航运减碳新规将至，能源界和船运业如何应对

船舶运输行业是全球贸易的基石载体，是经济活动的重要支柱，有超过80%的国际贸易运输量由船舶航运完成：从集装箱船，到大型油轮和液化天然气运输船，再到煤炭、铁矿石和谷物的散装货船，然而，与其广泛的覆盖面相对应，航运业同时也是温室气体排放的庞大来源。这些船舶依赖于化石燃料，尤其是重油和柴油，这些燃料会产生大量的二氧化碳和其它温室气体。

赵作智

西门子能源大中华区首席技术官

航运业脱碳迫在眉睫

目前，全球商用船只数量已达到10.5万艘，其中有超过半数（约5.6万艘）的载重超过1000总吨（数据来源：联合国，截至2023年1月）。根据国际海事组织（IMO）统计，全球航运每年消耗的化石燃料相当于2亿吨石油当量，燃料消耗占全球石油需求的5%；每年大约排放约10亿吨二氧化碳、甲烷等温室气体，占运输业排放量的13%。如果不采取有效措施，预计到2050年，全球船舶碳排放量将显著增加，占全球人为碳排放的比重可能从2020年的约3%增至18%。

过去数十年中，通过提高新建船舶建造标准、降低燃料污染物含量以及监控航行能效等方式，航运业的减排工作取得了一定的进展，但这对于减缓行业的温室气体排放量还远远不够。2022年，欧洲议会投票通过了关于船舶温室气体排放下降的决议，即到2025年、2035年和2050年分别减少2%、20%和80%（以2020年为基准）。另根据国际海事组织（IMO）2023年修订后的《减少船舶温室气体排放战略》，到2030年，全球海运业温室气体排放量将较2008年至少减少20%，并力争实现30%减排目标；到2040年，将至少减少70%，力争实现80%减排目标。

欧盟的碳市场已经率先将船舶碳排放纳入其中。从2024年1月1日起，所有总吨位超过5,000吨的船舶只要进出欧洲经济区（EEA）范围的港口，其二氧化碳（CO2）排放将纳入欧盟排放交易系统（ETS）的报告边界。适用范围包括所有船只——无论其悬挂的是哪国国旗（EEA成员国或非成员国）。欧盟ETS扩容之后纳入的航运排放范围包括：

· 进出EEA港口的航程，纳入100%的排放量；

· 在EEA港口以外开始或结束的航程，纳入50%的排放量；

· 船舶停留在EEA港口时，100%的排放量将被计算在内。

此外，即将于2025年施行的欧盟海运燃料条例（FuelEU Maritime）对欧盟区域内国际海运燃料中可再生和低碳燃料的比例提出更高要求。计算的基准为2020年船队的平均全流程温室气体强度：91.16 gCO2e/MJ。该强度将在2025年的基础上目标减少2%，到2030年减少6%，并从2035年起加速，到2050年实现80%的减少目标。

全球航运行业的碳减排不仅关乎全球气候目标的实现，在不断增强的监管压力和市场需求下，温室气体排放将成为航运企业的代价和加重的成本，更多的具有约束力的法规正在制定或即将实施，这涉及到行业自身的可持续发展，必须采取积极措施来应对减排挑战。2015年底气候大会通过的巴黎协定，并没有把航运的范围包含在内。国际海事组织IMO (International Maritime Organization）下属的国际海事组织海洋环境保护委员会MEPC（Maritime Environment Protection Committee），在具体组织IMO成员国和地区，积极推动全球合作，达到2050零碳航运的目标。2023年MEPC第80次会议上，IMO提出了减少船舶温室气体（GHG）的减排目标。因为有潜在的成为国际法的约束效应，这些目标积极推动了航运公司，比如马士基（Maersk），纷纷开始积极寻求基于绿色燃料的解决方案。

今年9月底10月初，在第82届MEPC会议上，成员国们起草的法律文本草案整合了成员国和国际组织对《国际防止船舶污染公约》可能作出的修订的意见和建议。如果获得通过，这些修正案将把拟议的新措施纳入国际法。MEPC将于2025年4月7日至11日举行下一届会议（MEPC 83），预计各成员国将在2025年10月正式通过修正案之前批准修正案。从现在到下一次MEPC会议期间，将有一段谈判期，以解决分歧领域，并进一步完善草案文本，然后在2025年4月的MEPC 83会议上批准并于2025年秋季通过。

航运业减碳的两个聚焦点

为实现航运温室气体减排目标，目前业界主要从清洁能源、动力装置、能效技术、船载碳捕集等方面探索和应用可行的技术措施。根据IMO和欧盟等机构的约束性目标，未来几年内全球数千艘总吨位超过5000吨的集装箱船、游艇和渡轮将需要更换重油和柴油发电机驱动解决方案。而在大规模替代之前，提升能效、节约燃料等措施，以及混合燃料船型的推广应用，都将是减碳行动落地的关键。

//存量船舶：挖掘潜力提升能效

由于全球现有的船舶数量庞大，短期内无法迅速全部淘汰，因此针对现有船舶的能效提升是当前减排的关键路径。目前全球在运营的船舶总吨位中，有92.6%仍是传统燃料，如船用柴油、汽油和重燃油等。预计到2030年，通过提高能效措施可以节省16%的传统燃料。通过技术革新和运营优化，航运公司可以有效减少现有船舶的燃料消耗和碳排放。例如：

· 主动力和辅助设备节能：通过安装节能装置、废热气回收循环利用和使用高效发动机，减少主动力系统的能耗。能量损失最多的部分也是提升能效潜力最大的来源，例如通过回收发动机产生的废热。余热回收（WHR）系统能够捕捉发动机产生的热量并将其转化为电力，用于为船舶系统供电。

在西门子能源联合招商局重工打造的NG14000XL自升式海上风电安装船上，搭载了西门子能源BlueDrive PlusC直流电力推进系统，相较常规交流电力推进系统可以提升燃油效率18%、降低碳排放20%。

· 传动装置系统优化：船体与水之间摩擦产生的阻力是一个显著的能量损失来源。改进船舶的传动系统，如使用变频调速技术或更高效的螺旋桨设计，以减少能耗。优化船体形状的努力通常集中在船的前部和尾部，以改善水流在舵和螺旋桨上的流动。

· 航程智能优化：数字化与智能化已经在速度和航线优化等方面提高了船运系统效率。随着网络的集成度不断提高，考虑气象环境、安全转角、时间约束和避障等因素，通过提升运输效率的方式降低总油耗。有研究表明，准时抵达港口可以节省高达14%的排放量。

//新建船舶：加速燃料替代

燃料替代是航运业实现长期减碳目标的关键策略之一，具有更大的减排潜力。为了达到IMO设定的2040年减排目标，至少占全球三分之一吨位的船舶需要使用可替代燃料。与汽车行业的讨论主要集中在电动和氢能两种选择不同，在海运行业中，尚无明确迹象表明哪种燃料将成为“最终选择”，因为每种解决方案都有一连串的优缺点清单。

即便如此，向轻质燃料过渡技术转型已在进行当中，广泛采用的替代燃料是液化天然气（LNG）、电池/混合动力、LPG、绿色甲醇和绿氨，以及利用这些清洁方案的双燃料驱动船型。根据DNV船级社的统计，全球新的船舶吨位订单（ordered tonnage）当中，有一半是可使用LNG、LPG或甲醇的双燃料发动机，其中LNG和甲醇各占比35.8%和9.7%（数据来源：DNV-Maritime Forecast to 2050）。

在近期和中期，预计LNG将成为替代市场的主流，电动船舶在较小的特定船型和场景中具备广泛前景，甲醇燃料以及绿氨燃料动力船舶则在未来有望占据主导地位。根据国际气体燃料船协会（SGMF）的统计数据，截至2023年11月，全球已有426艘LNG动力船投入营运，536艘在建。从全生命周期角度看，相比于传统船用燃油，燃烧化石天然气可减排25%，生物质天然气可减排约66%；硫氧化物和氮氧化物的排放也大大降低。

LNG作为2030年前的过渡燃料正在广泛应用，但其长期减碳效果有限；且甲烷本身也是主要的温室气体之一，需有效解决运输和燃放过程中的泄漏问题。在长期减排目标的指引下，天然气燃料需要从化石能源开采向生物质合成等绿色制备路径转型。

绿氢和船用绿色甲醇的发展密不可分。绿色氢气是一种多用途的能源载体，可以应用于多个行业的脱碳。可以直接使用，也可以通过其衍生物，如电制甲醇（e-methanol）、电制氨或电制合成燃料（e-fuel），来替代煤炭和天然气等化石燃料。

通过电解水制氢，再将氢气与二氧化碳合成电制甲醇，可用于替代传统的重油和柴油。相比传统燃料，绿色甲醇的碳排放显著减少，并具有良好的储氢性能。甲醇的体积能量密度是700巴压缩氢气的四倍，是液态氢的两倍。因此，无需应对低温和高压引起的能量损失或安全隐患，在空间、时间、成本和能量的维度都能实现节省。此外，甲醇在常温下的物理特性与柴油非常相似，易于处理，运营商可以使用现有的燃料基础设施。截至2024年初，全球已建/在建甲醇动力船舶数量已达269艘，涵盖散货船、集装箱船和化学品船等多种船型。

当前，基于可再生碳源、生物质、可再生电力等的绿色甲醇产能相对匮乏，生产商主要通过煤和天然气等制备“灰色甲醇”。若全球范围内规划的80多个项目全部投产，2027年全球绿色甲醇产能可达800万吨/年。在全生命周期温室气体排放框架下，绿色甲醇可减排63%-99%，能够实现船舶中长期减排目标，将成为航运业未来深度减排的重要替代燃料之一。

在丹麦南部，另外还有一座已建成的一座50兆瓦级电解水制氢工厂，其利用附近建设的300兆瓦太阳能园区将为该项目提供低成本的可再生电力，其生产的氢气将用于全球大型商业电制甲醇（e-Methanol）生产工厂。西门子能源负责电解水制氢系统的设计、供货和调试，该系统包括三套大功率质子交换膜（PEM）电解水制氢设备。电制甲醇的最终用户将是航运公司马士基和燃料零售商Circle K等，将保障马士基第一艘电制甲醇动力集装箱运输船的燃料供应，为航运业的大规模碳中和奠定基础。

尽管在碳中和的发展趋势之下，绿色电力将占终端用电需求的绝大多数，但是还有一部分的能源需求无法完全直接使用电能替代，譬如对能源密度的要求更高，或是对于化学能和热能需求。

全球每年约有7000万-9000万吨氢气用量，这些绝大部分都是基于煤炭、天然气等化石能源生产的灰氢，应用于工业和社会各个领域。未来在能源替代的大背景中，氢气的用量不仅会进一步增加，还需要绿色的制备供应来源。电网中富余的可再生电力用于制氢，再通过液氢、绿氨和绿色甲醇等方式存储起来。

绿氨和生物燃料也是业界关注度较高的两个替代能源路线。绿氨是一种无碳燃料，通过可再生能源生产氢气，再与氮气合成氨。然而，目前合成氨几乎全部由化石能源生产，主要原料包括天然气、煤（或焦炭）和重质油等。根据国际能源署（IEA）的数据，2022年全球氨产量约为1.83亿吨/年，其中可再生能源生产的绿氨不足2万吨/年。在IMO全生命周期温室气体排放核算规则的约束下，绿氨生产和供应成为行业关注的重点。

生物燃料通过有机物质制成，作为石油基柴油的可再生替代品。以B24船用生物燃料油为例，由24%的生物柴油和76%的低硫燃料油进行物理调和而成，可以减少约20.4%的碳排放。尽管生物燃料具有一定的减排效果，其在燃烧过程中仍有二氧化碳排放，优势在于不需要对现有船用柴油机改装也能使用。