航运业绿色低碳，何去何从?

  全球航运业使用传统燃油的船舶会排放大量的硫氧化物(SOX)、氮氧化物(NOX)、二氧化碳(CO2)等有害气体、温室气体以及颗粒物(PM)等，对气候和环境造成严重影响。克拉克森(Clarksons)的数据显示，2020年全球航运业CO2排放量高达8.56亿吨。

  根据IMO(国际海事组织)设定的最新减排的战略目标，到2050年船舶的温室气体排放量要实现净零排放，并在此前就出台了一系列严格规定，其中“关于强制实施目标型技术和营运措施以减少国际航运碳强度”的《国际防止船舶造成污染公约(附则VI修正案)》提出了对现有船舶能效指数(EEXI)、船舶设计能耗指数(EEDI)、营运碳强度指标(CII)的相关强制性要求，并已于2023年1月1日起强制执行。因此，航运业在降低碳排放方面面临着越来越现实的压力，清洁能源的应用是船舶从低碳走向碳中和、零碳发展的重要途径。

  一、LNG与甲醇之争

  关于船舶清洁能源的选择，不同的航运巨头采取了不同的应对方案，比如地中海航运(MSC)、法国达飞(CMA CGM)都热衷于LNG燃料;而马士基(Maersk)则更倾向于甲醇和氨类相关燃料，并认为LNG只是过渡方案。

  全球最大集运公司瑞士地中海航运(MSC)青睐LNG动力船。2021年5月，地中海航运与新加坡东太平洋航运公司(ESP)达成协议，从后者租入11艘15300TEU LNG动力集装箱船，租期为18年。2021年11月，地中海航运与韩国现代重工签订了6艘15000TEU新巴拿马型LNG双燃料动力集装箱船的建造合同，总价值约10亿美元。2021年12月，地中海航运旗下邮轮品牌地中海邮轮在法国大西洋造船厂建造两艘新生代LNG动力环保邮轮，该两艘豪华邮轮将在全球航运业内率先采用LNG燃料电池。2022年4月，地中海航运继续扩张船队并押注LNG燃料，在江苏新时代造船下单订造20艘LNG双燃料集装箱船，包含10艘8100TEU和10艘11400TEU双燃料LNG动力集装箱船。除了新时代造船之外，地中海航运还在大连船舶重工集团订造了6艘16000TEU LNG双燃料船，在日本今治造船订造了4艘LNG动力23000TEU集装箱船。2023年2月，地中海航运在舟山长宏国际船厂下单，订造了10艘11500TEU LNG双燃料动力集装箱船。

  全球另一航运巨头法国达飞(CMA CGM)也热衷于LNG动力船，并且当前也开始下单订造甲醇动力船。达飞自2017年就开始订造LNG动力船。2017年11月，达飞宣布成为全球航运业第一家下单建造LNG双燃料动力超大型集装箱船的公司，由中船集团旗下沪东中华船厂及江南船厂为达飞建造第一批9艘23000TEU LNG动力集装箱船，这是全球航运史上首次订造如此大型的LNG动力船。2018年4月，新加坡东太平洋航运公司在韩国现代重工集团订造了6艘15000TEU LNG双燃料动力集装箱船，达飞全部租用了这6艘集装箱船。2019年3月，达飞与中船集团签订了10艘15000TEU集装箱船建造合同，其中江南造船厂负责建造的5艘采用LNG双燃料动力。2021年4月，达飞与中船集团签署了22艘集装箱船的建造合同，包括6艘15000TEU LNG双燃料动力集装箱船，以及6艘13000TEU LNG双燃料动力集装箱船。2023年4月，达飞与中船集团再次签订合作协议，建造16艘超大型集装箱船，金额超过210亿元人民币，包括12艘 15000TEU甲醇双燃料动力大型集装箱船和4艘23000TEU LNG双燃料动力超大型集装箱船。这是达飞首次建造以甲醇燃料为动力的集装箱船，说明达飞也在尝试不同的船舶新能源方案，探索清洁能源船队的多元化。根据达飞所公布的相关财报，公司将于2024年底前拥有一支由44艘以LNG为动力的大型集装箱船组成的船队，这是世界上最大的LNG动力集装箱船队。

  全球第二大集运公司丹麦马士基(Maersk)则一直是甲醇燃料的忠实支持者。2021年，马士基选择对氨、甲醇、生物柴油以及木质素等4种燃料进行研究测试，并宣称于2023年开始运营以甲醇为燃料的集装箱船。2021年7月，马士基在韩国现代尾浦造船厂订造了1艘3500TEU碳中和甲醇动力集装箱船，成为全球首家订造零碳集装箱船的航运公司。同年8月，马士基在韩国现代重工下单订造了“8+4”艘16000TEU甲醇动力集装箱船，这是全球首次搭载甲醇燃料动力发动机的大型船舶，该笔订单合同总金额为21.12亿美元，约合每艘造价1.76亿美元。2021年10月，马士基在韩国现代重工追加订购6艘17000TEU甲醇动力集装箱船。2023年6月底，马士基又宣布新的甲醇动力船订单，这次是订造6艘9000TEU甲醇双燃料中型集装箱船，该订单最终花落中国的扬子江船业集团。截止目前，马士基订造的甲醇双燃料集装箱船已经达到25艘，是全球航运业中手持甲醇双燃料集装箱船订单最多的公司。

  全球第六大集运公司长荣海运(Evergreen)于近期也加入甲醇动力船阵营。长荣海运于2023年7月11日发布公告，计划投入约43.2亿至50.4亿美元，向韩国三星重工和日本造船(Nihon Shipyard)订造24艘16000TEU甲醇动力新巴拿马型集装箱船。据公告披露，单船价格在1.8亿美元至2.1亿美元之间，其中16艘将由三星重工建造，总价值在28.8亿至33.6亿美元，其余8艘船将在日本造船建造，总价值在14.4亿至16.8亿美元。此外，长荣海运还正在与台船国际(CSBC)就建造一系列甲醇动力支线集装箱船进行接触。

  我国远洋船东已经批量下单订造甲醇双燃料船，沿海和长江流域的船东则早在十年前就开始建造和运营LNG双燃料船。我国2013年出台一系列政府财政补贴政策鼓励LNG动力船的应用，截至目前全国已有LNG动力船400艘以上。但与国际远洋LNG动力船动辄10-20万吨的吨位不同，我国的LNG动力船大多为长江和内河船舶，由于受到航道水深、船闸、桥梁高度等条件的限制，单船运力多为一千至几万吨，与国际航运巨头们相比，我国LNG动力船队整体运力规模不大。

  中远海运集团斥资206亿元订造12艘全球最大24000TEU甲醇动力集装箱船。2022年10月，中远海运集团旗下上市平台中远海控发布公告，控股子公司东方海外、全资子公司中远海运集运分别与南通中远海运川崎、大连中远海运川崎签订造船协议，以每艘2.40亿美元(约人民币17.20亿元)的价格共计订造12艘24000TEU甲醇双燃料动力集装箱船，订造船舶总价为28.78亿美元(约人民币206.36亿元)。这是中远海运集团首次订造双燃料船。作为全球前四大集运巨头之一，中远海运集团是唯一一家在此之前尚未涉足双燃料船的公司。凭借这份订单，中远海运集团成为继马士基、达飞之后，第三家投资建造甲醇动力大型集装箱船的集运公司。考虑到马士基和达飞此前订造的甲醇动力船均为17000TEU以下的集装箱船，这也意味着中远海运集团的订单已经刷新了甲醇动力集装箱船规模纪录。

  招商局集团旗下招商轮船斥资40亿元订造6艘甲醇动力汽车运输船，打造航运业低碳运输“国家队”。2023年3月30日，招商局能源运输股份有限公司(“招商轮船”)发布公告称，公司与招商工业签署了2艘9300车位甲醇新能源双燃料滚装船的《船舶订造协议》，2艘船造船款合计不超过1.92亿美元(约人民币13.22亿元)。同时，招商轮船还与招商工业签署4艘9000车位级甲醇新能源双燃料滚装船买方选择权协议。6艘甲醇动力汽车运输船总价值将达到5.76亿美元(约人民币39.67亿元)。这是全球航运业继集装箱船和散货船之后，汽车运输船领域也迎来了首份甲醇双燃料大型船订单。

  综合全球航运业当前主流航运公司的观点，作为远洋船舶潜在的替代燃料，甲醇与LNG相比的优势在于：

  (1) 甲醇的碳排放量比LNG低5-10%(结合了从油井到出工厂大门和从船只建造到退役所产生的总碳排放量)。

  (2) 与LNG相比，甲醇燃料的成本更低、价格波动更小，当前甲醇大约是LNG价格的一半。

  (3) 甲醇燃料发动机使新建船舶的投资成本增加约10%，LNG发动机则要增加约22%。

  (4) 甲醇比LNG更容易运输和储存，加注时间也只有后者的一半。

  (5) 甲醇加注基础设施比LNG加注基础设施的建造难度更小、造价更低。

  (6) LNG燃料发动机会出现甲烷逃逸现象，导致在发动机中未充分燃烧的甲烷泄漏到废气中。甲烷会形成地面臭氧，这是一种危险的空气污染物和温室气体。而甲醇在燃烧过程中即便有少量泄漏，也不会像甲烷那样造成全球变暖的后果。因此甲醇作为替代燃料比LNG更加环保。

  二、氨和氢作为替代能源潜力巨大

  氨作为“纯绿色”零碳燃料具有很大的潜力，因此全球航运业目前围绕氨作为船用动力燃料正在进行各类创新研发。氨是一种富氢化合物，它有诸多优点：便于储存运输，燃烧不产生二氧化碳，且氨有成熟的生产工艺和良好的产业基础，在市场上价格比较低廉。欧洲、日本、韩国、中国都已开展氨燃料船舶研发。欧洲主导了氨燃料发动机的研发;日本高度重视氨燃料产业链布局，计划打造涵盖船舶建造、设备研制、燃料加注的全产业链;韩国较为注重标准规范制定，韩国船级社已启动相关研究;我国主要聚焦于船型研发，上船院和大船集团均发布有氨燃料船舶方案。

  德国的船用发动机制造商MAN Energy Solution正在加紧研发以氨为燃料的船用主机，并计划于2024年将成熟的机型投放市场。2021年10月18日，日本商船三井与MAN ES签署谅解备忘录，计划订购MAN正在开发的氨燃料船用主机。2023年7月MAN ES宣布，在其哥本哈根研究中心(RCC)的测试发动机上，成功完成了氨燃料的首次运行，此次测试在MAN B&W二冲程发动机上进行并获得成功。MAN ES二冲程业务负责人Bjarne Foldager表示：“MAN对氨持有积极预期，我们预计到2050年，大型商船使用的燃料中约有27%为氨燃料。”

  芬兰的船用发动机制造商瓦锡兰(Wartsila)于2021年7月开始在芬兰瓦萨的内燃机实验室的船用四冲程内燃机中测试氨，测试结果令人鼓舞，在典型的船用负载范围内，测试发动机在使用70%氨含量的燃料时运行良好。瓦锡兰预计2023年内将推出采用纯氨燃料的发动机。挪威船东Eidesvik正和瓦锡兰合作将一艘LNG双燃料海工辅助船改装为使用氨燃料发动机的船舶，计划于2023年完工，届时这将是全球首艘航行于公海的商业化氨燃料动力船。

  国际能源机构(IEA)发表的《2020能源展望》报告显示，预计到2060年全球将有60%以上的新船使用氨或氢燃料。

  氢的利用被认为是全球未来可持续发展的必然趋势，业界也正围绕氢燃料在内河和近海船舶上的应用开展试点研究。不过，由于能量密度、成本、安全、加注体系等方面的不利因素，氢燃料在短期内应用到大型远洋船舶上的可能性不大。

  三、电能主要应用于短航距船舶

  由于动力性以及续航能力的问题，当前船用动力电池主要还是以应用在短航距的小型船舶上为主。我国沿海和长江流域的航运企业在电动船的开发和应用方面非常活跃，电动船的发展势头迅猛。

  世界第一艘纯电动内河2000吨级散货船广州下水：充电两小时，续航80公里。2017年11月12日，广船国际为广州发展瑞华新能源电动船有限公司建造的世界首艘2000吨级新能源纯电动船在广州南沙下水。该船是载重吨为2000吨的内河新能源电动自卸货船，装载货品为电煤，主要航行于珠江内河水域。船上安装有超级电容+超大功率的锂电池，整船电池容量约为2400千瓦/时，相当于40台比亚迪新款E6“先行者”汽车的电池容量。该船实现了真正意义上的全船零排放，开启了绿色水运之旅，是世界上第一艘全部采用锂电池为船舶提供动力的内河千吨级货运船舶。

  中远海运集团建造两艘700TEU级长江干线纯电动集装箱船，这是长江流域首艘万吨级电池动力集装箱船。2022年3月18日，中远海运集团举行2艘700TEU级长江干线纯电动集装箱船建造项目签约仪式，这是长江第一个万吨级电池动力集装箱船项目。该2艘700TEU级长江干线纯电动集装箱船挂五星旗，采用码头岸基换电方式，全电池动力推进，航速10.5节时，续航力为380公里，通过在长江干线武汉、南京等地布置换电港口，使本船具有超长航行里程。这种以“箱式电源”作为主推进动力的万吨级江船，在长江流域以船队运营尚属首次。

  全球载电量最大的纯电动游轮“长江三峡1”号迎来通航一周年。2023年3月29日，纯电动游轮“长江三峡1”号通航一周年。一年来该船环保效益显著，接待游客逾13万人，总用电超90万千瓦时，减少二氧化碳排放700余吨。“长江三峡1”号总投资1.5亿元，乘客定额1300人，配备7500千瓦时船用动力电池，载电量大，智能化高。“长江三峡1”号是全球第一艘采用高压充电、低压补电方案的电动船，高效解决大功率港口的充电难题。其充电1次可续航100公里，由三峡电站清洁水电驱动，是一艘环保、节能的绿色船舶，实现了“零噪音、零污染、零排放”运营，相比传统动力船舶，每年可替代燃油530吨，减少各类有害气体排放总量达1660吨。

  国内首艘纯电动拖轮在连云港港交付运行。2021年8月16日，由连云港港自主建造的国内首艘纯电动拖轮“云港电拖一号”轮交付运行。该船采用磷酸铁锂电池组作为动力源，能够达到4000马力常规拖轮使用效果，可完全替代传统大功率燃油拖轮，实现大气污染物零排放，填补了国内大功率绿色低碳港作拖轮的空白。该拖轮总电量设计为5000千瓦时，正向拖力48吨，通过高压岸电系统，该船快充2小时即可充满电。该拖轮每年可节约300吨燃油，减排约900吨碳氧化物。

  亿纬锂能、武汉理工大学和中国船级社共同研发设计的船用集装箱式移动电源正式发布。2022年5月，亿纬锂能的船用集装箱式移动电源正式发布并获中国船级社(CCS)认证证书。该箱式移动电源的发布，大大推进了国内电动船的船用动力电池标准化的进程，为我国电动船的发展助力。该款船用集装箱式移动电源采用标准20尺海运集装箱尺寸设计，内部搭载磷酸铁锂电池系统，其最大容量接近2000kWh。使用该移动电源的船舶，在码头泊位完成一次“换电”，仅需15-30分钟。

  四、风能作为辅助动力获得越来越多的落地应用

  风能，作为远洋船舶的辅助动力已在全球范围内被推广应用，很多船东已经在船队中安装风能辅助动力装置，以达到绿色脱碳以及节省成本的效果。风能辅助动力系统主要有四大主流研发方向，分别是旋筒帆、硬翼帆/板式风帆、风筝帆和充气式翼帆。

  旋筒帆，目前正在欧洲和中国市场异军突起。它通过驱动圆筒在风中旋转产生垂直于风速方向的力，为船体提供前行的推力。与其它风力驱动装置相比，旋筒帆更轻巧、更灵活、应用更广泛，可以在散货船、油轮、客轮、滚装船等多种具有空旷甲板面积的船型上安装。根据单船安装旋筒帆的大小与数量不同，平均节省燃料可达5-25%。马士基最早于2018年8月在其旗下的一艘11万吨Long Range 2型成品油船“Maersk Pelican”号上安装了2个由芬兰设备制造商Norsepower提供的30×5米旋筒帆。劳氏船级社(LR)在2018年3月到2019年9月期间，用了18个月时间在“Maersk Pelican”号上随船做了实船验证，通过在全球不同航线上运营，最终劳氏船级社通过大量数据采集、分析和计算，得出了这2个旋筒帆综合平均8.2%节油率的实船验证效果。因此旋筒帆的节能效果和经济性突出，这还不包括减少CO2排放后产生的碳税价值等额外收益。

  国内以叠风新能源科技(天津)有限公司(“叠风科技”)为代表的旋筒帆制造商在国内处于领先位置。叠风科技拥有20多项具有自主知识产权的旋筒帆专利，具备生产24米×4米旋筒帆、35米×5米旋筒帆等风力辅助推进设备的能力。同时公司正在创新性的研发适合中国沿海较小型船舶安装的10米×2米旋筒帆，以便降低安装成本，适应中国众多中小型船东的需求。叠风科技的旋筒帆已经获得劳氏船级社、日本船级社和中国船级社的认证，可以为船东提供新造船的安装或者老旧船舶的设计、改造、安装等一站式服务。叠风科技的旋筒帆对船舶的改造范围小，无需进坞，可在码头进行，改造周期短至15-20天。而且，有固定式/可倾倒式/轨道式等多种形式，供不同船型选择，利用风能实现对船舶辅助推进，实现10%-20%的节油效果，设备投资回收周期仅2-4年。相比国外最大的两家旋筒帆厂家Norsepower和Anemoi，叠风科技的旋筒帆在性价比方面有很大优势，是国产替代的上佳选择。

  硬翼帆/板式风帆，是指直接借助风力产生辅助推进力的硬质机翼形风帆，其原理和机翼相似，并且基本都为可伸缩式。2018年和2020年，大连船舶重工集团有限公司为招商轮船先后建造了两艘安装硬翼帆的VLCC——“NEW VITALITY”轮和“NEW ADEN”轮，分别能实现年均3%和9.8%的节油效果。由大连船舶重工研发建造的30.8万吨超大型原油船“NEW VITALITY”轮是全球首艘安装风帆装置的超大型原油船。其船上安装了两个可伸缩式板式风帆/硬翼帆。风帆高达39.68米，宽14.8米。为了建造这种大型风帆，我国还自主研发了巨型卧式车床，仅仅是其中的关键部件最大直径就达5.6米，最大长度达15米。2020年交付的“NEW ADEN”轮也是一艘30万吨超大型原油船，其安装的两对大型硬质翼型风帆由中国科研团队自主研制。风帆升起高度近40米，单翼总表面积达1200平方米，帆叶结构采用了碳纤维复合材料，轻质、高强、高耐。

  风筝帆，顾名思义，就是由类似风筝的翼伞提供巨大空气动力从而为船舶提供额外的辅助前进动力。法国初创公司Airsea在2022年底成功将其产品“Seawing”安装到了一艘2.1万吨货船“Ville de Bordeaux”上，进行了首次测试。Airsea声称此项技术能平均减少 20%的排放和燃料消耗。

  充气式翼帆，是一种充气式、可伸缩、自动化的辅助风帆系统。2021年6-12月，法国知名企业米其林公司将WISAMO翼帆安装在一艘帆船上，进行了多轮测试，并取得了非常积极的成果。2022年，米其林与Compagnie Maritime Nantaise公司签署了合作协议，准备在后者的“MN Pelican”号滚装货船上安装表面积100平方米的翼帆，以在实际航行条件下进行技术测试。2022年底，安装工作在西班牙开始进行。“MN Pelican”号长156米，载重约8800吨，建于1999年，目前租给Brittany Ferries公司运营，每周固定在英国的普尔和西班牙的毕尔巴鄂之间航行。挪威船级社也已向米其林集团颁发了WISAMO翼帆系统的原则性认可(AiP)证书。

  五、预计2030年全球航运业脱碳减排投资规模达3500亿美元

  全球航运业由传统燃油向绿色低碳新能源转型是一项漫长、庞大而复杂的系统工程，需要大量的资金投入。根据世界银行(The World Bank)的预测，零碳燃料的广泛运用将为船舶新能源市场带来超过1万亿美元的融资需求。

  渣打银行(Standard Chartered)于2021年4月在新加坡举行的Marine Money会议上表示：为实现2030年的航运业脱碳减排目标，全球需投入3500亿美元资金;要实现2050年脱碳减排目标，需投入1.4万亿美元至1.5万亿美元资金。

  全球航运业为脱碳减排目标而投入的资金中，预计87%是陆上的投资，例如生产、储存、运输、给船舶加注低碳或零碳燃料的相关基础设施。其余13%的投资与船舶直接相关，例如新建船舶的低碳燃料主机以及船上燃料存储设备的研发和生产、旧船的改造、船舶技术升级迭代、低碳燃料效率和包括航速管理在内的运营改进。

  六、结论

  整体来看，全球航运业关于船舶的主动力能源，在2021年之前LNG作为替代燃料是主流观点，呼声比较高;而最近三年，自2021年开始，LNG的声音有所减弱，取而代之的是更加倾向于以甲醇作为新的替代燃料。氨和氢属于零碳能源、纯绿色能源，作为船用备选替代燃料被普遍看好，但目前还在实验和测试阶段，距离出现大批量实船订单还需要一段时间。电能作为船舶的主动力能源，目前主要还是应用在短航距的小型船舶上，以沿海和内河船舶为主。风能作为船舶辅助动力，已在全球范围内获得越来越多的落地应用，特别是在欧洲已有相当数量的实船安装范例。

  世界在改变，清洁能源船舶占比正在提高。截止2021年11月，以总吨计，全球现有船队中约4.2%的船舶使用清洁燃料;在手持船队订单中的占比已达到34%。全球手持船队订单中的清洁燃料船舶共计约有800艘，其中LNG燃料船舶占比68%，电池动力船舶占比14%，LPG船舶占比12%，其他类型的清洁燃料船舶占比6%。使用绿色低碳清洁能源的船舶在全球手持船队订单中的占比已在三分之一以上，这是一个让人倍感欣慰的数据。说明绿色清洁能源已是业界很多船东共同的理念。但是还有三分之二的在建船舶以及95.8%的现有船舶仍在使用传统燃料，因此全球航运业的绿色低碳之路依然任重而道远。

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