船舶能源低碳发展趋势及路径

限硫令下五问燃油聚焦
船舶能源低碳发展趋势及路径
限硫令下五问燃油聚焦
LNG LPG 甲醇 二甲醚 生物燃料储氢技术目前已较为成熟，但由于能量密度的局限性，氢燃料目前仅适用于短程航行船舶。

未来要实现全生命周期的零排放，制氢途径要从化石能源转向可再生能源。

法规方面，IMO正在制定
《船舶使用燃料电池发电装置安全临时导则》，预计在2021年货物和集装箱运输分委会第7次（CCC7）会议上定稿。

中国船级社于2017年发布了《船舶应用替代燃料指南》，其中第二篇为船舶应用燃料电池系统的技术要求。

中国交通运输部海事局目前正委托中
国船级社编制《氢燃料动力船舶技术与检验暂行规则》，预计2021年8月定稿。

4．氨氨的主要制取途径是氮气和氢气在高温高压和催化剂作用下合成制取。

燃料成本方面，液氨单位热值价格分别约为甲醇和MGO的1.5倍和2倍。

目前船用氨燃料内燃机和氨燃料电池的研究及应用均处于起步阶段。

氨燃料发动机
的NO X 排放尚不能直接满足Tier III要求，需采用脱硝后处理技术；同时应关注N 2O排放问题， N 2O温室效应约为CO 2
的290倍。

由于氨具有一定毒性，
《国际散装液化气体船舶构造
与设备规则》（IGC规则）规定属于有毒货品的货物不允许用作燃料。

因此，在目前IGC规则框架下，液氨运输船不允许以货物作燃料。

《使用气体或其他低闪点燃料船舶国际安全规则》
(IGF规则)方面，目前适用的燃料也不包括氨燃料。

因此，目前氨作为船舶燃料尚缺少相应技术法规，有待下一步研究制定。

与液氢相比，液氨体积能量密度具有明显优势，且储
存及供应相对容易，是较为理想的能量载体，适用于续航里程较长的船舶。

氨可直接作为发动机燃料，也可作为燃
LNG LPG 甲醇
二甲醚
生物燃料氢氨
能源可供性5452
234
经济可接受性433322
3
技术成熟度5332432
环境适应性4
43
3
454
法规完备性5241331
综合评价 4.6 3.2 3.6 2.23 3.2 2.8 表1 清洁能源船用适应性综合评价
图1 清洁能源船用适应性综合评价a. 低碳能源 b. 零碳能源
氢 氨能源可供性能源可供性技术成熟度
技术成熟度综合评价
综合评价经济可接受性
经济可接受性环境适应性环境适应性法规完备性法规完备性
Maritime China|中国远洋海运
料电池的燃料。

从技术角度而言，氨燃料较氢燃料更易于在船上应用。

船舶动力装置与系统的技术变革
清洁能源的应用和动力装置与系统密切相关，各种清洁能源在船上的应用促进船舶动力技术的发展与变革。

传统基于内燃热力循环的动力装置正在持续发展，与此同时，基于外燃热力循环的动力装置和基于电化学反应的氢燃料电池、蓄电池，在船舶动力系统中的应用也越来越多。

面向船舶清洁能源的应用需求，综合考虑转化效率、功率等级、技术成熟度等关键因素，内燃机、燃料电池和蓄电池具有良好的发展潜力和应用前景。

1．内燃机
内燃机在转化效率、功率范围、技术成熟度等方面具有综合优势，在船舶能源低碳转型中仍将发挥重要作用。

天然气发动机技术已基本趋于成熟，规模化应用已成为可能，尚需针对甲烷排放控制、动态特性优化等方面开展进一步优化。

甲醇-柴油双燃料低速二冲程发动机已有成熟产品，并在甲醇运输船上投入应用，甲醇燃料中速机有待进一步发展。

氢-柴油双燃料内燃机在小型客船上已开展试点应用，兆瓦级氢-柴油双燃料中速机正处于研发阶段。

氨燃料内燃机的研发正在进行中，需重点研究解决氨燃料自燃温度高、火焰传播速度慢、可燃极限范围窄等问题。

除替代燃料应用外，与电动化融合发展以改善推进系统的整体能效和排放，也是内燃机未来发展的重要方向之一，例如基于内燃机-电池的混合动力推进系统、基于内燃机的直流组网推进系统等。

2．燃料电池
燃料电池能量转化效率较高，是未来船舶动力装置的发展方向之一。

低温燃料电池工作温度低、动态响应快、单模块功率高，需要使用高纯度氢气，而现阶段只能采用较成熟的高压气态储氢技术，这对短程航行船舶具有一定适用性，但受能量密度制约，难以满足远洋船舶续航里程要求。

高温燃料电池工作温度高、动态响应慢、单模块功率低，对氢气纯度要求相对较低，可使用LNG、甲醇、氨等富氢燃料重整制取的氢气，采用废热回收进一步提高系统效率，目前功率正在向兆瓦级突破，在远洋船舶上具有应用潜力。

3．锂电池
磷酸铁锂和三元锂是船用锂电池的两种主要技术路线，均已实现商业化应用。

磷酸铁锂具有良好的电化学性能和热稳定性，其主要优点是高安全性和长循环寿命。

结合船舶对安全性要求高、对空间重量要求相对温和的实际应用特点，磷酸铁锂电池在近期将成为船用电池动力的主流选择。

三元锂电池将在具有更高能量密度需求的船舶应用领域中发挥作用。

船舶能源低碳化路径详析1．发展趋势
（1）近期趋势。

LNG综合优势明显，在国际、国内船舶上均具有良好应用前景，将成为近期最主要的船舶清洁能源。

对工况复杂多变的内河船舶和沿海船舶，气电混合可能成为LNG应用的新选择。

锂电池受到能量密度的限制，将主要在短程航行船舶上具有一定的应用需求。

现阶段采用磷酸铁锂电池是较为均衡的技术路线，而三元锂电池将在更高密度需求的船舶应用领域发挥作用。

（2）未来趋势。

氢、氨燃料是未来零排放解决方案的重点发展方向。

氢的最佳应用方式是作为燃料电池的燃料。

氨可直接作为发动机的燃料，也可作为氢的运输和储存载体。

从技术可用性和经济可接受性角度出发，氨较氢燃料可能
主要类型天然气
内燃机甲醇
内燃机
质子交换膜
燃料电池(氢)
固体氧化物燃料电池
（LNG、甲醇、氨等）磷酸铁锂电池三元锂电池
功率等级单机最大
可达80 MW 单机最大
可达16 MW
500 kW
（多模块）
陆上装置最大可达
10MW(多模块)
125kWh/kg
(单体)
170kWh/kg
(单体)
转化效率约50%约50%50%-60%60%90%90%瞬态性能较好好较差差好好使用寿命25-30年25-30年5000-10000h10000-100000 h≥5000次≥2000次技术成熟度高中等高中等高中等表2 主要动力装置技术性能比较
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模商用，四冲程甲醇燃料发动机将逐步发展，
随着功率范围
的扩展，甲醇燃料发动机未来将面向其他船型拓展应用。

氨
燃料发动机在解决NO X 、N 2O等排放问题的基础上，可通过优化引燃技术进一步改善燃烧和排放性能，将逐步在远洋
船舶上得到应用。

与低温燃料电池相比，高温燃料电池对氢气纯度要求
不高，可使用LNG、甲醇、氨等富氢燃料，功率等级有望突
破兆瓦级，并且可采用余热利用技术进一步提升系统效率，是未来国际航行船舶燃料电池动力装置的主要发展方向。

（2）国内航行船舶
国内航行船舶的载重吨位较小、航程较短、靠港频次
较高、燃料补给相对便利，对燃料能量密度和动力装置推进功率的要求相对较低。

未来，国内航行船舶发展和应用的清
洁能源主要为LNG、甲醇、氢、氨和电能，相应的动力装置
和系统是内燃机、燃料电池和蓄电池。

中小功率天然气发动机在内河/近海船上已得到一定
规模的应用，正在围绕微量柴油引燃、甲烷排放、动态特性
等进一步开展技术研发和优化工作，未来将加速推广应用。

甲醇发动机方面，适合于内河/近海船的小功率中高
速机产品正在研发之中，未来将逐步从试点向实船商用发
展。

氨燃料发动机在解决NOx、N2O等排放问题的基础
上，可通过优化引燃技术进一步改善燃烧和排放性能，有望
逐步在内河/近海船上得到应用。

质子交换膜燃料电池技术成熟、启动性能优秀、动态
性能较好，已开展了一系列实船试点应用，
高温质子交换膜型燃料电池在催化剂中毒敏感性、水热管理系统、使用寿命
等方面较质子交换膜燃料电池具有一定优势，将成为国内
航行船舶应用燃料电池的主要技术路线之一。

高温燃料电池可使用LNG、甲醇、氨等富氢燃料，也是
国内航行船舶应用燃料电池的可行技术方向。

锂电池在船上的应用将是混合动力系统和纯电池动
力系统并行发展的局面。

混合动力方面，基于内燃机的混合
动力系统将向基于燃料电池的混合动力系统发展；纯电池
动力方面，将从以磷酸铁锂电池为主向磷酸铁锂电池、三元锂电池及其他新型电池并存的格局发展。

四、行业协作促船舶能源低碳转型船舶能源低碳发展是牵一发而动全身的一项系统性、全面性的工程，仅靠航运业自身的能力远不足以完成，需要“井口—燃料舱—推进器”能源价值链上各相关方达成共识、形成合力，解决供应规模、稳定性、成本等关键问题，协同推进船舶能源低碳转型。

在“井口—燃料舱”阶段，需要能源企业、港口等相关方携手解决清洁能源的可供性、经济性、加注便利性等问题。

全球航运业每年需要消耗2.5亿-3亿吨价格低廉的燃料油，充足的供应和可负担的成本是对船舶能源市场的关键诉求。

燃料加注也是“井口—油舱”阶段的关键环节，由于船舶营运航线会随着物流的需求而变化，未来船舶清洁能源需要在全球范围内的主要港口都能实现便利加注。

因此，港口需要联合能源企业、船东等相关方推进加注基础设施规划和建设，为船舶应用清洁能源提供加注服务保障。

在“燃料舱—推进器”阶段，需要船东、船厂、设计院、设备厂家、海事主管机关、船检机构等相关方协同推进船舶清洁能源的安全、高效应用。

各种低碳/零碳燃料的理化特性与传统燃油差别显著，通常具有低闪点、需深冷储存、易燃爆等特点，给船舶设计、建造、检验、营运、监管等方面带来新的风险和挑战。

船东、船厂、设计院等相关方需要联合开展试点示范项目，对新燃料及新技术的可行性、安全性、经济性等进行实船验证；设备厂家需要面向清洁能源的应用需求，开发与之相适应的船舶动力装置和系统，提高船舶应用清洁能源的效率和排放水平；海事主管机关、船舶检验机构等需要积极推进相关技术法规、规范及监管规定的出台，为各种清洁能源在船上应用提供安全保障；能源成本过高将制约行业发展，从国家和行业层面，需要在低碳发展要求和能源成本投入之间做好政策平衡。

（作者单位：中国船级社） 源低碳发展的路径也存在差异。

国内航行船舶的减碳路径应基于中国，着重考虑政策导向和能源安全战略。