“双碳”背景下绿色船舶减排路径探索_东亚.pdf

Cover Character封面人物NAVIGATION航海2“双碳”背景下绿色船舶减排路径探索“双碳”背景下绿色船舶减排路径探索东 亚1 王 森2（1.上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125；2.上海交通大学，上海 200240）摘要：为践行温室气体排放初步战略,早日实现“双碳”目标，IMO 正在敦促所有船舶在 21 世纪中叶达到温室气体减排 50%的要求。本文首先介绍了行业内的相关政策要求，提出通过技术创新和替代燃料 2 种路径来有效提高船舶能效，降低碳排放，减缓温室气体效应。文中主要介绍了 3 种船舶节能减排技术的应用，包括气层减阻技术，风帆助航技术，碳捕集、利用与封存技术；同时介绍了两类船舶燃料，包括低碳燃料和零碳燃料，并预测了“双碳”背景下船舶减排的发展方向。关键词：风帆助航；碳捕集；低碳燃料；零碳燃料中图分类号：U671.99的积累总结，经过多年沉淀研究和救助实践，带领团队制定形成了“翻扣船救援标准化程序”，该程序包含倒扣空间模型构建、救援现场风险应对能力提升、快速进舱搜救路线摸索、被困人员快速救援装备研制、被困人员心理特点与安抚技巧等，在救捞系统各类翻扣船救援任务中得到广泛应用。工欲善其事，必先利其器。每争取到多一分钟的救援时间，就是为遇险人员多争取一丝生机。面对以往翻扣船救援中，救援辅助装备不足的问题，王建明和他的团队积极思考，创新思路，先后研发了密闭空间救援潜水装具和翻扣船生命气源供气救援装置等，并获得 4 项国家专利，成功解决了翻扣船浮态不稳定、舱室生命气源不充足，被困人员出舱供气难等问题，并多次在救助实战中发挥功效。在大深度水下切割中，氧爆问题是极具危险性又无法避免的难题。王建明在多次执行大深度水下双层钢护筒切割实战任务中，反复琢磨，首创斜切引流法。该方法在救捞系统潜水工程作业领域被推广应用，由他主笔的论文钢护筒内深潜水水下切割情况分析也在中国救捞期刊上发表，为潜水员在大深度水下切割提供了技术指导。言传身教，做潜水救助技能的传承者薪火相传，匠心筑梦。救助文化的延续离不开一代代救助人的言传身教，救助技能的传承离不开一代代救助人的“传帮带”。王建明常说：“要将老一辈传承下来的东西继续传承下去。”他积极推行实战教学、实战练兵，推动“老师带教”制的实施，他充分结合新进青年职工的技术特点及薄弱项，制定了详细的培养计划，大到整个救助作业流程，小到每个救助设备的使用方法。他把自己多年积累的小技巧、小经验毫无保留地传授给年轻人，帮助他们逐一熟悉救助设备、技术措施、操作方法、安全标准等，有效解决了青年员工实战经验少、动手能力不足的难题，充分调动了青年职工学习业务技能和钻研技术的积极性，培养出多名具备丰富实战经验的潜水技术能手，真正把救捞人的专业技能、救捞精神和敢拼血性传承下去。精于工,匠于心,品于行,创于新。王建明用自己的实际行动，诠释了救捞人“把生的希望送给别人，把死的危险留给自己”的崇高精神，展示了东海救助人“大爱、无私、担当”的豪迈情怀，为“当好现代化海上救助开路先锋”贡献了自己的青春、智慧和力量。（东海救）NAVIGATION航海30 引 言据国际能源署发布的报告显示，2021 年全球 CO2排放量约为 363 亿 t，其中航运业 CO2排放量约为 8.33 亿 t，占全球排放总量的比例约为 2.3%，如不采取积极管控措施，这一数字将于 2050 年飙升至 18%。为加快遏制航运业及造船业的碳排放，减缓全球变暖，国际各大组织及各国家纷纷出台相应规范及制度，国际海事组织（International Maritime Organization，简称 IMO）特别制定了一系列碳减排的相关战略指导及行业规范。中国于 2020 年提出“碳达峰”和“碳中和”愿景，而新造船、改造船的技术和能源改革，是航运业完成“双碳”目标的重要推力，绿色船舶、绿色航运势在必行。1 航运与造船业的碳减排目标及战略愿景由于国际航运活动具有全球动态性的特点，远洋船舶穿梭于各个国家的不同港口之间，受不同地区的政治、经济、法规的影响较大，该特殊现实情况要求全球各个国家需要统一组织，制定统一国际规范。IMO 是联合国中承担制定海上减排目标的专职机构，以创建和维护公平、有效的航运业框架为己任，促进行业内的可持续发展，保障全球海上安全。1.1“初步战略”的制定与设立IMO 在 2018 年 4 月发布了IMO 船舶温室气体减排初步战略（以下简称“初步战略”)等相关战略指导，并且将在今年 2023 年对初版战略重新修订，该战略是全球航运业的首个气候框架，同时对标国际气候公约应对全球环境变暖的要求，对国际航运业作出重要减排指示，加速航运及造船业向低碳零排转型升级。1.2“初步战略”的减排力度与目标对于 2013 年后新交付的船舶计算“船舶能效设计指标（EEDI）”，对于 2013 年前交付的存量船舶控制“现有船舶能效指标（EEXI）”，并对照评估船舶的“碳排放强度指标（CII）”来有效控制船舶的实际碳排放量，要求船队根据自身的参数进行设计设置，优化船舶的能效管理，积极应对海上温室气体排放新规。“初步战略”的具体实施包含 5 个步骤，要求逐步完成对海上温室气体排放总量的控制，力争在 2050 年达到平均碳强度同比于 2008 年下降至少70%、温室气体排放总量下降 50%的战略目标，并尽早在21 世纪中叶完成温室气体零排放的宏伟目标。1.3“初步战略”的三阶段措施为实现阶段性减排目标，会议提议了 3 个阶段的候选措施，以船舶强制性能效要求为基础，力求能够有效解决温室气体排放问题。在“初步战略”中，短期措施包括对现有能效框架的修改和完善，相关减排计划制定与执行等措施性机制改革；中期措施包括实施低碳和零碳燃料等新型燃料来替代传统船舶重油和轻油，对新造船和存量船实施加装减排设备等技术性手段提升；长期措施包括进一步开发和使用新能源燃料，引入其他减排机制等,以利于发挥行业间协同作用。2 绿色船舶减排新技术的应用由于“初步战略”中所提及的部分要求已经生效或即将生效，行业的技术革新刻不容缓。除新造船的要求外，市场上目前仍在服役的船只及船队可通过多种节能减排的技术手段，在保证经济性的条件下，选择外置加装设备的方式来减少油耗、优化营运以实现减排目标。2.1 气层减阻技术气层减阻技术是目前应用在船舶上的一种新型节能技术，其基本原理是利用水流和空气在密度和黏度上的差异，将空气或主机废气注入船舶底部形成一层薄气层，减小船舶航行期间的风阻。据研究数据显示，气层减阻技术的应用能有效减少约 15%25%的船舶航行阻力，在提高船舶能效同时可有效防治船舶污染1。气层减阻技术对提高船舶经济航速、改善船舶航行污染、构建绿色低碳运输体系具有重要的经济及环保价值，目前已在大型运输船舶节能减排等方面受到了业内的认可。2.2 风帆助航技术风能应用于船舶领域的历史悠久，作为一种天然的可再生清洁能源，风帆自古以来被用作船舶推进动力。20 世纪六七十年代，风帆再次进入现代化船舶的研发视野，但因技术瓶颈及其操作复杂性曾一度搁置。近年来，由于全球气候变暖和海上温室气体的排放增量，国际间组织的战略减排推进，各国再次加大了对于风帆技术的研究与应用。相较于其他燃料推进方式，风力推进是一种免费且零排放的动力来源，据研究，安装风帆可以节能 4%10%，是当前船舶外置减排技术中应用较为常见的技术手段之一2。目前推广外置风帆面临的困难，主要包括现有船舶甲板面积的局限性，以及风帆助航装置的安装与运维难度，并且需要对船员进行专业的操作培训，选择与替代燃料结合使用将有助于推动风帆助航的进一步市场化。2.3 碳捕集、利用与封存技术碳捕集、利用与封存技术自 20 世纪 30 年代开始进入商业化进程，指的是将燃烧排放源产生的 CO2分离后，可进行再利用或处理后输送至指定地点进行永久封存，通过该项技术处理后能够避免温室气体直接排放到大气中，从而减弱温室效应3。碳捕集、利用与封存技术现主要应用于陆地上各大电厂和热电厂，相较于陆上使用，海上碳捕集与封存NAVIGATION航海4Industrial Highlight业界看点仍面临许多挑战，一是船舶空间有限，船上改造难度大；二是该系统本身也需要消耗能量，设备复杂度较高，对船舶性能会产生一定的影响；三是 CO2存储在船上存在安全性以及经济性制约；四是现阶段碳捕集成本高昂。鉴于以上因素，碳捕集和封存的技术还需进一步的实践来证明其效果。3 绿色船舶减排新燃料的应用为加快实现造船业与航运业的碳减排战略目标，仅通过船队运营规划、船舶技术改进等路径带来的效果始终有限，必须在行业规范、技术升级的基础上进一步研发和使用新型绿色燃料，多方面共同协作努力，推动航运业融合发展，加快实现 IMO“初步战略”的宏伟目标。3.1 低碳燃料液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称 LNG）是目前航运业碳减排过程中首选的低碳燃料，相较于传统船舶燃油，LNG 的燃烧排放污染更少，并具有燃点高、抗爆性好的安全特性，是船舶航运业为加快温室气体减排的最佳过渡燃料4。近年来，越来越多的双燃料动力船正在取代传统重油船舶，LNG 是现行经济和技术条件下最成熟、最安全的动力选择，受到了各大航运公司及船东的青睐，根据船机领导者曼恩（MAN）及瓦锡兰（Wartsila）的市场分享，目前新造船中有超过 30%选择双燃料发动机。相较于 LNG 动力新造船市场的火爆，LNG 港口加注业务发展仍然缓慢，LNG加注模式也同样有局限性。根据克拉克森提供的报告显示，当前全球范围内可提供 LNG 加注服务的港口达 185 个，约为全球港口数量的 14%左右。与此同时，LNG 动力船的建造成本及运营成本对船舶航运业造成不小经济压力，而国内LNG 船舶的建造工艺和生产设备的落后同样制约了行业的大规模发展。3.2 零碳燃料氢气与氧气的燃烧产物为清洁水，氨气与氧气燃烧产生氮气和水，受制于当前经济、技术和安全等综合因素，氢和氨是当前绿色船舶发展的理想零碳燃料。通过对比氢和氨 2 种燃料可知，氢的存储和处理要求远远高于氨，保存氢气需要先冷却至接近绝对零度（-239.15），并且必须由复杂而耗能的冷却系统来完成；而氨可直接由氢和空气中的氮气制成，与氢相比，氨的存储只需要在-10时加压液化即可，其成本相对来说较低且更容易运输5。然而，现阶段氨气作为替代燃料也面临如下几个挑战，一是氨气的缺点为热值低，燃烧性差，并且有毒性；二是适用于氨燃料的发动机还在不断研发过程中，仍未实现大规模的商业化，虽或在今年内可投入商用，但其真实效果仍待市场检验。4 “双碳”背景下绿色船舶减排的发展趋势随着船舶航运业碳减排压力增大，为了满足国际海事组织长期减排目标，当前所使用的低碳燃料并不能达到 IMO关于 2050 年温室气体净零排放目标，因此零碳燃料或新型动力源的应用也亟待发展，过渡期间外置减排技术如风帆助航与替代燃料的结合使用能发挥出更好的节能减排效果。“双碳”目标及温室气体减排要求对船舶的初始投资和营运成本带来新的压力，改变行业竞争格局，绿色低碳、节能减排成为航运船舶业的发展主流。我国在绿色船舶创新技术研发、标准规范制度的建立方面仍有许多不足，应不断推进船舶设计方案的优化改革和新型替代燃料的研究推广，促进绿色船舶行业协同发展。参考文献1 徐天南.国内外船舶气体减阻技术应用进展 J.船舶,2021,32(06):69-74.2 伍维波.风帆助航的发展现状与未来展望 J.中国远洋海运,2022(09):70-74.3 王鹏.国际航运业碳减排和船舶燃料转型趋势 J.国际石油经济,2021,29(07):52-62.4 王思佳.零碳航运氨燃料大有作为 J.中国船检,2021,(8):80-84.