氫能方案在內(nèi)河船舶的綠色替代中存在優(yōu)勢。
2023年7月,國際海事組織船舶溫室氣體減排戰(zhàn)略修訂、歐盟 Maritime FuelEU 法規(guī)等陸續(xù)落地,航運領(lǐng)域減碳政策逐漸收緊。同時,國內(nèi)外航運業(yè)開始陸續(xù)布局綠色燃料等零碳動力替代,在國際海航、近沿海及內(nèi)河等領(lǐng)域形成了LNG、甲醇、鋰電等多種減碳方案。
氫能的船舶應(yīng)用雖然起步較晚,但其在內(nèi)河船舶領(lǐng)域仍存較大機遇。尤其內(nèi)河船舶減碳應(yīng)用場景尚未完全打開,氫能存在先發(fā)優(yōu)勢,且氫能領(lǐng)域現(xiàn)有的技術(shù)積累已經(jīng)可以滿足內(nèi)河船舶建造、運營的部分需求,其多元化的應(yīng)用途徑也可以解決部分推廣難題。
01 政策驅(qū)動,船舶零碳動力替代起步
航運是國際貨物主要輸運方式,碳排放總量居高不下。以海運為例,據(jù)國際船舶海工統(tǒng)計機構(gòu)克拉克森統(tǒng)計,2020年海運貿(mào)易占全球貿(mào)易量的89%,達115億噸。2008年全球國際航運業(yè)(不含國內(nèi)航行、漁船等)CO2當(dāng)量排放量約7.94億噸,到2018年達到10.56億噸,2020年仍超過8億噸,占全球人為碳排放總量的3%左右。
減碳政策逐漸落地,船舶行業(yè)面臨較大減排壓力。2022年,歐盟確定將航運納入碳交易體系,從2024年起對5000總噸及以上的船舶征收40%碳排放稅,并到2027年提高到100%;2023年,國際海事組織正式開始開展船舶碳排放強度評級,且根據(jù)7月7日最新減碳戰(zhàn)略修訂,到2040年比2008年至少降低70%。為達到國際海事組織2040年目標,技術(shù)上目前只有零碳動力方案可選。
綠色燃料替代先行,甲醇海航船舶已開啟應(yīng)用。綠色替代燃料因減排量大、動力系統(tǒng)改動小,在遠洋航行等排放量大的地方將率先使用。根據(jù)克拉克森數(shù)據(jù),2022年和2023年1-5月新船訂單總噸重中,替代燃料船舶分別占60%與40%左右,其中LNG替代燃料燃料分別占60%和和55%左右,有所下降;甲醇船舶則由6%大幅提高到了34%,還有船東選擇“甲醇/氨燃料預(yù)留”等方案以便將來進行改造??梢娫?022年以來逐漸嚴格的減碳政策下,國際船東已經(jīng)開始探索布局零碳動力規(guī)模化替代。
02 不同需求,多場景下替代路徑不同
船舶按航行區(qū)域可分為遠洋、近沿海、內(nèi)河等場景,不同場景因續(xù)航、發(fā)動機動力等的需求因此當(dāng)前采用的替代燃料方案不同。
遠洋航運領(lǐng)域續(xù)航遠、載重噸大,替代方案以LNG、甲醇為主。遠洋航運續(xù)航要求一般在1萬千米以上,載重噸大于5萬,發(fā)動機總功率需求超過10 MW,甚至可達50 MW。相應(yīng)地,LNG與甲醇體積能量密度較高、儲量大,可滿足長續(xù)航需求,發(fā)動機功率也已經(jīng)突破到10 MW以上,因此是遠洋航運主要的替代燃料。其中,由于國際減碳政策最先聚焦國際遠洋航運等因素,因此具有零碳排潛力的甲醇最先在遠洋航運領(lǐng)域開始規(guī)?;茝V。如大連船舶重工等設(shè)計的某31萬載重噸甲醇船舶,續(xù)航可達40000 km。
近沿海航運續(xù)航較遠、載重噸較高,替代方案以LNG為主。除部分沿海觀光等用途的小型船舶外,近沿海船舶多為國內(nèi)跨省或國際航線,航程100-1000 km,載重噸平均3萬左右,發(fā)動機總功率需求超過3 MW。同樣由于LNG在體積能量密度、發(fā)動機功率上等方面的替代可行性,因此LNG成為目前近沿海主要的替代燃料方案,如“海洋石油550/551/552/553”系列LNG近海守護供應(yīng)船。
內(nèi)河航運高載重噸替代以LNG為主,短程、低載重噸替代以鋰電為主。內(nèi)河航運航程從20 km到1000 km左右不等,2023年國內(nèi)內(nèi)河載重噸不超過1萬,所需發(fā)動機功率低于5 MW。目前國內(nèi)內(nèi)河LNG動力應(yīng)用局限在2000 載重噸以上的船舶,存在造價較高、發(fā)動機功率無法覆蓋、加注站數(shù)量少等難題;鋰電目前則多用于3000 載重噸以下、200 km左右短續(xù)航的領(lǐng)域,主要因為其能量密度較低,重量及空間占用大,如國內(nèi)最大的純電貨船3000總載重噸“船聯(lián)1號”,電池總重達34噸。
03 仍在發(fā)展,內(nèi)河中小型船舶及長續(xù)航場景存氫能機遇
內(nèi)河減碳應(yīng)用的場景還沒有完全打開,氫能有著先發(fā)優(yōu)勢。尤其在內(nèi)河3000載重噸以上,以及3000載重噸以下的遠航程船舶領(lǐng)域尚需進一步探索減碳方案。3000載重噸以上船舶主要在推廣LNG清潔燃料,但LNG燃料替代重油的減碳潛力僅20%左右;3000載重噸以下主推純電方案,但續(xù)航多在200 km以下,增加續(xù)航需增加電池數(shù)量,某些船舶電池總重甚至需到近百噸。另一方面,目前氫能方面已有3000載重噸級以上的船舶改造項目,如歐洲“FPS Waal”貨船載重噸超過3000,運營里程約240 km。
氫能船舶技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)部分突破,可滿足場景需求。尤其功率方面,目前燃料電池單臺功率最大已突破300 kW,使用數(shù)臺組成動力系統(tǒng)已經(jīng)可以突破MW級別,基本滿足內(nèi)河5000載重噸左右船舶動力需求,如“FPS Waal”燃料電池集裝箱船系統(tǒng)總功率達到1.2 MW,由6個200 kW燃料電池模塊組成。
氫能有著多元化應(yīng)用路徑,可解決推廣初期難點。氫能既有固態(tài)儲氫、液氫等多種儲氫路線,也可以與甲醇、氨等實現(xiàn)耦合轉(zhuǎn)換,一方面可利用高體積能量密度路徑儲氫,解決氣氫占用船上空間過大的問題,如挪威的“MF Hydra”車客渡輪采用液氫技術(shù),體積能量密度是70 MPa氣氫的1.8倍,空間占用可減小近一半;另一方面可利用氫能與氫載體的互相轉(zhuǎn)化解決水上及沿河加氫站建設(shè)難題,如采用甲醇制氫加氫一體化模式,既可降低加氫站建設(shè)成本,同時能夠節(jié)約水上加氫站空間、提高水面波動環(huán)境運營安全性。
04 小結(jié)
2022年至2023年國際航運領(lǐng)域減碳政策陸續(xù)落地,碳稅及碳排管理限制逐漸縮緊,探索低碳替代燃料成為航運領(lǐng)域的重要應(yīng)對方案之一。遠洋航運、近沿海及內(nèi)河航運依照各場景的實際需求,已經(jīng)開展了以LNG、甲醇、鋰電等不同方案為核心的動力替代。
在此背景下,內(nèi)河航運領(lǐng)域或?qū)⒊蔀闅淠軝C遇場景,尤其在高載重噸及長續(xù)航場景氫能具有先發(fā)優(yōu)勢,且氫能已有MW級動力系統(tǒng)方案等技術(shù)突破以及多元化的應(yīng)用方式,能夠適應(yīng)內(nèi)河場景應(yīng)用需求。
原標題:船舶開啟綠色發(fā)展,內(nèi)河船舶將存氫能機遇