全球零排放船舶研发全景扫描
2021-08-24 19:47:08
来源：中国船检
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国际船舶网
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据克拉克森测算，2019年航运业碳排放约8.19亿吨，占当年碳排放总量的2.5％(总量约330亿吨)。近年来，为满足航运碳排放控制要求，全球开展了一系列绿色船舶技术研究，其中零排放船舶研发是实现“碳中和”目标的重要途径。船舶要实现零排放，关键依靠动力变革。从近几年全球零排放船舶研发现状来看，研究热点涉及替代燃料(氨燃料、氢燃料)、电池(蓄电池、燃料电池)、核能、可再生能源等。
氨燃料动力船舶研发动态
当前，全球氨燃料动力船舶仍处于研发阶段，主要针对油船、集装箱船、散货船等主流船型及液化气船进行开发，预计在2025年前后能够实现商业化运营。中、韩、日等国船厂普遍与欧洲发动机公司和船级社合作，加快氨燃料动力船舶研发与应用进程，其中我国与韩国的多家船厂走在前列，多艘船型设计已获得船级社原则性批准。
韩国现代尾浦造船、大宇造船海洋、三星重工、大韩造船等公司开展了氨燃料动力油船、集装箱船设计。2020年7月，韩国现代尾浦造船设计的5万载重吨氨燃料动力MR型油船获得英国劳氏船级社(LR)原则性批准；2020年9月，韩国大宇造船海洋联合德国MAN共同研发的2.3万标准箱氨燃料动力集装箱船获得LR原则性批准，同时韩国三星重工、MAN和LR共同研发的8.5万～12.5万载重吨级苏伊士型氨动力油船获得LR原则性批准；韩国大韩造船公司也正在开展11.5万载重吨级阿芙拉型氨燃料动力油船的设计与研究。此外，为了满足未来航运对氨燃料的旺盛需求，2021年5月，韩国现代重工集团联合氨燃料生产与储存、造船、航运等领域的专业公司，欲协同打造氨燃料海上运输产业链，抢占海洋氨燃料产业发展先机。
日本在氨燃料动力船舶研发方面与中、韩相比较滞后，日本邮船等正在开发一艘以氨气为主要燃料的氨动力氨气运输船(AFAGC)，以及一艘氨气浮式储存再气化驳船(A-FSRB)，并在近期与挪威化肥公司雅苒国际达成联合研发氨动力氨气运输船协议。
欧洲偏重于氨燃料发动机的研发，如MAN公司已参与多家船厂的零排放船舶开发工作，而对于氨动力船型开发相对较少。2021年4月，挪威礼诺航运公司与船舶设计公司Deltamarin合作推出新的Aurora级零排放汽车运输船，配备MAN公司B&W多燃料发动机，未来稍作修改之后，可以过渡到使用氨气等零碳燃料运营。
中国船舶集团有限公司旗下的上海船舶研究设计院、大船集团、江南造船集团等开展了氨燃料动力散货船、集装箱船和液化气船设计。2019年，上海船舶研究设计院18万吨氨燃料动力散货船获得船级社原则性批准，同年，大连船舶重工集团有限公司和MAN公司设计的2.3万标准箱氨动力超大型集装箱船方案获得船级社原则性批准；2020年，江南造船集团研发的氨燃料动力超大型液化气体运输船(VLGC)获得船级社原则性批准；2021年3月，江南造船集团研发的氨燃料动力中型液化气船获船级社原则性认证。
氢燃料动力船舶研发动态
当前，日本以及挪威、荷兰等欧洲国家开展了氢燃料动力船舶研发，涉及滚装船、挖泥船及液氢运输船等船型，皆处于研发阶段，预计在2024年后能够实现商业化运营。
日本侧重于大型远洋氢燃料动力运输船舶及发动机的研发。2021年1月，日本川崎重工宣布将建造全球首艘大型液化氢运输船，该船总长约300米，型宽约50米，采用燃烧氢气产生的蒸汽带动轮机为船舶提供动力，计划2026年完工；4月，川崎重工等多家日本公司宣布将开发用于大型船舶的船用氢燃料发动机，包括船用主机、辅机、发电机等各种用途的产品。
欧洲侧重于近海氢燃料动力运输与作业船舶的研发。2020年，挪威启动研发一艘以液态氢(LH2)为燃料的零排放滚装船“Topeka”轮，该船可向挪威沿海的氢枢纽码头输送LH2，计划于2024年投入使用；2021年4月，荷兰皇家IHC公司与荷兰交通水利局合作开发的氢燃料动力耙吸式挖泥船获法国船级社原则性批准，该船计划在2024年投入运营，将为荷兰实现海岸线维护过程的碳中和提供重要支撑。
图1 挪威氢燃料动力滚装船“Topeka”轮(图源/网络)
燃料电池动力船舶研发动态
当前，全球开展的零排放燃料电池动力船舶研发主要集中于氢燃料电池，也有部分国家正在开展氨燃料电池研究，主要面向内河运输小型船舶，目前基本处于研发试验阶段，且大部分与其他动力混合使用。
欧洲对氢燃料电池动力船舶的研究较多，涉及内河运输船舶、海工作业船及试验船等。2019年，德国柏林科技大学设计研发了一艘氢燃料动力推船“艾丽卡”(Elektra)，该推船长20米，采用氢燃料电池(主动力)、蓄电池等混合动力驱动，将用于柏林和汉堡之间的货物运输；2020年9月，意大利芬坎蒂尼船厂开建氢燃料电池动力试验船ZEUS号，配备柴电混合动力发动机和氢燃料电池系统，将作为研究船用燃料电池技术的重要载体；2020年，挪威Ulstein公司推出了一种氢燃料电池海上风力发电机安装船的新设计，采用燃料电池+柴油电力推进混合动力系统，能在75%的时间以零排放模式运营；2021年6月，荷兰达门船厂与荷兰一家内河航运公司签订了氢燃料电池内河驳船建造合同，该船长135米，计划在2023年下水交付。此外，芬兰瓦锡兰公司与挪威Eidesvik等公司正在合作研发一艘以氨燃料电池动力零排放大型船舶，预计最早将于2024年下水。
图2 氢燃料电池动力试验船ZEUS号(图源/网络)
日本一直注重氢燃料电池动力的研发。商船三井等正在开展“Wind Hunter”风能和氢燃料电池混合动力零排放船舶研发项目，涉及风能推进、风能制氢、氢燃料电池等技术，项目前期将利用一艘帆船进行概念验证试验。
我国也在推动氢燃料电池动力船舶研发。中国船舶集团正在开展500千瓦级内河氢燃料电池动力货船研发，包括船型开发和电池系统研制，已于2019年12月取得中国船级社原则性批准；2021年，武汉众宇动力系统科技有限公司船用燃料电池产品获得中国船级社型式认可证书。
蓄电池动力船舶研发动态
近年来，中国、日本及欧洲一些国家等开展了蓄电池动力船舶研发，包括内河客船、小型油船、集装箱船等，电池容量逐步大型化以满足续航需求，部分电动船舶已投入运营。
电动船舶是日本解决沿海航运排放问题的重要手段。2020年，日本船企组建了“e5联盟”，旨在携手开发零排放电动船并实现商业化，预计在2022年3月之前推出一艘在东京湾运营的由大容量锂离子电池供电的零排放油船。
挪威在电动船舶研发方面较为突出，开发了多艘电动客船及小型货船。2020年7月，挪威设计建造了全电动零排放客船“Legacy Of the Fjords”号，该船采用碳纤维材料，船长42米，电池容量2.4MWh，巡航速度可达16节；2020年11月，挪威Vard公司建造的电池动力集装箱船“Yara Birkeland”号完成交付，船长80米，电池容量7MWh，最大航速13节，后续该船进行测试及自主航行功能的再次开发；2021年6月，挪威Fjellstrand船厂开建全电动客运快速渡船“Medstraum”号，该船采用铝材双体结构，全长31米，电池容量2.4MWh，设计航速23节，计划2022年试运行。
图3 全电动客运快速渡船“Medstraum”号(图源/网络)
我国已建造及在建多艘内河电动船舶，包括客船、拖船及货船等，如“君旅”号客船、“蓝海豚2020”号客船、“中天电运001”号货船、“长江三峡1”号客船等，大部分电动船舶电池容量在1～7.5MWh之间。
核动力船舶研发动态
中国、美国、俄罗斯、西班牙、韩国等正在开展核能技术在民用船舶上的应用研究，反应堆为压水堆、熔盐堆等堆型。受成本及潜在的安全风险等因素制约，除俄罗斯运营的核动力破冰船外，现阶段核动力运输船舶仍处于研发阶段，距离商业化运营还较遥远。
美国泰拉能源公司正在开发船用熔盐反应堆技术，计划用于大型船舶推进动力，并为清洁燃料制备提供能源；2020年，俄罗斯建造的全球最大核动力破冰船“北极”号正式服役，目前正在建造更加强大的“领袖”级“俄罗斯”号核动力破冰船，皆采用压水堆；2021年，西班牙游艇制造商Iddes Yachts公司推出了一款核动力科学探险船设计，该船将采用熔盐堆，但受核动力技术认证的限制，运营初期将采用清洁燃料作为过渡，预计于2025年下水；2021年6月，韩国三星重工与韩国原子能研究所签订协议，将联合研发核动力船舶，采用小型�？榛垩味�，计划于2025年开始原型堆的试验。我国也在开展海洋核动力平台研发，推出了核动力综合保障船和核动力疏浚船等船型。
可再生能源动力船舶
一些国家也开展了风能、太阳能等可再生能源在小型船舶动力领域的应用研究，但要用于大型船舶，需与其他动力形式混合使用。2021年3月，英国风船技术公司推出了一款用于远洋散货船和油船的零排放船舶解决方案，综合了风能、太阳能、柴电推进、碳捕获等相关技术。
从近两年全球零排放船舶研发现状来看，根据船型大小和用途的不同，零排放船舶采用不同技术路径，涉及氨燃料、氢燃料、电池、核能、风能等相关动力技术。综合来看，未来，内河和沿海运输及作业船舶等可通过电池技术实现零排放，大型远洋运输船舶及其他大型船舶则更多依赖氨/氢燃料等替代燃料实现零排放，核能、风能可为替代燃料的制备提供能源保障；同时，多种动力技术的综合集成应用也将成为重要发展方向。我国应加快零碳排放船型开发、零碳燃料船舶新型发动机研制及船舶碳捕获技术研究，抢占零排放船舶市场先机，助力碳达峰、碳中和目标的实现。
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