據(jù)克拉克森測(cè)算，2019年航運(yùn)業(yè)碳排放約8.19億噸，占當(dāng)年碳排放總量的2.5％(總量約330億噸)。近年來，為滿足航運(yùn)碳排放控制要求，全球開展了一系列綠色船舶技術(shù)研究，其中零排放船舶研發(fā)是實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要途徑。船舶要實(shí)現(xiàn)零排放，關(guān)鍵依靠動(dòng)力變革。從近幾年全球零排放船舶研發(fā)現(xiàn)狀來看，研究熱點(diǎn)涉及替代燃料(氨燃料、氫燃料)、電池(蓄電池、燃料電池)、核能、可再生能源等。

氨燃料動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

當(dāng)前，全球氨燃料動(dòng)力船舶仍處于研發(fā)階段，主要針對(duì)油船、集裝箱船、散貨船等主流船型及液化氣船進(jìn)行開發(fā)，預(yù)計(jì)在2025年前后能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。中、韓、日等國(guó)船廠普遍與歐洲發(fā)動(dòng)機(jī)公司和船級(jí)社合作，加快氨燃料動(dòng)力船舶研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)程，其中我國(guó)與韓國(guó)的多家船廠走在前列，多艘船型設(shè)計(jì)已獲得船級(jí)社原則性批準(zhǔn)。

韓國(guó)現(xiàn)代尾浦造船、大宇造船海洋、三星重工、大韓造船等公司開展了氨燃料動(dòng)力油船、集裝箱船設(shè)計(jì)。2020年7月，韓國(guó)現(xiàn)代尾浦造船設(shè)計(jì)的5萬載重噸氨燃料動(dòng)力MR型油船獲得英國(guó)勞氏船級(jí)社(LR)原則性批準(zhǔn)；2020年9月，韓國(guó)大宇造船海洋聯(lián)合德國(guó)MAN共同研發(fā)的2.3萬標(biāo)準(zhǔn)箱氨燃料動(dòng)力集裝箱船獲得LR原則性批準(zhǔn)，同時(shí)韓國(guó)三星重工、MAN和LR共同研發(fā)的8.5萬～12.5萬載重噸級(jí)蘇伊士型氨動(dòng)力油船獲得LR原則性批準(zhǔn)；韓國(guó)大韓造船公司也正在開展11.5萬載重噸級(jí)阿芙拉型氨燃料動(dòng)力油船的設(shè)計(jì)與研究。此外，為了滿足未來航運(yùn)對(duì)氨燃料的旺盛需求，2021年5月，韓國(guó)現(xiàn)代重工集團(tuán)聯(lián)合氨燃料生產(chǎn)與儲(chǔ)存、造船、航運(yùn)等領(lǐng)域的專業(yè)公司，欲協(xié)同打造氨燃料海上運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)鏈，搶占海洋氨燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機(jī)。

日本在氨燃料動(dòng)力船舶研發(fā)方面與中、韓相比較滯后，日本郵船等正在開發(fā)一艘以氨氣為主要燃料的氨動(dòng)力氨氣運(yùn)輸船(AFAGC)，以及一艘氨氣浮式儲(chǔ)存再氣化駁船(A-FSRB)，并在近期與挪威化肥公司雅苒國(guó)際達(dá)成聯(lián)合研發(fā)氨動(dòng)力氨氣運(yùn)輸船協(xié)議。

歐洲偏重于氨燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，如MAN公司已參與多家船廠的零排放船舶開發(fā)工作，而對(duì)于氨動(dòng)力船型開發(fā)相對(duì)較少。2021年4月，挪威禮諾航運(yùn)公司與船舶設(shè)計(jì)公司Deltamarin合作推出新的Aurora級(jí)零排放汽車運(yùn)輸船，配備MAN公司B&W多燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，未來稍作修改之后，可以過渡到使用氨氣等零碳燃料運(yùn)營(yíng)。

中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司旗下的上海船舶研究設(shè)計(jì)院、大船集團(tuán)、江南造船集團(tuán)等開展了氨燃料動(dòng)力散貨船、集裝箱船和液化氣船設(shè)計(jì)。2019年，上海船舶研究設(shè)計(jì)院18萬噸氨燃料動(dòng)力散貨船獲得船級(jí)社原則性批準(zhǔn)，同年，大連船舶重工集團(tuán)有限公司和MAN公司設(shè)計(jì)的2.3萬標(biāo)準(zhǔn)箱氨動(dòng)力超大型集裝箱船方案獲得船級(jí)社原則性批準(zhǔn)；2020年，江南造船集團(tuán)研發(fā)的氨燃料動(dòng)力超大型液化氣體運(yùn)輸船(VLGC)獲得船級(jí)社原則性批準(zhǔn)；2021年3月，江南造船集團(tuán)研發(fā)的氨燃料動(dòng)力中型液化氣船獲船級(jí)社原則性認(rèn)證。

氫燃料動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

當(dāng)前，日本以及挪威、荷蘭等歐洲國(guó)家開展了氫燃料動(dòng)力船舶研發(fā)，涉及滾裝船、挖泥船及液氫運(yùn)輸船等船型，皆處于研發(fā)階段，預(yù)計(jì)在2024年后能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

日本側(cè)重于大型遠(yuǎn)洋氫燃料動(dòng)力運(yùn)輸船舶及發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。2021年1月，日本川崎重工宣布將建造全球首艘大型液化氫運(yùn)輸船，該船總長(zhǎng)約300米，型寬約50米，采用燃燒氫氣產(chǎn)生的蒸汽帶動(dòng)輪機(jī)為船舶提供動(dòng)力，計(jì)劃2026年完工；4月，川崎重工等多家日本公司宣布將開發(fā)用于大型船舶的船用氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，包括船用主機(jī)、輔機(jī)、發(fā)電機(jī)等各種用途的產(chǎn)品。

歐洲側(cè)重于近海氫燃料動(dòng)力運(yùn)輸與作業(yè)船舶的研發(fā)。2020年，挪威啟動(dòng)研發(fā)一艘以液態(tài)氫(LH2)為燃料的零排放滾裝船“Topeka”輪，該船可向挪威沿海的氫樞紐碼頭輸送LH2，計(jì)劃于2024年投入使用；2021年4月，荷蘭皇家IHC公司與荷蘭交通水利局合作開發(fā)的氫燃料動(dòng)力耙吸式挖泥船獲法國(guó)船級(jí)社原則性批準(zhǔn)，該船計(jì)劃在2024年投入運(yùn)營(yíng)，將為荷蘭實(shí)現(xiàn)海岸線維護(hù)過程的碳中和提供重要支撐。

圖1 挪威氫燃料動(dòng)力滾裝船“Topeka”輪(圖源/網(wǎng)絡(luò))

燃料電池動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

當(dāng)前，全球開展的零排放燃料電池動(dòng)力船舶研發(fā)主要集中于氫燃料電池，也有部分國(guó)家正在開展氨燃料電池研究，主要面向內(nèi)河運(yùn)輸小型船舶，目前基本處于研發(fā)試驗(yàn)階段，且大部分與其他動(dòng)力混合使用。

歐洲對(duì)氫燃料電池動(dòng)力船舶的研究較多，涉及內(nèi)河運(yùn)輸船舶、海工作業(yè)船及試驗(yàn)船等。2019年，德國(guó)柏林科技大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)了一艘氫燃料動(dòng)力推船“艾麗卡”(Elektra)，該推船長(zhǎng)20米，采用氫燃料電池(主動(dòng)力)、蓄電池等混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，將用于柏林和漢堡之間的貨物運(yùn)輸；2020年9月，意大利芬坎蒂尼船廠開建氫燃料電池動(dòng)力試驗(yàn)船ZEUS號(hào)，配備柴電混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)和氫燃料電池系統(tǒng)，將作為研究船用燃料電池技術(shù)的重要載體；2020年，挪威Ulstein公司推出了一種氫燃料電池海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝船的新設(shè)計(jì)，采用燃料電池+柴油電力推進(jìn)混合動(dòng)力系統(tǒng)，能在75%的時(shí)間以零排放模式運(yùn)營(yíng)；2021年6月，荷蘭達(dá)門船廠與荷蘭一家內(nèi)河航運(yùn)公司簽訂了氫燃料電池內(nèi)河駁船建造合同，該船長(zhǎng)135米，計(jì)劃在2023年下水交付。此外，芬蘭瓦錫蘭公司與挪威Eidesvik等公司正在合作研發(fā)一艘以氨燃料電池動(dòng)力零排放大型船舶，預(yù)計(jì)最早將于2024年下水。

圖2 氫燃料電池動(dòng)力試驗(yàn)船ZEUS號(hào)(圖源/網(wǎng)絡(luò))

日本一直注重氫燃料電池動(dòng)力的研發(fā)。商船三井等正在開展“Wind Hunter”風(fēng)能和氫燃料電池混合動(dòng)力零排放船舶研發(fā)項(xiàng)目，涉及風(fēng)能推進(jìn)、風(fēng)能制氫、氫燃料電池等技術(shù)，項(xiàng)目前期將利用一艘帆船進(jìn)行概念驗(yàn)證試驗(yàn)。

我國(guó)也在推動(dòng)氫燃料電池動(dòng)力船舶研發(fā)。中國(guó)船舶集團(tuán)正在開展500千瓦級(jí)內(nèi)河氫燃料電池動(dòng)力貨船研發(fā)，包括船型開發(fā)和電池系統(tǒng)研制，已于2019年12月取得中國(guó)船級(jí)社原則性批準(zhǔn)；2021年，武漢眾宇動(dòng)力系統(tǒng)科技有限公司船用燃料電池產(chǎn)品獲得中國(guó)船級(jí)社型式認(rèn)可證書。

蓄電池動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

近年來，中國(guó)、日本及歐洲一些國(guó)家等開展了蓄電池動(dòng)力船舶研發(fā)，包括內(nèi)河客船、小型油船、集裝箱船等，電池容量逐步大型化以滿足續(xù)航需求，部分電動(dòng)船舶已投入運(yùn)營(yíng)。

電動(dòng)船舶是日本解決沿海航運(yùn)排放問題的重要手段。2020年，日本船企組建了“e5聯(lián)盟”，旨在攜手開發(fā)零排放電動(dòng)船并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，預(yù)計(jì)在2022年3月之前推出一艘在東京灣運(yùn)營(yíng)的由大容量鋰離子電池供電的零排放油船。

挪威在電動(dòng)船舶研發(fā)方面較為突出，開發(fā)了多艘電動(dòng)客船及小型貨船。2020年7月，挪威設(shè)計(jì)建造了全電動(dòng)零排放客船“Legacy Of the Fjords”號(hào)，該船采用碳纖維材料，船長(zhǎng)42米，電池容量2.4MWh，巡航速度可達(dá)16節(jié)；2020年11月，挪威Vard公司建造的電池動(dòng)力集裝箱船“Yara Birkeland”號(hào)完成交付，船長(zhǎng)80米，電池容量7MWh，最大航速13節(jié)，后續(xù)該船進(jìn)行測(cè)試及自主航行功能的再次開發(fā)；2021年6月，挪威Fjellstrand船廠開建全電動(dòng)客運(yùn)快速渡船“Medstraum”號(hào)，該船采用鋁材雙體結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)31米，電池容量2.4MWh，設(shè)計(jì)航速23節(jié)，計(jì)劃2022年試運(yùn)行。

圖3 全電動(dòng)客運(yùn)快速渡船“Medstraum”號(hào)(圖源/網(wǎng)絡(luò))

我國(guó)已建造及在建多艘內(nèi)河電動(dòng)船舶，包括客船、拖船及貨船等，如“君旅”號(hào)客船、“藍(lán)海豚2020”號(hào)客船、“中天電運(yùn)001”號(hào)貨船、“長(zhǎng)江三峽1”號(hào)客船等，大部分電動(dòng)船舶電池容量在1～7.5MWh之間。

核動(dòng)力船舶研發(fā)動(dòng)態(tài)

中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、西班牙、韓國(guó)等正在開展核能技術(shù)在民用船舶上的應(yīng)用研究，反應(yīng)堆為壓水堆、熔鹽堆等堆型。受成本及潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)等因素制約，除俄羅斯運(yùn)營(yíng)的核動(dòng)力破冰船外，現(xiàn)階段核動(dòng)力運(yùn)輸船舶仍處于研發(fā)階段，距離商業(yè)化運(yùn)營(yíng)還較遙遠(yuǎn)。

美國(guó)泰拉能源公司正在開發(fā)船用熔鹽反應(yīng)堆技術(shù)，計(jì)劃用于大型船舶推進(jìn)動(dòng)力，并為清潔燃料制備提供能源；2020年，俄羅斯建造的全球最大核動(dòng)力破冰船“北極”號(hào)正式服役，目前正在建造更加強(qiáng)大的“領(lǐng)袖”級(jí)“俄羅斯”號(hào)核動(dòng)力破冰船，皆采用壓水堆；2021年，西班牙游艇制造商Iddes Yachts公司推出了一款核動(dòng)力科學(xué)探險(xiǎn)船設(shè)計(jì)，該船將采用熔鹽堆，但受核動(dòng)力技術(shù)認(rèn)證的限制，運(yùn)營(yíng)初期將采用清潔燃料作為過渡，預(yù)計(jì)于2025年下水；2021年6月，韓國(guó)三星重工與韓國(guó)原子能研究所簽訂協(xié)議，將聯(lián)合研發(fā)核動(dòng)力船舶，采用小型模塊化熔鹽堆，計(jì)劃于2025年開始原型堆的試驗(yàn)。我國(guó)也在開展海洋核動(dòng)力平臺(tái)研發(fā)，推出了核動(dòng)力綜合保障船和核動(dòng)力疏浚船等船型。

可再生能源動(dòng)力船舶

一些國(guó)家也開展了風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源在小型船舶動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用研究，但要用于大型船舶，需與其他動(dòng)力形式混合使用。2021年3月，英國(guó)風(fēng)船技術(shù)公司推出了一款用于遠(yuǎn)洋散貨船和油船的零排放船舶解決方案，綜合了風(fēng)能、太陽(yáng)能、柴電推進(jìn)、碳捕獲等相關(guān)技術(shù)。

從近兩年全球零排放船舶研發(fā)現(xiàn)狀來看，根據(jù)船型大小和用途的不同，零排放船舶采用不同技術(shù)路徑，涉及氨燃料、氫燃料、電池、核能、風(fēng)能等相關(guān)動(dòng)力技術(shù)。綜合來看，未來，內(nèi)河和沿海運(yùn)輸及作業(yè)船舶等可通過電池技術(shù)實(shí)現(xiàn)零排放，大型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶及其他大型船舶則更多依賴氨/氫燃料等替代燃料實(shí)現(xiàn)零排放，核能、風(fēng)能可為替代燃料的制備提供能源保障；同時(shí)，多種動(dòng)力技術(shù)的綜合集成應(yīng)用也將成為重要發(fā)展方向。我國(guó)應(yīng)加快零碳排放船型開發(fā)、零碳燃料船舶新型發(fā)動(dòng)機(jī)研制及船舶碳捕獲技術(shù)研究，搶占零排放船舶市場(chǎng)先機(jī)，助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。