船舶能源低碳发展趋势及路径

限硫令下五问燃油聚焦

氨栏目责编：李英 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。

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

可能更易在船上应用。但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。船舶能源低碳发展

趋势及路径

LNG氢

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Maritime China | 中国远洋海运

在全球应对气候变化的背景下，航运业的温室气体排

放问题面临的国际和国内压力与日俱增。国际海事

组织（IMO）于2018年通过航运温室气体减排初步战略，提

出到2050年全球航运业温室气体排放总量较2008年水平

至少降低50%的远期目标。目前我国航运业正在以2030年

碳达峰目标和2060年碳中和愿景为引领积极探索低碳发

展路径。

应用清洁能源是实现中长期减碳目标的主要措施。虽

然业界已围绕液化天然气（LNG）、甲醇、氢、氨等清洁能源

开展了一系列应用研究和工程实践，但目前尚未就能源低

碳发展路径达成共识，这种状况影响了航运业减碳进程。为

此，需要针对不同应用场景，重点从清洁能源及动力装置层

面探索可行的发展路径，同时还应考虑碳捕捉、利用与封存

（CCUS）技术和碳排放市场机制的影响。

从船用清洁能源说起

航运能源低碳转型是一项长期性、复杂性的系统工程，

对清洁能源应用前景的研判，需要综合考虑多方面因素。

第一，航运业属于能源产业链下游的使用终端，依赖

于上游能源产业的供应能力；

第二，航运能源低碳转型尚应考虑经济可接受性；

第三，清洁能源在船上的应用与加注、储供、动力等环

节的技术成熟度相关联；

第四，根据含碳量的不同，清洁能源的温室气体减排

潜力存在差异，环境适应性不尽相同；

第五，船舶清洁能源的发展应有较为完备的技术法规

支撑，做到严控风险、确保安全。

基于此，对LNG、液化石油气（LPG）、甲醇、二甲醚、生

物燃料、氢、氨等清洁能源的船用适应性进行分析，并综合

考虑能源可供性、经济可接受性、技术成熟度、环境适应性、

法规完备性等多方面因素后发现，于航运

而言，具有发展前景和应用需求的清洁能

源主要包括低碳能源LNG和甲醇、零碳能

源氢和氨。

1．LNG

从LNG作为船用燃料角度而言，随着全球LNG动力船队规模的扩大，西欧、北美、东亚等地区正

在加快建设配套LNG加注设施，船用LNG燃料的加注便利

性将逐步提高。LNG动力船的建造成本比传统燃油动力船

舶大约增加20%-30%（国内船舶）、10%-20%（国际船舶），

需进一步开展技术研发以降低成本，如耐低温高锰钢材料

在LNG燃料舱中的应用等。

根据气体燃料发动机类型的不同，温室气体减排潜力

为10%-23%。船舶应用天然气燃料相关的国际规则、国家/

地区性法规、船级社规范、行业标准等已基本建立。

总体而言，LNG综合优势明显，是航运业实现温室气

体减排中期目标最现实可行的选择。长远来看，采用化石

LNG尚不能满足航运业远期减排目标，制取途径需要转向

生物质和可再生电力。

2．甲醇

全球范围内已有许多港口及码头建立了甲醇存储、分

销基础设施，从生产、分销乃至未来的加注来说，甲醇作船

用燃料具备良好的可供性。

船用甲醇燃料供应系统、船用甲醇发动机方面目前仅

有少量应用经验且市场上可用的产品选择不多，但国际上

已有10余艘甲醇燃料动力船（包括甲醇运输船、车客渡船、

引航船等）在投入运营，正在逐步积累甲醇燃料发动机及供

应系统的实船应用经验。

甲醇燃料可实现温室气体减排约6%-10%，采用后处

理或甲醇加水乳化技术后，NOX排放可满足IMO Tier III

要求。国际上已制定《甲醇/乙醇燃料船舶安全暂行指南》，

国内即将出台相关法规，安全性可以保障。但就实际而言，

仍需考虑甲醇价格、燃料舱舱容等因素对经济性的影响，同

时还需加强甲醇加注设施建设。

此外，未来要实现零碳或碳中和目标，甲醇的制取途

径要从化石能源转向可再生能源。

3．氢

氢能是一种绿色、清洁、高效、来源广泛的二次能源。

氢的生产成本主要取决于制取方法，根据美国能源信息署

（EIA）2019年统计数据，中国电网电解水制氢成本最高（约

5.5美元/公斤），煤制氢成本最低（约1美元/公斤）。

氢的高效储存对于船舶应用氢能至关重要,高压气态

甲 醇二甲醚

LPG生物

燃料

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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NOX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N2O排放问题， N2O温室效应约为CO2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LNGLPG甲醇二甲醚生物燃料氢氨能源可供性5452234经济可接受性4333223技术成熟度5332432环境适应性4433454法规完备性5241331综合评价4.63.23.62.233.22.8 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 MW500 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