料是目前熱門的話題，但是在大型船舶上還未實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，歐洲各國、日本等正在對關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行科研攻關(guān)，氫燃料正從萌芽期走向?qū)肫冢覈枰线@些國家的腳步，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)的科研攻關(guān)。

LNG動力船市場情況

2010年到2020年6月的LNG動力船滲透率如圖2所示。到目前為止，LNG的滲透率達(dá)到了1.3%，雖然占比不大，但是近幾年LNG動力船在逐年增加。

盡管利用LNG動力的主要是LNG運(yùn)輸船，但是這兩年非LNG運(yùn)輸船利用LNG動力的情況也在逐年增加。三大主力船型使用LNG動力的情況如圖3所示，三大主力船型中，液貨船是使用LNG動力最多的船型。

1、LNG動力液貨船

LNG動力液貨船（不包括LNG運(yùn)輸船）的訂單這兩年呈現(xiàn)明顯上升狀態(tài)（如圖4所示）。從2018年開始LNG動力液貨船訂單量一路飆升，今年上半年共有14艘該船型的訂單。從細(xì)分市場上來看（如圖5所示），化學(xué)品/成品油船是使用LNG動力最多的船型，目前共有41艘，其次是阿芙拉型油船，目前共有36艘。

圖2 LNG動力船的滲透率

圖3 三大主力船型使用LNG動力的情況

圖4 2013～2020年LNG動力液貨船新接訂單占比

圖5 LNG動力液貨船的細(xì)分船型

從船東來看，訂購LNG動力液貨船的船東都是全球較大的航運(yùn)公司，如俄羅斯Sovcomflct、馬來西亞AET、加拿大Teekay、新加坡EPS，除新加坡EPS外，其他船東均將訂單給了韓國，由此可見韓國船廠在建造LNG動力液貨船方面?zhèn)涫艽瑬|青睞。

從航線上來看，LNG動力液貨船的航線主要是在四個(gè)排放控制區(qū)，如表1所示。

以30萬DWT的VLCC為例，對使用雙燃料和開式脫硫塔及低硫油的情況進(jìn)行對比。這艘船的航線為沙特阿拉伯-中國，使用雙燃料、開式脫硫塔（重油）和低硫油+輕柴油的NPV（凈現(xiàn)值）如圖6所示，圖中情景一和情景二的燃油價(jià)格預(yù)測值不同，兩種情景是預(yù)測未來10年福賈伊拉的燃料價(jià)格，如圖7所示。

表1 LNG動力液貨船的主要航線

一般來說，燃料成本占營運(yùn)成本的60%，因此燃料價(jià)格對NPV的影響很大。兩種情景下，使用開式脫硫塔的經(jīng)濟(jì)效益要優(yōu)于使用雙燃料，這是由于安裝脫硫塔時(shí)使用的燃料為重油，在兩種情景下預(yù)測HFO（重油）的價(jià)格基本都高于LNG，并且雙燃料動力系統(tǒng)的建造成本比脫硫塔高，具體建造價(jià)格如圖8所示。在兩種情景下使用LNG的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于使用MGO（輕柴油）+VLSFO（低硫油）的模式，盡管傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)建造成本比雙燃料動力系統(tǒng)低很多，但是兩種情景下LNG的價(jià)格比輕柴油和低硫油低很多。

圖6 30萬DWT VLCC使用不同燃料經(jīng)濟(jì)效益比較

圖7 兩種情景的燃料價(jià)格

圖8 雙燃料動力系統(tǒng)、脫硫塔和傳統(tǒng)的動力系統(tǒng)的建造成本

圖9 滿載13.5節(jié)、壓載14.5節(jié)的經(jīng)濟(jì)效益比較

根據(jù)某機(jī)構(gòu)預(yù)測，2020年安裝洗滌塔的船舶將超過3500艘，但是僅占世界船舶總量58500艘的6%左右。盡管其能在短期內(nèi)減少硫排放，但是不能給溫室氣體的減排帶來任何作用，并且目前有些國家己經(jīng)限制開式洗滌塔在其海域中排放廢水。從長遠(yuǎn)來看，洗滌塔的使用并不是一個(gè)好的選擇，采用LNG在環(huán)保上和經(jīng)濟(jì)效益上是較好的選擇。如圖9所示，當(dāng)航速增加時(shí)，使用雙燃料的經(jīng)濟(jì)效益增加明顯。

2、LNG動力集裝箱船

LNG動力集裝箱船的訂單情況與液貨船類似，如圖10所示，從2017年開始訂單增加明顯，并且從此開始萬箱以上的訂單開始增加。今年上半年全球共簽訂19艘箱船，其中有2艘為LNG動力，為15000TEU的箱船。

細(xì)分船型如圖11所示，15000TEU的集裝箱船是使用LNG動力最多的船型。

從航線上來看，支線型的LNG動力集裝箱船主要在四個(gè)排放控制區(qū)航行，萬箱以上的主要航行于亞歐航線上。從船東來看，萬箱以上的船東都是大船東，并且對LNG燃料持支持態(tài)度。LNG動力集裝箱船的主要船東和航線如表2所示。

3、LNG動力散貨船

到目前為止，LNG動力散貨船僅有9艘，只有1艘在運(yùn)營，但近兩年訂單也呈增長態(tài)勢。LNG動力散貨船的訂單、船東以及航線如表3所示。

LNG動力散貨船主要航線是澳大利亞—亞洲，這條航線相對來說比較短，并且在日本和韓國有較完善的加注設(shè)施，出于這些原因，船東選擇在這條航線上進(jìn)行LNG動力散貨船的探索。新加坡的EPS是第一次與外高橋合作，從上面的分析來看，這家船東在油、集、散三大船型中都訂造了LNG動力船舶，體現(xiàn)了這家船東對LNG動力船舶的樂觀預(yù)期。

圖10 LNG動力集裝箱船的新接訂單占比

圖11 LNG動力集裝箱船細(xì)分市場

以21萬DWT的 散 貨 船 為例，這艘船的航線為澳大利亞—中國的航線。將使用雙燃料與使用開式脫硫塔、使用雙燃料與使用MGO+VLSFO的NPV做了對比，具體結(jié)果圖12所示。圖中情景一與情景二是所預(yù)測的燃料價(jià)格不同，兩種情景預(yù)測是預(yù)測未來10年內(nèi)新加坡的燃料價(jià)格，如圖13所示。從圖13中可以看出，只有在情景一時(shí)使用開式脫硫塔也就是使用HFO的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)于使用雙燃料，主要原因是開式脫硫塔的建造成本比雙燃料系統(tǒng)低很多（建造成本如圖14所示），而HFO的價(jià)格僅僅比LNG高了一點(diǎn)。由于LNG的價(jià)格比MGO和VLSFO低很多，使用雙燃料比使用MGO+VLSFO有絕對的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

氫燃料動力船研究

1、氫燃料的儲運(yùn)

氫燃料上船最先要解決的問題是氫的儲存，現(xiàn)有的儲氫方式主要有高壓氣態(tài)儲氫、液態(tài)儲氫和金屬氧化物儲氫，這三種方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表4所示。就目前的技術(shù)來說，氣態(tài)儲氫是最成熟的，但作為船用燃料，液態(tài)儲存是比較好的方式。

HFO、LNG和LH2（液氫）的屬性如表5所示。從排放的污染物上來看，LH2是最清潔的，并且它的質(zhì)量能量密度是HFO的三倍、是LNG的兩倍，少量的燃料就能釋放出巨大的能量，從這幾點(diǎn)來看，LH2是非常好的船用燃料。但是，使用LH2也會有不利影響，例如，LH2的體積能量密度比較小，這就會導(dǎo)致船的貨運(yùn)經(jīng)濟(jì)性下降；LH2爆炸極限的范圍大，安全性無法保證；LH2揮發(fā)率高，對儲罐要求高。

表2 LNG動力集裝箱船的主要船東和航線

表3 LNG動力散貨船情況

圖12 21萬DWT 散貨船使用不同燃料經(jīng)濟(jì)效益比較

圖13 兩種情景的燃料價(jià)格

圖14 21萬DWT散貨船上雙燃料系統(tǒng)、開式脫硫塔和傳統(tǒng)的系統(tǒng)的建造成本

表4 三種儲氫方式的優(yōu)缺點(diǎn)

氫的運(yùn)輸環(huán)節(jié)中，適合H2大宗跨洋運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)主要有H2液化、LOHC（脫氫后的液態(tài)有機(jī)物載體）和氨（NH3）三種方式。H2液化是通過物理降溫方式，而LOHC和NH3是通過化學(xué)方法把氫與有機(jī)介質(zhì)結(jié)合形成更大的分子，使其更容易以液體形式運(yùn)輸，但LOHC和NH3往往不能作為最終產(chǎn)品直接使用，需要在到達(dá)目的地后通過化學(xué)方法把H2再生。這三種運(yùn)輸方式的具體情況如表6所示。從表中看出，用LOHC和NH3可以液態(tài)運(yùn)輸，就意味著對儲罐的要求沒有那么高，但是用LOHC儲運(yùn)體積儲氫量和質(zhì)量儲氫系數(shù)都不如NH3，并且NH3在農(nóng)業(yè)上的使用已經(jīng)形成全球網(wǎng)絡(luò)，這意味著儲存冷藏氨作為運(yùn)輸燃料的基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)存在。NH3也是一種零碳排放的船用燃料，有預(yù)測稱，到2050年航運(yùn)業(yè)將有很大一部分氨動力船，預(yù)測結(jié)果如圖15所示。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)的調(diào)查，近60%的受訪船東表示，從長遠(yuǎn)來看，他們將氫和氨視為最有吸引力的燃料選擇。

表5 HFO、LNG和LH2的屬性

表6 H2的三種運(yùn)輸方式

圖15 2050年各行業(yè)的燃料使用情況

氫燃料電池是氫作為船舶動力比較好的方式，目前技術(shù)可行，也有很多企業(yè)正在研發(fā)，但是氫燃料電池的發(fā)展面臨著很大的挑戰(zhàn)，主要有：

（1）前期投資大，發(fā)展氫燃料電池船舶需要建設(shè)港口、碼頭加氫站，水上加氫站或是加注站，除此之外，電池本身造價(jià)高，燃料電池主要采用鉑催化電極，但鉑世界儲量少，增加了造價(jià)；

（2）船用氫氣加注站的規(guī)劃審批及營運(yùn)監(jiān)管等政策空白，氫氣生產(chǎn)與供給均處于起步培育階段；

（3）相對于傳統(tǒng)柴油機(jī)，燃料電池的動態(tài)響應(yīng)較慢，如遇到極端情況，響應(yīng)速度慢會影響船體的靈活性，容易造成事故；

（4）目前氫燃料電池的功率較低，適用范圍受限，僅能提供百kW級別的動力，能夠滿足小型民用船舶的要求，而中大型船舶往往需要MW級別的動力；

（5）作為一個(gè)新興的動力系統(tǒng)，在零部件獲取方便程度、專業(yè)人員數(shù)量、維修經(jīng)驗(yàn)等各方面距離內(nèi)燃機(jī)均有較大差距；

（6）目前國內(nèi)氫燃料電池的相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，在建造或改造過程中缺乏可遵循的標(biāo)準(zhǔn)，這也將限制國內(nèi)燃料電池船舶的推廣。

2、氫動力系統(tǒng)成本估算

通過分析氫動力系統(tǒng)的成本，明確氫動力系統(tǒng)的建造成本與氫燃料價(jià)格降到多少時(shí)，氫作為替代燃料具備商業(yè)擴(kuò)散價(jià)值。以亞歐航線上20000TEU的箱船為例，計(jì)算氫動力系統(tǒng)的建造成本及營運(yùn)成本。計(jì)算所需的前提條件如表7所示。根據(jù)HFO、LNG和H2的體積能量密度換算出氫上船所導(dǎo)致的貨損。

將氫燃料與LNG和HFO進(jìn)行對比，假設(shè)氫燃料系統(tǒng)的建造成本與雙燃料系統(tǒng)的相同，為1.32億元，計(jì)算出氫動力系統(tǒng)的營運(yùn)成本，從而計(jì)算出氫燃料的價(jià)格。

情景一：假設(shè)NPVLH2= NPV燃油

根據(jù)NPVLH2和氫動力系統(tǒng)的建造成本可以計(jì)算出營運(yùn)成本。已知航行在這條航線上的20000TEU的箱船所需要的LNG，根據(jù)LNG和LH2的質(zhì)量能量密度換算出所需要的LH2，從而計(jì)算出LH2的價(jià)格，為1.3萬元/噸。在氫動力系統(tǒng)的建造成本在1.32億元的前提下，當(dāng)LH2的價(jià)格在1.3萬元/噸以下時(shí)，使用氫作為船用燃料比使用HFO作為燃料更有經(jīng)濟(jì)效益。

表7 計(jì)算所需前提條件

情景二：假設(shè)NPVLH2= NPVLNG

計(jì)算方法與情景一相同，在氫動力系統(tǒng)建造成本1.32億元的前提下，當(dāng)LH2的價(jià)格在0.99萬元/噸以下時(shí)，使用氫作為船用燃料比使用LNG作為燃料更有經(jīng)濟(jì)效益。將氫燃料與LNG和燃油進(jìn)行對比，假設(shè)氫燃料系統(tǒng)的營運(yùn)成本已知，計(jì)算出氫動力系統(tǒng)的建造成本。這里假設(shè)LH2的價(jià)格與LNG的類似，為5000元/噸，計(jì)算出營運(yùn)成本。

情景1：假設(shè)NPVLH2= NPV燃油

根據(jù)NPVLH2和氫動力系統(tǒng)的營運(yùn)成本可以計(jì)算出建造成本，為20億元。說明當(dāng)氫燃料的價(jià)格為5000元/噸的前提下，氫動力系統(tǒng)的建造成本在20億元以下時(shí)，使用氫燃料比使用HFO更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。這是由于氫的質(zhì)量能量密度很大，釋放同樣的能量所需要?dú)涞馁|(zhì)量少，這就導(dǎo)致即使氫動力系統(tǒng)的建造成本比較高（小于20億元），經(jīng)濟(jì)效益也比使用燃油好。

表8 加氫槍出口端氫氣總成本（元/kg）

情景2：假設(shè)NPVLH2= NPVLNG

當(dāng)氫燃料的價(jià)格為5000元/噸的前提下，氫動力系統(tǒng)建造成本在12億元以下時(shí)，使用氫燃料比使用LNG更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

分析來看，氫燃料的價(jià)格決定了氫動力系統(tǒng)能否具備商業(yè)擴(kuò)散價(jià)值。加氫槍出口端氫氣總成本如表8所示，目前氫氣的制備價(jià)格都比較高，最便宜的氣態(tài)氫都需要大概4萬元/噸，由此可見氫燃料目前并不具備商業(yè)擴(kuò)散價(jià)值。