当前，全球贸易的90%通过海运完成，船舶海运带来的环境污染问题受到国际社会的高度关注，为此国际海事组织出台各项防止船舶污染的强制性规定。在此背景下，世界主要造船国家制定国家级绿色船舶发展规划和措施，以期支持本国造船业和航运业尽快满足国际环保公约规定。目前有一定应用经验和发展潜力的绿色船舶主要包括可再生能源（甲醇、生物、风能）、替代燃料（氢能、氨能、LNG）、电池（蓄电池、燃料电池）。本文主要围绕船用替代燃料、电池两方面展开研究，详细梳理了日欧韩等造船强国绿色船舶研发现状，并分析了该领域当前面临的瓶颈问题。
国际海事组织减少船舶温室气体排放初步战略示意图（图片来源：《船舶绿色低碳发展趋势与应对策略》）
一、世界主要造船国家绿色船舶研发现状
（一）欧洲全面布局绿色船舶领域，引领全球绿色船舶发展
欧洲作为航运领域绿色转型的全球领导者，近年来出台一系列政策文件，对绿色船舶技术研发进行全面的规划，力求掌握该领域核心技术，同时推进绿色船舶领域相关标准制定。
2018年12月，德国联邦经济事务和能源部发布新版《国家海洋技术总体规划》（National Masterplan Maritime Technologies），首次将船舶制造与绿色航运新兴领域列入德国政府重点布局领域。2020年10月，挪威船级社发布第四版《2050年海事展望》（Maritime Forecast to 2050）报告。报告预测，燃料选择是航运业实现碳减排的关键要素，并指出到2050年，氨气和生物甲醇将在船舶市场上占据较大份额。2021年7月，欧盟委员会正式提出推动航运业绿色转型的欧洲绿色协议提案，包括将航运业纳入欧盟碳配额交易体系（EU ETS）、Fuels EU Maritime提案以及可再生能源指令的修订（RED）等一揽子计划。该提案将确保2050 年前航运业完成从化石燃料到可持续燃料的转变。
欧洲聚集了诸多航运巨头，其在绿色船舶领域布局范围广，涉及氨燃料船舶、氢燃料船舶、LNG动力船等多型绿色船舶研发。在氨燃料领域，欧洲主导氨燃料发动机研发 [1]。德国曼恩公司和芬兰瓦锡兰公司均参与氨燃料发动机的研发。其中，曼恩公司研发出的多燃料发动机已成功应用于零排放船舶上，稍作修改即可使用氨燃料。瓦锡兰主要在中高速机领域开展相关研究，预计推出的氨混合燃料发动机中氨的比例可达70%，2023年或推出纯氨燃料发动机。在氢燃料领域，欧洲侧重于氢燃料电池动力研究 [2]。2019年，德国柏林科技大学研发出一艘氢燃料动力推船，采用氢燃料电池、蓄电池等混合动力驱动。2020年，挪威Ulstein公司推出一款海上风力发电机安装船新设计，其采用氢燃料电池与柴油混合动力系统。此外，芬兰瓦锡兰公司与挪威Eidesvik等公司正在合作研发一艘氨燃料电池动力大型船舶，预计最早将于2024年下水。在LNG领域，欧洲引领LNG船技术和标准发展。欧洲企业拥有LNG船领域诸多核心技术。例如，法国GTT公司掌握的薄膜型液货舱围护系统专利技术达到了垄断级别，外国船企每建造一艘LNG船就要给GTT公司缴纳1000万美元左右的专利费。而挪威作为全球首个引入LNG动力船的国家，其率先制定了LNG动力船相关标准。
（二）日本将开发清洁替代燃料视为促进绿色船舶发展的有效途径
在航运业脱碳大背景下，日本政府陆续出台多项绿色船舶战略规划文件，从国家层面积极布局未来船舶技术发展，将开发氢、氨等清洁燃料作为未来船舶领域研发重点之一。近年来，在船舶订单量逐渐落后的情况下，日本希望通过抢占绿色船舶这一领域赶超中韩，重振造船业。
2020年5月，日本政府出台《零排放国际航运路线图》（Roadmap to Zero Emission from International Shipping），重点展示了四个新型“零排放生态船舶”设计概念，即氢燃料船、氨燃料船、船上二氧化碳捕获船和超高效液化天然气燃料船。2021年2月，日本经济产业省发布《2050碳中和绿色增长战略》（Green Growth Strategy），提出到2050年将现有船用传统燃料全部转化为氢、氨、液化天然气等清洁燃料。2021年8月，日本国土交通省发布绿色挑战赛，提出在2030年前实施一揽子交通领域绿色化项目，其中在船舶领域提出要研发低碳化、脱碳化技术。
在一系列政策指引下，以三菱重工、川崎重工、大岛造船、常石造船为代表的日本船企近年来在氢燃料、氨燃料等领域展开研究并取得突破。在氢燃料领域，积极开展氢燃料动力、混合动力船舶的设计研发。目前，川崎重工联合日本发动机巨头正同步开发氢燃料低速、中速、高速发动机，希望到2026年左右推出一系列可用于各种船型的氢燃料船舶发动机。2021年，日本常石集团造船公司推出全球首艘氢动力渡轮“Hydro Bingo”。该船配备了两台氢-柴双燃料发动机，实现较传统柴油发动机减少50%的二氧化碳排放。在氨燃料领域，打造涵盖船舶建造、设备研制、燃料加注的氨燃料全产业链。当前，日本在氨动力船舶设计研发方面较为滞后，但其在布局氨燃料产业链方面走在前列。2021年，日本商船三井与伊藤忠财团合作开发氨动力船的燃料供应网络。
（三）韩国在巩固完善LNG动力船的同时，发力氨燃料船舶
韩国作为世界造船强国，其在船舶众多细分领域走在世界前列，绿色船舶领域亦是如此。多年来，韩国政府和企业通过多种举措表明其支持造船业及航运业向绿色化转型的决心，希望通过相关技术研发拉大与中日两国竞争对手的距离，在面向未来的绿色船舶产业中获得更大的市场份额。
2018年11月，韩国政府出台造船产业活力提高方案，指出要大力发展绿色船舶及其配套技术，并首次提到要研发氢、氨等清洁燃料。2020年12月，韩国政府公布环保船舶十年规划，指出到2030年前将公共和民间部门的528艘船舶改造成环保船，并开发可实现减排70%目标的温室气体减排技术。2021年4月，韩国政府发布《2030绿色船舶推进战略》（2030 Greenship-k Promotion Strategy）。根据这一战略，韩国将在未来5年投入364亿韩元推进绿色船舶测试平台的开发。从韩国政府发布的一系列文件中可以看出，韩国造船业已将发展绿色船舶产业作为未来产业发展的突破口，全面布局并积极推进造船业“绿色化”。
在绿色船舶领域，韩国目前发展较为成熟并走在世界前列的是LNG动力船，以三星重工、大宇造船、现代重工为代表的韩国船企掌握了该型船舶众多关键技术。近年来，三大船企分别研发出各自的LNG船燃料供给设备系统S-Fugas、HiVAR-FGSS、Hi-eGAS。该系统将气化出的天然气输送至油船的动力主机和发电辅机以供给燃料，是LNG船的关键设备。此外，三大船企业相继推出自主研发的液货舱围护系统SCA、Solidus、High Japs。同时，三大船企还合作研发出“KC-1”LNG液货舱围护系统。液货舱围护系统是LNG船的关键核心设备，其技术门槛高，长期以来一直被法国GTT公司垄断，韩国希望实现国产化摆脱对外依赖。韩国目前自主研发的液货舱围护系统因缺乏实用案例均不肯被海外船东采用，尤其是“KC-1”于2018年投入使用出现一系列问题后，市场前景更加渺茫。目前，三大船企正在推进国产第二代LNG液货舱围护系统“KC-2”的研发，相关工作计划2023年前完成。除LNG船外，韩国船企也开始布局氨燃料船舶领域。2021年，韩国船级社发布《氨燃料动力船舶报告》。同年，现代重工的环保氨燃料供应系统概念设计获得韩国船级社颁发的原则性认可证书（AIP），是韩国造船业界首次在此类船舶上获得突破。
二、绿色船舶发展遇到的瓶颈问题
尽管当前绿色船舶清洁燃料研发正在全球范围内如火如荼地进行着。但总体来看，国内外氢燃料、氨燃料、LNG等清洁燃料均处于研究阶段，仍有诸多涉及技术、监管、基础设施等层面的难题有待解决，距离大规模商业应用阶段还有很长的路要走。
（一）氢燃料上船应用面临储氢、加氢等技术难题
氢燃料作为一种清洁燃料，在环保法规日益严格的情况下，已成为当下最受关注的替代燃料之一。尽管全球氢燃料研发提速，但氢燃料在船舶上应用的技术成熟度仍未进入大规模商业应用阶段，仍有三方面技术瓶颈需打破：一是高密度储氢技术仍不成熟。当前高压储氢技术储氢密度较低，无法满足常规船舶对于燃料续航力的要求，未来船舶储氢将向能量密度更高的液化储氢方向发展，金属氢化物储氢、液体有机化合物储氢等其他高能量密度储氢技术均是潜在的船用储氢方式，也是未来船舶行业大规模应用氢能亟需打破的技术瓶颈 [3]。二是船舶专用加氢基础设施不完善。船舶在长距离航行中需要停靠码头及时补充氢燃料，需要有较为完善的加氢基础设施网络。但目前全球范围内船舶专用加氢设施较少，进一步限制氢燃料船舶长距离、长时间航行。三是氢燃料电池续航力难以满足远洋航行。目前，氢燃料电池功率密度不够大，续航力远不能满足远洋船舶需求，只能作为辅助能源来使用。
（二）氨燃料上船应用面临技术、监管、安全等方面的挑战
氨在常温常压下为化学性质稳定的无色气体、易液化、易于储存和运输，燃烧时不会排放碳颗粒，在绿色船舶领域有较大的应用潜力。但氨作为船舶燃料使用仍面临诸多难题。从技术角度看，一是目前的技术还难以稳定维持氨燃料在内燃机中充分燃烧。氨在不充分燃烧时将产生一氧化二氮，该气体是一种比二氧化碳温室效应更高的气体。二是“绿氨”的制取方法仍是一大难题。氨气主要是氢气和氮气在高温高压下发生催化反应而生成，目前广泛使用的制氨工艺是20世纪初提出的哈伯-博世工艺。该工艺本身以化石燃料为氢源和热源，会造成大量的二氧化碳排放。从监管角度看，当前现有法规框架尤其是国际海事组织的《国际船舶使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》（IGF守则）未明确涵盖使用氨的方面，进一步制约氨燃料上船应用。此外，氨燃烧时会排放氮氧化物，这样的排放将受到《船用柴油机氮氧化物排放控制技术规则》的制约。从安全角度看，氨具有毒性和腐蚀性，其与石油、氯气等燃料混合，或与金、汞等重金属反应时，会引起快速爆炸。
（三）LNG动力船面临成本、监管及基础设施等方面的挑战
LNG动力船是目前所有绿色船舶中发展较为成熟的船舶，但仍存在三方面挑战。一是新建或者改造成本高 [4]。LNG动力船尤其是大型LNG船新建成本非常高。而对于现有的船舶而言，在使用LNG燃料作为动力前，需要对船舶的相关设备进行改装，这一过程也需要投入巨额资金。对船东而言，经济性是其选择是否进行改装的决定性因素。虽然在国际环保公约日益收紧的大环境下，LNG动力船可以减少碳排放量。但据相关文献，采用LNG动力仅能实现碳减排20%，与高昂的改造费用相比，难免会觉得“性价比”不高。二是监管机制有待完善。从全球范围看，欧洲对于船舶应用LNG燃料及加注的监管以港口监督为主，欧洲的主要港口大都已制定了较为相关的监管要求，北美及东北亚地区相关的监管要求尚未完善 [5]。三是全球范围内的LNG加注站不足。LNG燃料的可获得性和加注便利性是发展LNG动力船的关键因素。目前，LNG加注站主要集中在北欧、北美和东北亚地区。随着LNG动力船的规模逐渐扩大，需要更多的LNG加注设施。根据新加坡Pavilion能源公司统计数据，LNG加注需求预计到2025年前将增加大约900万吨以及到2030年前将增加大约3000万吨。
三、绿色船舶未来发展趋势
（一）绿色船舶将逐渐由双燃料船向单一清洁燃料船过渡
作为解决船舶节能减排问题的终极方案，氢燃料、氨燃料、LNG等替代燃料可实现真正意义上的零碳排放。然而，在替代燃料大规模商用仍存在较大技术、监管、成本等问题的制约下，各国船东选择将双燃料船舶作为一种向单一清洁燃料动力船舶过渡的绿色船型。双燃料船舶是指能同时混烧两种燃料的柴油机，除柴油外还可以燃烧LNG、氨气、甲醇等碳氢化合物。目前，日欧韩诸多船企均选择引入双燃料发动机。未来，随着技术不断成熟、监管机制逐渐健全，单一燃料动力船舶将逐渐成为主流船型，在航运业节能减排上发挥关键作用。
（二）绿色船舶配套设施市场将迅猛增长
正如第二部分所述，绿色船舶当前面临诸多瓶颈问题，如配套设施不完善，尤其是全球范围内的LNG等加注设施已逐渐无法满足面向未来的LNG动力船市场需求。根据新加坡Pavilion能源公司预测，未来十年全球LNG加注需求或增加30倍。在航运业节能减排大形势下，氢燃料船、氨燃料船、LNG动力船等绿色船舶发展将进入快车道，与之相应的配套设施产业发展潜力巨大。为避免出现类似“有船无站”的情况，目前全球船东已开始布局绿色船舶配套产业，确保绿色船舶与配套产业同步发展。可以预见，绿色船舶配套设施市场将迎来快速发展期。
（三）绿色船舶动力继续向着多元化方向发展
近几十年来，为满足航运业逐渐严苛的碳排放要求，业界开展了一系列绿色船舶技术研究，推动绿色船舶燃料动力向着多元化方向发展，重点聚焦氢燃料、氨燃料、LNG、甲醇等多种替代燃料。从目前市场关注的众多选项来看，尚未有一种燃料能够完全替代传统能源，各类燃料各有优缺点。例如，氢燃料由于加注体系问题，中短期内应用到大型远洋船上的可能性较小；氨燃料泄露会有中毒风险且燃烧不充分会产生氮氧化物；LNG更多的是作为一种过渡燃料使用，因其燃烧仍会产生二氧化碳。在此背景下，绿色船舶替代燃料将继续向着多元化方向发展，共同助力航运业节能减排。
四、结语
绿色低碳、节能减排是船舶航运业发展大趋势。日欧韩等造船强国均已将绿色船舶技术列为船舶工业的优先发展项目，确保本国在该领域的技术领先地位。绿色船舶同时也是我国船舶工业提升国际竞争力的重点布局领域。近年来，我国在绿色船舶领域也取得一定成果：LNG动力超大型集装箱船、散货船、油船、客滚船等进入了实船建造阶段；甲醇、氢燃料、氨燃料动力船型也在研发过程中。但与日欧韩相比，相关能力仍需完善，一方面在技术创新方面，加快推进开创性绿色船舶设计理念，围绕关键核心技术开展攻关研究；另一方面在绿色船舶配套设施方面，不断优化船舶配套产业格局，加速核心设备自主化进程，持续推进绿色船舶市场化应用。
参考文献
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[3] 中国水运报. 破除三大瓶颈，船舶或将“氢装上阵”[EB/OL]. (2021-08-12)[2022-08-29]. http://www.zgsyb.com/news.html?aid=600245.
[4] 中国船检. LNG动力船新造订单主要特点和未来挑战[EB/OL]. (2019-11-26)[2022-08-29]. http://www.eworldship.com/html/2019/ship_market_observation_1126/154734.html.
[5] 中国船检. 船舶LNG燃料加注监管[J]. [EB/OL]. (2019-08-29)[2022-08-29]. https://mp.weixin.qq.com/s/qpcMZ4RP0-utHLJ7Gdwrsg.
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[8] 郑洁, 柳存根, 林忠钦. 绿色船舶低碳发展趋势与应对策略[J]. 中国工程科学, 2020, 22(6): 094-102.
作者简介
武志星 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究四室，三级分析员
研究方向：海洋和核领域形势跟踪及关键核心技术、前沿技术研究
联系方式：wuzhixing@drciite.org
