2023年7月，國際海事組織(IMO)在海洋環境保護委員會第80屆(MEPC 80)會議上通過了《2023年船舶溫室氣體減排戰略》。該減排戰略提出了四大關鍵要素：雄心勃勃的減排目標、指示性校核點、中期措施、從生產到使用以防止排放轉移到其他部門的全生命周期管理。

本文綜合闡述了各種能效技術對商船的影響，如節能設備、風能輔助推進、空氣潤滑系統以及廢熱回收等，以評估它們是否符合IMO的溫室氣體減排戰略。同時，文章還對各種推進技術在不同船型中的應用進行了評估，包括二沖程發動機、燃料電池和蓄電池，并重點討論了這些技術的年度二氧化碳當量減排潛力以及相關的減排成本。

IMO新戰略要求更加關注脫碳技術的實施

2023年夏，IMO通過溫室氣體減排戰略修正案，旨在助力國際海運排放的有效管理。《2023年船舶溫室氣體減排戰略》主要包括以下4項關鍵內容：

1、雄心勃勃的減排目標。考慮到不同的國情，國際航運應盡快達到溫室氣體排放峰值，并在2050年左右實現溫室氣體凈零排放，與《巴黎協定》第2條規定的長期溫度目標保持一致。增加零溫室氣體排放或接近零溫室氣體排放技術、燃料和/或能源的使用，到2030年，該技術至少占國際航運所用能源的5%，并力爭達到10%。在碳強度方面，到2030年，將每次運輸工作的二氧化碳(CO2)排放量(國際航運的平均排放量)比2008年至少減少40%。

2、指示性校核點。到2030年，國際航運的年度溫室氣體排放總量應比2008年至少減少20%，并力爭減少30%；到2040年，國際航運的年度溫室氣體排放總量應比2008年至少減少70%，并力爭減少80%。

3、中期措施。目前，低溫室氣體燃料標準(類似于FuelEU Maritime)已得到廣泛支持，而溫室氣體排放稅仍在討論中。為了實現減排目標，中期措施應全面考慮船用燃料在其整個生命周期中的溫室氣體排放。雖然具體的中期措施細節尚待進一步制定，但預計這些措施將于2027年上半年正式生效。

4、從生產到使用的全生命周期管理。在設定雄心勃勃的減排目標、指示性校核點和中期措施中，必須充分關注從生產到使用各個環節的排放問題，以防止排放轉移到其他部門。為此，IMO已經通過了第一版生命周期評估指南。

隨著溫室氣體戰略的修訂，國際航運如何脫碳以實現行業合規和長遠發展再次成為人們關注的焦點。本文重點評估了節能技術對商船溫室氣體排放的影響，以及這些技術在推動船舶達到合規標準方面的作用。此外，本文還比較了三種不同商船類型所采用的推進技術，以明確分析該技術帶來的絕對年度CO2當量的減排量以及每噸CO2當量的相關減排成本。本文旨在推動有關商船推進技術的脫碳討論，以加快脫碳措施的實施，推動行業的可持續發展。

能效技術手段及效果

為了全面評估和比較各種技術可能產生的溫室氣體減排效果，我們充分利用了IMO的數據收集系統(DCS)和歐盟的監測、報告和驗證(MRV)數據。這兩個數據庫的結合為我們提供了關于主要商船類型(如集裝箱船、油輪、散貨船和液化天然氣船)的CO2排放量的詳細信息。這兩個數據庫的共同之處在于，它們都包含了船舶的實際燃料消耗數據。這一點在脫碳背景下尤為重要，因為它為我們提供了與實際船隊相比的減排潛力。這些基礎數據還為我們提供了2050年之前的預測數據，從而有助于評估各船型未來的CO2排放趨勢。

可以在船舶上采用以下幾種技術，通過提高能效來減少CO2排放：

1、節能裝置：有多種形式，例如，采用高效螺旋槳與舵球的組合，可以節省約8%的排放。如圖1所示，這種裝置在集裝箱船上的應用取得了顯著的節能效果。

圖1 商船中各船舶類型的CO2排放總量預測值(非當量)和能效提升后的CO2排放總量

2、風能輔助推進：對于可以安裝風帆的船型，利用風能輔助推進可以節省約5%的排放。

3、空氣潤滑系統：為大型平底船安裝空氣潤滑系統，可以節省約5%的排放。

4、廢熱回收：推進裝置上的廢熱回收技術可以回收利用部分能量，節省約5%的排放。

5、EcoEGR(廢氣再循環)：通過廢氣再循環技術，可以節省約2%的排放。

6、動力輸出系統：在推進裝置上安裝動力輸出系統，可實現特定船舶類型的節能。

7、速度優化：合理調整船舶的運行速度，可以實現特定船舶類型的節能。

8、替代燃料：使用替代燃料能夠實現不同程度的減排，具體效果取決于燃料類型。如表1所示，不同類型的替代燃料具有不同的減排效果和優勢。圖1展示了各類船舶的CO2總排放量預測值、所需的能效減排量及通過節能裝置可能實現的減排量。所需的能效減排量與能效設計指數(EEDI)第三階段緊密相關，而該指數將于2025年對新船生效。據推測，通過降低船舶的裝機功率，可以達到EEDI第三階段的標準。相對于船隊中的平均船舶，EEDI第三階段對各類船舶的節能要求分別為：集裝箱船5%、散貨船27%、油輪32%、液化天然氣船34%。

表1 商船燃料CO2排放系數(以gCO2e/MJ為單位)及其相對于重油的溫室升溫潛能值

通過采用節能技術，我們還可以實現額外的減排量。具體而言，在滿 足EEDI要求的節能基礎上，各類船舶通過節能技術可實現的額外減排量分別為：集裝箱船25%，散貨船18%，油輪18%，液化天然氣船為26%，這些都是各船型的平均值。因此，為了達到EEDI第三階段要求，我們不僅需要考慮降低裝機功率，還可以通過提高能效技術來實現節能減排。評估結果表明，與目前的平均船隊相比，節能可以使集裝箱船的CO2減排量達到約30%，散貨船達到約45%，油輪達到約50%，液化天然氣船達到約60%。

通過將各種節能技術應用到不同船舶類型，并結合速度優化，我們可以實現有效減排。同時，也應考慮船上功率消耗、附加波浪阻力的相對增加及執行相同運輸任務的船舶數量。不同船舶類型的減排潛力存在差異，這種差異主要源于在考慮上述因素時各船舶在降速方面的潛力不同。

商船的平均壽命約為25年，這意味著現在新建的船舶必須能夠實現在2050年左右達到凈零排放的目標。此外，在2050年之前，使用化石燃料的船舶可能會面臨支付未知碳稅的風險，而在2050年及之后，船舶必須實現凈零排放，否則可能會面臨其他處罰或地理禁令。因此，新建船舶需要具備使用替代燃料的能力。根據圖1和表1的數據，我們可以看到，即使采用所有相關的節能設備和措施，基于化石原料的燃料仍然不足以實現凈零排放的目標。為了向碳中和過渡，生物液化天然氣、生物甲醇和生物燃料油等替代燃料是可行的選擇。但要實現碳中和或無碳運輸，電子燃料是必不可少的。目前，電子燃料仍處于稀缺狀態，因此需要節能技術來加速和擴大航運業的脫碳實施，并確保在電子燃料達到所需規模之前能夠減少碳排放。

隨著2050年的日益臨近，預計法規將會逐步收緊，并通過一系列目前尚未明確的中間措施來實施。對于現有的船舶，它們需要評估各種合規選項，這一過程將取決于它們各自的使用壽命。對于部分船舶而言，采取節能措施可能足以在中期內滿足合規要求。然而，對于其他船舶，可能需要進行改裝以使用更清潔的燃料，或者依賴于先進的生物燃料來實現合規。在考慮這些選項時，船東和運營商還應將其與替代方案進行比較。例如，相對于改裝船舶，支付碳稅可能適用于某些船型和一定船齡的船舶。因此，對于每艘船舶來說，都需要進行詳細的業務案例分析，以確定最適合的合規選項。

絕對年度減排量及相關減排成本現在我們重點來討論推進技術，并從兩個維度評估不同技術和船舶類型在減排方面的差異：絕對年度減排潛力和每噸CO2當量減排成本。我們將以新巴拿馬型集裝箱船、2000標準箱的支線船和卡姆薩爾型散貨船這3種大運量船舶類型(參見圖2)為例進行評估，并以使用重燃油(每噸630美元的低硫燃料油)的二沖程發動機為基準(圖3—5中縮寫為2S VLSFO)，展示不同技術路徑的年度減排潛力和減排成本。在評估中，我們還將推進技術與能夠減少CO2排放的燃料(相對于重燃油而言)相結合。

圖2 船舶尺寸、安裝效果和能源消耗的對比

圖3 在新巴拿馬型集裝箱船上，采用不同的推進技術對CO2當量減排量的影響

圖4 在2000標準箱的支線船上，采用不同的推進技術對CO2當量減排量的影響

圖5 在卡姆薩爾型散貨船上，采用不同的推進技術對CO2當量減排量的影響

我們評估各種二沖程雙燃料發動機的運行情況，包括使用合成甲醇、合成甲烷和合成氨作為燃料的發動機。目前，甲醇和甲烷的二沖程雙燃料技術已經達到了9級的技術就緒指數(TRL)，意味著這些技術在現實環境中已經得到了驗證。相比之下，氨的二沖程雙燃料技術目前處于TRL4，即僅在實驗室環境中進行了驗證。然而，預計在2025年左右，經過全尺寸測試后，氨的二沖程雙燃料技術將達到TRL9。為了最大程度地減少CO2排放，這些發動機還可以配備PTO軸帶發電、廢熱回收和合成引燃油噴射等技術。此外，本節還評估了使用液化天然氣運行的二沖程雙燃料發動機，以及帶有PTO軸帶發電、廢熱回收與合成引燃油噴射的液化天然氣發動機，旨在提高發動機的效率和性能。同時在柴油循環發動機全生命周期的技術上，液化天然氣相對于重油具有約17%的CO2排放優勢。所有液化天然氣推進系統元件的技術就緒指數均為TRL9。

1、帶有船載碳捕集技術的二沖程發動機

船載碳捕集與封存(CCS)系統可與使用液化天然氣或超低硫燃油等燃料運行的二沖程發動機結合使用。超低硫燃油被認為在CCS設施中可以最大限度地減少胺的降解。目前，船載碳捕集技術已經處于TRL5—6階段，該技術已經在船上進行了驗證，并正在或已經進行了技術試點。目前正在商船上進行普及的船載碳捕集系統是基于有機胺的。這種技術已經經過評估，但關于捕集或儲存的碳的處理技術尚未進行評估。可以預見，對船上捕集和儲存的碳進行卸載和記錄會給船舶運行帶來一定的復雜性。然而，在以下的減排成本核算中并未將其計算在內。為了進一步評估這種技術的實際應用效果，需要更高的技術就緒指數。

2、燃料電池+二沖程發動機

我們評估了兩種燃料電池技術：固體氧化物燃料電池和聚合物交換膜燃料電池。盡管燃料電池可用于合成燃料生產等船用燃料生命周期中的其他用途，但本文主要關注其在推進方面的應用，即為驅動螺旋槳的電動機提供能量。評估結果顯示，燃料電池技術可以根據需要進行擴展或堆疊，以滿足三類船舶所需的功率。

對于固體氧化物燃料電池，我們考慮使用液化天然氣、合成甲醇和合成氨作為燃料的情況。而聚合物交換膜燃料電池則使用合成甲醇和合成氨作為燃料。大型船舶的燃料電池推進技術根據所使用的燃料具有不同的技術就緒指數。具體來說，使用液化天然氣和氨的固體氧化物燃料電池處于TRL7，而使用甲醇的固體氧化物燃料電池則處于TRL3。對于聚合物交換膜燃料電池，使用甲醇和氨的情況均處于TRL3。此外，關于燃料電池的使用壽命，目前尚不明確。因此，我們的評估假設在船舶壽命期間，燃料電池堆能夠持續工作。然而，考慮到可能需要在船舶壽命期間進行維護或更換，這可能會顯著增加減排成本。我們還假設燃料電池與其他能源轉換器一樣，可以使用相同質量的燃料。如果需要更高純度的燃料以避免對燃料電池的性能產生影響，這可能會增加操作成本。

3、蓄電池+二沖程發動機

經過初步評估，我們發現對于本文所關注的3種船型而言，蓄電池的功耗過高，導致減排成本顯著增加。由于貨物排水量較大，蓄電池在商船運輸中不具備商業價值。目前，蓄電池在航運中的優勢主要體現在近岸航運領域，而非遠洋商船的推進領域。然而，蓄電池在大型遠洋船舶的船載電網中可能得到有效應用。在評估過程中，我們考慮了多個因素，包括技術成本、船上供應和儲存系統、貨物空間損失成本(如適用)、資本成本、燃料成本和技術效率等。燃料成本對減排成本的影響尤為顯著，其中重燃油的價格設定為每吉焦11美元，化石液化天然氣為8美元，合成甲醇為61美元，合成氨為48美元。

4、搭載二沖程發動機的新巴拿馬型集裝箱船

根據圖3，二沖程雙燃料發動機使用合成氨燃料的絕對減排潛力為每年約92千噸CO2當量，減排成本為每噸460歐元。若在二沖程氨燃料發動機中集成PTO軸帶發電、廢熱回收和合成引燃油噴射技術，每年可減少多達102千噸CO2當量，減排成本降低至每噸450歐元。然而，這種配置會使推進方案變得更為復雜。對于一些發動機運營商而言，標準氨燃料發動機因其簡潔性比有多種附加技術的發動機更受歡迎。對于二沖程甲醇發動機，其絕對減排量為每年約93千噸，成本為每噸640歐元。電制甲烷的絕對減排量也約為每年93千噸，成本為每噸500歐元。若采用相同的節能技術，甲醇和電制甲烷的絕對減排量分別增至98千噸和96千噸，成本則分別降至每噸590歐元和每噸510歐元。

使用甲醇和氨的燃料電池具有相對較高的絕對年減排量，減排量介于96至103千噸之間，減排成本在每噸580至1020歐元之間。與二沖程發動機相比，盡管這實現了更高的絕對年度減排量，但是其成本也相應地高達兩倍。

具有船載碳捕集技術的二沖程發動機在使用液化天然氣時，每年能夠實現約80千噸的CO2當量減排，減排成本為每噸460歐元。而當使用超低硫燃料油時，每年減排量約為77千噸CO2當量，成本則升至每噸1590歐元。需要注意的是，該系統及其相關成本并未包括卸載捕集/儲存碳的部分，同時也不包括碳經濟可能帶來的潛在收益。目前，碳經濟的模式和潛力尚不確定，因此這也為船上的碳捕集帶來了相應的風險。

使用液化天然氣為燃料的二沖程發動機每年能夠實現約13千噸的CO2當量減排，減排成本為每噸790歐元。而當該發動機配置了PTO軸帶發電、廢熱回收以及合成引燃油噴射技術后，每年減排量大幅提升至約27千噸CO2當量，同時減排成本降低至每噸440歐元。通過將船載電力生產轉移至二沖程內燃機，軸帶發電機與使用四沖程輔助發電機組發電相比，具有明顯減少甲烷逃逸的優點，從而對減排效果產生顯著影響。沼氣和合成甲烷是另外兩種可用于提高絕對減排量的替代燃料。在過渡階段，這兩種燃料的減排效果尤為顯著，但相應的每噸成本也會有所增加。

最后，使用液化天然氣為燃料綠色航運Green Shipping的固體氧化物燃料電池每年能夠實現約23千噸的CO2當量減排。盡管減排效果可觀，但這一技術的成本相對較高，每噸的減排成本達到1140歐元。

5、搭載二沖程發動機的2000標準箱的支線船

對于2000標準箱的支線船和新巴拿馬型集裝箱船而言，其絕對減排和減排成本的模式存在一定的相似性——這主要適合較小規模的船舶和較低的能源消耗。與新巴拿馬型集裝箱船相比，2000標準箱的支線船的年度排放量較低，因此無論采用何種技術，其絕對減排潛力相對較小。推進技術在圖4中的相對位置雖然相似，但仍存在一些例外情況。例如，較低的功率消耗——新巴拿馬型船的能耗約為126吉瓦時，而支線船的能耗約為42吉瓦時——導致二沖程發動機在使用液化天然氣時的成本增加，減排成本超過每噸1030歐元，這是因為相對較低的能耗，導致液化天然氣系統的初始投資成本相對較高。

在固體氧化物燃料電池的使用上，情況有所不同。使用液化天然氣的燃料電池成本每噸降低了220歐元，這是因為大型集裝箱船與支線船在安裝效果上存在差異。大型集裝箱船傾向于安裝備用容量高的大型發動機，而小型集裝箱船的安裝效果與其實際使用效果更為匹配。因此，對于支線船而言，其燃料電池方案的規模較小，減排成本為每噸920歐元 ；而新巴拿馬型船的減排成本則接近每噸1140歐元。根據計算，假設液化天然氣的成本低于其他燃料，結合船載碳捕集技術的二沖程雙燃料發動機理論上可以實現中等偏上的絕對減排量。然而，在TRL5—6階段，實際成本仍無法確定。此外，還涉及到與卸載和認證/文件相關的財務和實際風險及系統復雜性增加的風險。

6、搭載二沖程發動機的卡姆薩爾型散貨船

卡姆薩爾型散貨船的絕對減排潛力和減排成本也呈現出與前述船型相似的模式。然而，它在本文所討論的三種船型中的能耗最低，僅為24吉瓦時，因此其絕對減排潛力也相應較低。對于這種船型，使用液化天然氣二沖程雙燃料發動機的成本相對較高。這主要是因為與大型船舶相比，較小的船舶在使用液化天然氣系統時的資本支出與能源消耗之間的比例更大。如果不采用任何節能技術，其減排成本為每噸1470歐 元。然而，如果結合PTO軸帶發電和廢熱回收技術，減排成本可以降至每噸940歐元。

綜上所述，對于大型商船或高能耗船舶而言，最經濟且簡便的脫碳方式是采用氨燃料發動機，其次是甲醇發動機和電制甲烷發動機。

而對于小型商船和低能耗船舶，甲醇相比氨燃料更具優勢，因為甲醇的資本支出增加相對有限。通過結合各種附加技術，可以略微降低年度絕對減排量和減排成本，但代價是機艙的結構變得更加復雜。燃料電池的年度絕對減排量較高，但成本高于二沖程發動機。目前該技術仍在開發階段。此外，船載碳捕集技術也在研發中，可作為短期合規的過渡方案，但還不足以在2050年實現凈零排放。因此，除了燃料電池和碳捕集技術外，還需要其他技術的支持。總體而言，燃料電池和碳捕集技術在岸上應用中可能對航運脫碳作出主要貢獻，例如在燃料生產過程中；因為與船上應用相比，這些技術的效率和成本都可能得到進一步優化。

未來展望

IMO修訂后的溫室氣體戰略與《巴黎協定》第2條的2℃凈零航運路徑保持一致。然而，在2023年夏天的MEPC 80會議后，一些批評人士對該戰略與1.5℃溫控目標不一致表示失望。但為單一行業設定不同目標可能會帶來不公平的競爭優勢，因此對航運業設定額外目標可能是一種懲罰。如果航運部門能夠證明其在運營中實施和推廣脫碳技術的能力，那么溫室氣體戰略有可能進一步修訂。但在作出這樣的決定之前，航運業需要得到其他部門的承諾，確保這些部門也致力于實現1.5℃溫控目標，而不是2℃。這種承諾可以在締約方會議上正式達成。一旦《聯合國氣候變化框架公約》的締約國簽署新的協議，航運業將做好準備，確保所有部門都能在平等的商業條件下運營。

在等待IMO的中期措施期間，我們的初步結論是，雙燃料發動機，尤其是與節能技術相結合，將更有利于新建船舶。隨著2050年的臨近，這一趨勢預計將進一步穩固和加強。對于現有船舶，尤其是大型或高能耗船舶，將燃油發動機改裝雙燃料發動機具有明顯優勢。在某些情況下，僅進行能效改裝可能就足以符合未來的排放要求，但這具體取決于船舶的船齡和運營模式。

在訂購新船時，考慮到未來潛在的改裝需求，可能會存在一定的風險。如果幾年后改裝需求激增，船廠可能無法應對所有改裝任務，從而無法確保每艘船都能得到及時和高質量的改裝。通過在新船訂購時選擇雙燃料發動機，則可以提前鎖定雙燃料建造的船廠建造船位。

為了推動海事領域的脫碳化，必須確保有足夠數量的凈零排放燃料與推進技術相匹配。這意味著需要對能源價值鏈進行投資，并優先考慮航運業的利益。面對“先有雞還是先有蛋”的困境，我們需要同時部署技術和拓展合成燃料的可用性。因此，船東在為新建船舶選擇減排技術時，能源供應商也需要確保合成燃料的供應能夠滿足船隊的運行需求。在實踐中，電制甲醇、電制氨和電制甲烷等合成燃料將具有市場需求。作為凈零燃料價值鏈的一部分，我們需要擴大綠氫的生產規模。來自碳稅的資金可以有效地用于支持這一目標的實現。

海事能源轉型已經開始，該行業正在逐步擴大規模并實施脫碳技術。