2019年5月13日，國(guó)際海事組織(IMO)海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(MEPC)第74屆會(huì)議在倫敦召開(kāi)，有關(guān)降低船舶碳排放的措施成為國(guó)際關(guān)注重點(diǎn)。作為全球航運(yùn)業(yè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)，IMO一直以來(lái)都在推動(dòng)航運(yùn)業(yè)溫室氣體減排工作。2018年4月，IMO制定了航運(yùn)業(yè)溫室氣體減排初步戰(zhàn)略，提出到2050年航運(yùn)業(yè)溫室氣體排放相比2008年至少降低50%，這也是全球航運(yùn)業(yè)首個(gè)關(guān)于溫室氣體減排的戰(zhàn)略。面對(duì)碳減排目標(biāo)，船舶工業(yè)將從何處著手，未來(lái)船舶低碳技術(shù)將何去何從。本文對(duì)當(dāng)前船舶低碳技術(shù)進(jìn)行了匯總分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)低碳技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)方向進(jìn)行分析，旨在為行業(yè)提供參考。

　　當(dāng)前船舶低碳技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)作為當(dāng)前IMO控制船舶溫室氣體排放的主要手段，其數(shù)值越低代表船舶CO2排放越低。2011年，IMO通過(guò)了船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)，該指數(shù)代表船舶將單位載重量貨物運(yùn)輸單位距離產(chǎn)生的溫室氣體排放。根據(jù)IMO要求，船舶EEDI從2015年開(kāi)始分三個(gè)階段實(shí)施，目前處于第一階段，EEDI要求低于基準(zhǔn)線10%;第3階段將從2025年1月1日開(kāi)始，船舶EEDI需低于基線30%。

　　從當(dāng)前新建船舶滿足EEDI要求來(lái)看，基本滿足EEDI第二階段要求，部分船舶也能滿足第三階段要求，但大型船舶(尤其是散貨船和油船)滿足EEDI第三階段的難度較大。而從IMO近期動(dòng)向來(lái)看，其關(guān)于EEDI的要求逐漸趨嚴(yán)，在MEPC 74會(huì)議上，針對(duì)集裝箱船、普通雜貨船、LNG運(yùn)輸船、非傳統(tǒng)推進(jìn)郵輪和15000DWT及以上氣體運(yùn)輸船等12種船型的船舶EEDI第三階段實(shí)施時(shí)間已經(jīng)提前至2022年，其中集裝箱船EEDI折減率根據(jù)不同噸位在原有基礎(chǔ)上有所提升。

　　從目前EEDI的執(zhí)行力度來(lái)看，其距離IMO實(shí)現(xiàn)2050年航運(yùn)業(yè)溫室氣體減排50%的目標(biāo)還有差距，當(dāng)前的EEDI規(guī)定或?qū)H是航運(yùn)業(yè)乃至船舶工業(yè)低碳排放過(guò)程的一個(gè)階段性政策工具，未來(lái)不排除繼續(xù)修訂更為嚴(yán)格的碳排放減排規(guī)定，甚至很有可能致力于實(shí)現(xiàn)航運(yùn)業(yè)零排放，如若實(shí)現(xiàn)，船舶工業(yè)將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

　　目前業(yè)界較為公認(rèn)的降低EEDI的措施主要包括使用新燃料(如LNG、甲醇、乙烷等)、新能源(如風(fēng)能、太陽(yáng)能、燃料電池等)、船型優(yōu)化、安裝節(jié)能裝置、低速航行等。國(guó)外船舶企業(yè)已在相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究，技術(shù)水平處于世界領(lǐng)先，尤其是在前瞻性技術(shù)研究方面。例如MAN、瓦錫蘭、羅.羅等企業(yè)是雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)和純氣體機(jī)領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者;芬蘭Norsepower公司旋筒風(fēng)帆已應(yīng)用于豪華客滾船;ABB正在開(kāi)展燃料電池在船舶上的應(yīng)用研究;日本郵船正在開(kāi)展零排放船舶研究等。

　　除了船舶企業(yè)積極開(kāi)展綠色船舶研發(fā)，一些航運(yùn)公司也在大力推動(dòng)綠色船舶運(yùn)營(yíng)。2018年12月，丹麥馬士基航運(yùn)公司宣布計(jì)劃到2050年旗下船隊(duì)實(shí)現(xiàn)溫室氣體零排放，并且2030年首先實(shí)現(xiàn)零排放集裝箱船的商業(yè)運(yùn)營(yíng)，這一目標(biāo)與IMO提出的2050年溫室氣體減排50%相比也大幅提高。

　　我國(guó)在綠色船舶領(lǐng)域也開(kāi)展了大量研究，取得了一系列成果，部分技術(shù)研究處于世界先進(jìn)水平。例如外高橋開(kāi)發(fā)的32萬(wàn)噸VLCC EEDI低于基準(zhǔn)線37.5%，達(dá)到第三階段要求，是目前獲得船級(jí)社認(rèn)可的最大噸位雙燃料超大型油船;安慶中船柴油機(jī)有限公司研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的純天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)已獲得批量訂單;中遠(yuǎn)海運(yùn)已在汽車運(yùn)輸船“中遠(yuǎn)騰飛”號(hào)上安裝了太陽(yáng)能面板等。

　　總體來(lái)看，我國(guó)在綠色船舶領(lǐng)域的研究能夠滿足現(xiàn)階段IMO相關(guān)綠色環(huán)保要求，但面向未來(lái)更高綠色環(huán)保要求的前瞻性技術(shù)研究仍落后于國(guó)外，而且我國(guó)建造的綠色船舶部分核心配套設(shè)備如雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、尾氣減排裝置等仍大量依賴國(guó)外產(chǎn)品。

　　船舶低碳技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)方向

　　從船舶低碳排放實(shí)現(xiàn)手段來(lái)看，目前造船界還沒(méi)有成熟的解決方案，DNV GL此前曾表示，航運(yùn)業(yè)要實(shí)現(xiàn)IMO溫室氣體減排50%的目標(biāo)難度很大，潛在的技術(shù)措施包括LNG燃料、碳中性燃料、電池動(dòng)力等。另外，按照日本郵船推出的零排放船舶概念設(shè)計(jì)“NYK Super Eco Ship 2050”，其通過(guò)使用燃料電池、太陽(yáng)能面板、電力推進(jìn)系統(tǒng)、空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、輕質(zhì)材料等技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)航行過(guò)程中不產(chǎn)生溫室氣體排放。

　　雖然目前無(wú)法預(yù)測(cè)未來(lái)低排放船舶的具體形式，但從DNV GL和日本郵船的研究來(lái)看，從實(shí)現(xiàn)減排目的角度來(lái)看，未來(lái)業(yè)界基本將圍繞船舶總體優(yōu)化和船舶動(dòng)力變革兩個(gè)維度展開(kāi)多種低碳技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

　　1、船舶總體優(yōu)化

　　船舶總體優(yōu)化主要圍繞四個(gè)方面開(kāi)展，一是通過(guò)型線優(yōu)化降低阻力;二是通過(guò)推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化，提高推進(jìn)效率和燃油效率;三是應(yīng)用新材料，通過(guò)降低船舶質(zhì)量降低能耗;四是通過(guò)安轉(zhuǎn)節(jié)能裝置，降低船舶能耗。

　　(1) 船舶型線優(yōu)化

　　雖然基于傳統(tǒng)的船型優(yōu)化有段降低船體阻力空間有限，且不同船型減阻效果差異也較大，但隨著人工智能及大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展，使得船型多維度參數(shù)大范圍優(yōu)化成為可能。美國(guó)在汽車車身及零部件、飛機(jī)氣動(dòng)外形、螺旋槳等領(lǐng)域已經(jīng)成功應(yīng)用智能化設(shè)計(jì)技術(shù)，提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)，性能也有顯著提升，而在船體型線設(shè)計(jì)領(lǐng)域，美、日、韓、歐等國(guó)家也著手開(kāi)展船型數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、數(shù)據(jù)挖掘、專家系統(tǒng)構(gòu)建和三維型線設(shè)計(jì)等技術(shù)研究，并在此基礎(chǔ)上初步開(kāi)展了人工智能在船型設(shè)計(jì)方面的探索研究。

　　(2) 推進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化

　　得益于數(shù)值仿真、拓?fù)鋬?yōu)化等技術(shù)的發(fā)展，使得新型高效推進(jìn)裝置成為可能，如美國(guó)Sharrow Engineering公司推出新型高效螺旋槳方案，其結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)螺旋槳有較大不同，推進(jìn)效率較標(biāo)準(zhǔn)系列螺旋槳推進(jìn)效率提高9%～15%。此外隨著信息技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)改進(jìn)并配合智能管控系統(tǒng)，也能夠?qū)崿F(xiàn)降低能耗延長(zhǎng)使用壽命的目的。

　　(3) 新材料應(yīng)用

　　得益于新材料技術(shù)及3D打印、合金激光焊接等先進(jìn)材料加工技術(shù)的飛速發(fā)展，碳纖維、高強(qiáng)合金等新型材料在船舶建造過(guò)程中的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。短期來(lái)看，碳纖維材料雖然更輕，性能也更好，但由于原材料制備及加工成本較高，造船市場(chǎng)廣泛應(yīng)用仍不現(xiàn)實(shí)，主要應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒁躁P(guān)鍵構(gòu)件及小型船艇為主;高強(qiáng)合金由于強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，在大型船艇將會(huì)有更大應(yīng)用市場(chǎng)，尤其對(duì)于大型客滾船、豪華郵輪、大型渡船等上部結(jié)構(gòu)較高的船型，合金的應(yīng)用將有利于重心控制和質(zhì)量控制。

　　(4) 節(jié)能裝置

　　從研發(fā)布局來(lái)看，未來(lái)船舶行業(yè)比較熱衷的節(jié)能裝置將以空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、節(jié)能附體等為主，其中，空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)由于降阻效果顯著，歐、日、韓等主要造船國(guó)家在開(kāi)發(fā)空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)加大研發(fā)和應(yīng)用力度，日本最新提出的零排放船舶中也有提到應(yīng)用空氣潤(rùn)滑系統(tǒng)，也表明該裝置具有較好的應(yīng)用前景;節(jié)能附體主要包括米維斯導(dǎo)管、預(yù)旋定子等裝置，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，不過(guò)在不同節(jié)能附體組合使用下的效果目前少有研究，有望成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

　　2、船舶動(dòng)力變革

　　船舶動(dòng)力變革主要圍繞三類能源方式展開(kāi)，一是LNG等清潔燃料;二是采用電池動(dòng)力;三是可再生能源。

　　(1) 清潔燃料

　　從供應(yīng)端來(lái)看，未來(lái)具備應(yīng)用基礎(chǔ)的低碳燃料主要以LNG為主。LNG作為目前應(yīng)對(duì)EEDI第三階段最為有效的方式，當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)對(duì)主要船型的全面覆蓋，包括油船、散貨船、集裝箱船、汽車運(yùn)輸船、超大型礦砂船、郵輪等。從碳排放角度來(lái)看，對(duì)于集裝箱船、小型油船及散貨船，使用LNG等清潔能源作為動(dòng)力并輔之以其它減排措施，能夠達(dá)到碳減排50%的目標(biāo);但對(duì)于大型船舶尤其是VLCC及好望角型散貨船來(lái)講，將很難滿足IMO碳排放降低50%的目標(biāo)，需要尋找其他替代性燃料。

　　(2) 電力驅(qū)動(dòng)

　　從動(dòng)力來(lái)源來(lái)看，電力驅(qū)動(dòng)主要包括燃料電池和蓄電池兩種動(dòng)力形式。

　　對(duì)于燃料電池動(dòng)力形式，從應(yīng)用效果來(lái)看，氫燃料電池是未來(lái)航運(yùn)業(yè)的首選，尤其是近年來(lái)燃料電池技術(shù)的不斷進(jìn)步，使得氫燃料電池在船舶領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了一定基礎(chǔ)，但從碳排放角度來(lái)看，當(dāng)今幾乎所有商業(yè)化氫燃料均源自工業(yè)生產(chǎn)，按照DNV GL的研究，過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳水平實(shí)際高于重油從開(kāi)采到主機(jī)消耗過(guò)程，而用可再生電力電解水產(chǎn)生的氫氣成本較為昂貴，諸多限制性因素使得船用氫燃料電池廣泛應(yīng)用尚不具備基礎(chǔ)，不過(guò)隨著可再生能源制氫產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，氫燃料電池注定會(huì)逐步推廣應(yīng)用，倘若IMO后續(xù)繼續(xù)出臺(tái)更加嚴(yán)厲的碳排放政策，甚至實(shí)現(xiàn)零排放，氫燃料電池?zé)o疑是首選。

　　對(duì)于蓄電池動(dòng)力形式，在節(jié)能減排的政策逐步趨嚴(yán)的大背景下，隨著港口及河岸電力設(shè)施的逐步完備，全電力推進(jìn)技術(shù)在內(nèi)河運(yùn)輸船及港口作業(yè)船等領(lǐng)域應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，但在長(zhǎng)距離運(yùn)輸船領(lǐng)域應(yīng)用范圍仍然有限，雖然柴油+電力驅(qū)動(dòng)雖然能夠解決長(zhǎng)距離運(yùn)輸動(dòng)力供應(yīng)問(wèn)題，但與IMO航運(yùn)業(yè)碳排放降低50%的目標(biāo)仍相差一段距離。一種潛在的解決方案是燃料電池+蓄電池動(dòng)力模式，國(guó)外也在開(kāi)展相關(guān)的研究，在降低排放和長(zhǎng)距離運(yùn)輸需求的雙重壓力下，燃料電池+蓄電池電力驅(qū)動(dòng)有可能是未來(lái)船舶低碳技術(shù)突破的重要方向。

　　(3) 可再生能源

　　從目前國(guó)內(nèi)外船舶領(lǐng)域可再生能源利用研發(fā)力度來(lái)看，未來(lái)船舶可再生能源利用將主要集中在兩個(gè)層面，一是安裝太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源利用裝置;二是碳中和燃料。

　　國(guó)內(nèi)外在太陽(yáng)能及風(fēng)能利用方面均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)船應(yīng)用，從技術(shù)應(yīng)用成熟度來(lái)看，太陽(yáng)能利用裝置主要包括集中在太陽(yáng)能電池板或薄膜太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，通過(guò)太陽(yáng)能電池產(chǎn)生電能，用于提供輔助性電力供應(yīng);風(fēng)能利用裝置主要包括風(fēng)帆、風(fēng)筒、天帆等，用來(lái)在船舶航行時(shí)提供額外助推力，從而達(dá)到降低主機(jī)能耗的目的。總體來(lái)看，未來(lái)風(fēng)能和太陽(yáng)能仍將作為船舶可再生能源利用的重點(diǎn)方向，但由于易受到天氣狀況影響，故只能作為輔助性節(jié)能措施。

　　碳中和燃料是可再生能源開(kāi)發(fā)利用的重要方向，國(guó)內(nèi)外在碳中和燃料研發(fā)方面正在開(kāi)展積極研究，并取得一系列進(jìn)展。由于碳中和燃料以生物質(zhì)為基礎(chǔ)，來(lái)源廣泛且可再生，使得碳中和燃料成為未來(lái)船舶燃料推廣應(yīng)用的重要方向。

　　推動(dòng)船舶低碳技術(shù)發(fā)展的建議

　　從國(guó)內(nèi)外船舶發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，低碳技術(shù)在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛和深入，為此，筆者提出如下幾點(diǎn)建議：

　　一是密切關(guān)注國(guó)際公約動(dòng)向。一方面做好相關(guān)政策應(yīng)對(duì)措施準(zhǔn)備，并積極參與公約制定，爭(zhēng)取行業(yè)話語(yǔ)權(quán);另一方面充分發(fā)揮政策導(dǎo)向作用，鼓勵(lì)、推動(dòng)船舶企業(yè)及相關(guān)科研院所開(kāi)展船舶低碳技術(shù)攻關(guān)，做好船型儲(chǔ)備。

　　二是堅(jiān)持補(bǔ)齊短板與重點(diǎn)研發(fā)齊頭并進(jìn)。一方面，建議業(yè)界加快雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)及新型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)步伐，打造系列化、標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)力產(chǎn)品供應(yīng)體系;另一方面建議業(yè)界以氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈、LNG燃料電池應(yīng)用技術(shù)、大功率電力儲(chǔ)能系統(tǒng)為重點(diǎn)突破口，加大研發(fā)力度，依托國(guó)內(nèi)市場(chǎng)加快技術(shù)推廣應(yīng)用，形成應(yīng)用示范效應(yīng)和規(guī)?；瘧?yīng)用，全面推動(dòng)航運(yùn)業(yè)減排。

　　三是充分借鑒其他行業(yè)技術(shù)。充分借鑒我國(guó)在光伏、新能源汽車電池技術(shù)等領(lǐng)域的成熟技術(shù)，圍繞技術(shù)同心圓和產(chǎn)業(yè)同心圓，充分借鑒國(guó)內(nèi)其他行業(yè)成熟技術(shù)、發(fā)揮產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應(yīng)和推動(dòng)技術(shù)跨界融合，全面推動(dòng)船舶低碳技術(shù)的發(fā)展。