谁最有可能成为未来船舶燃料的主角

在我国提出“碳达峰，碳中和”目标以及国际航运、造船业碳减排行动加速推进的大背景下，产业链中的相关各方都面临着绿色转型的紧迫压力和挑战，但与此同时也迎来了技术创新和升级的潜在机遇。随着环保低碳船型和清洁替代燃料的应用逐渐成为行业发展的一大趋势，开发新型船舶动力系统的需求也愈加突出。作为国内唯一一家全面从事船用中高低速发动机研发制造服务的科技公司，中船动力集团充分发挥自己在船舶动力行业的引领作用，在落实“双碳”战略方面率先布局，早在2015年便开始了相关工作，经过近年来的研发，在双燃料发动机研制、低碳燃料前瞻性技术探索等方面取得了丰富成果。

据中船动力集团首席专家吴朝晖介绍，该公司目前涉及的低碳、零碳产品业务领域已涵盖LNG、甲醇和氨燃料供给系统、新型低碳燃料发动机、污染物后处理系统以及基于新燃料的混合动力系统解决方案。针对低碳船舶动力开发的发动机产品主要有40DF系列双燃料低速机和320、390系列双燃料中速机，相应的系统成套产品有机载废气再循环装置、液化天然气/液氢类燃料存储供给装置、甲醇/氨等新燃料供给系统以及氮氧化物减排装置等。“十三五”期间公司还与国内船舶动力行业主要厂商、船级社、著名大学以及研究所等单位携手合作，牵头承担了国家工信部低速机工程(一期)研制重大项目，其中针对LNG双燃料低碳发动机开展了全面研究，相应发动机及关键零部件产品如CX-40DF双燃料低速机、CX-52超低排放柴油机、增压器、控制系统等已经投入商用；自2021年开始持续聚焦IMO新要求和双碳目标落地，公司不断加强对氨和甲醇等新燃料的应用研究，目前氨燃料低速机和甲醇的中、低速机均在研发阶段，新燃料供给系统已经开始商用化应用和推广。按照“十四五”规划，中船动力集团在双碳领域开始了全面布局，主要涵盖低碳、零碳发动机、新能源动力、低碳、零碳燃料供给及节能环保装置等多个领域。在低碳发动机方面，将提供低碳发动机产品主要为缸径覆盖340mm～920mm的LNG双燃料低速机与缸径覆盖320mm～450mm的LNG双燃料中速机。零碳碳中和燃料发动机产品方面将提供主要为缸径覆盖400mm～920mm的氨、甲醇燃料低速机产品、中小缸径氢燃料低速机及大缸径氨、甲醇燃料中速机。在新能源动力方面，主要涉及储能电池和燃料电池应用，新能源混合动力系统集成等。低碳、零碳燃料存储供给方面主要包括大型LNG/H2、氨与甲醇燃料存储供给系统。节能环保装置包括机载减排装置、氮氧化物减排装置、余热利用装置等。

除了介绍中船动力集团在助力行业推进“双碳”目标方面的卓越贡献和突出成绩外，吴朝晖还为我们分享了他对双燃料发动机和氢、氨、甲醇、电力推进等新型船舶燃料和动力发展前景的专业见解，以及中船动力集团在引领技术创新和产品研发方面的成功经验。

记者：在航运与造船业大力推动“双碳”的趋势下，常规柴油机将朝着什么样的方向发展？

吴朝晖：国际IMO减排和国家“双碳”战略并不会一蹴而就，传统柴油发动机也不会在一夜之间消失，现在柴油机的每千瓦制造成本和全生命周期使用成本还是最低的。未来柴油机还有两个方向可以并行发展。第一是直接使用生物质燃料如生物柴油等，这类燃料与现有柴油物性基本一致或接近，但源于低碳、碳中和，其应用将直接延长柴油机动力产业的生命周期。第二是聚焦低碳高效和智能方向，进一步提高柴油机的热效率和智能化水平，同时满足新排放法规；采用智能系统，优化能源管理和诊断系统，进一步降低柴油机动力系统生命周期成本。

记者：随着造船业在大型船舶领域应用双燃料发动机，船舶设计建造领域正式迈入双燃料时代。那么，双燃料发动机会成为主流吗？除LNG+燃料油外，双燃料还有哪些可以搭配，各有哪些优势和不足？

吴朝晖：燃料低碳无碳化的大趋势已经明朗，但由于全球能源格局的变幻不定，新燃料替代的路径及其选择仍存在着极大的不确定性，加上各国政策和各地法规的约束以及海上使用安全的考虑，除部分固定路线应用外，当前大型船舶考虑应用LNG双燃料发动机仍然是主流方向，也是唯一选择。

由于当前柴油和天然气供给基础设施在国内外较为完备，因此，LNG+柴油的双燃料发动机仍为主要方向，但未来随着能源结构的调整，新燃料供给基础设施的不断完善，相信很快会有氨、甲醇、LPG、氢等燃料不同组合的新型双燃料发动机不断出现。但不同燃料组合的双燃料发动机也各有优势与不足，如LNG燃料的甲烷逃逸、氢燃料的加注存储使用安全、氨的刺激性等等，未来取舍也将由市场和能源产业来决定。

记者：如何看待LNG燃料在船舶减排中的地位和作用？LNG是过渡性燃料吗？过渡期大概有多长？过渡期后LNG会怎样？

吴朝晖：传统LNG燃料与柴油相比，可减少约21%的碳排放，目前作为过渡期低碳燃料是可行的，但从长远角度看，基于2060年前碳中和目标以及IMO推进实现本世纪末甚至2050年船舶行业温室气体零排放的愿景，传统LNG燃料减排潜力明显不足，未来必然会被绿甲烷、绿甲醇及零碳等可能燃料取代。

虽然传统LNG燃料并不是实现零碳的最终方案，但是在温室气体减排方面，LNG在当前确实拥有优势，LNG将是近期航运业通往零排放目标的最佳也是唯一可用的过渡能源。我们预测，LNG在未来20年内仍具有一定的应用前景。但在2040年后，随着“绿色”燃料生产供给基础设施不断完善，传统LNG大概率会被逐渐取代。

记者：目前，业界普遍看好氢、氨、甲醇的未来前景，对此您怎么看？谁最有可能成为未来船舶燃料主角？大约在什么时间？发动机需要做哪些调整？

吴朝晖：总体上来说，还是看好液态低碳、无碳或碳中和燃料。目前在船舶领域，业界呼声最高的是氨与甲醇，氢燃料由于是气态且难以存储，有成本高和安全问题，目前还不适用于航运业。甲醇应用技术难度最小，可用法规完善，目前已有了小范围的应用，近期马士基就订购了9艘甲醇燃料集装箱船，动力准备使用MAN公司开发的甲醇发动机；而氨发动机目前还没有成熟的商品机，根据著名低速机公司瑞士WinGD和德国MAN的计划，2024年都要推出首制机。氨与甲醇相比较，两者各有优劣势，氨具备无碳优势且成本略低，甲醇则技术过渡较成熟且法规明确，但现在绿氨和绿甲醇的获得源均存在不确定性，因此目前无法断言未来两者谁更具备优势。但无论是氨还是甲醇，预计从2030年开始，均有可能出现规模性的应用，2050年后，则有可能全面取代传统燃料和低碳燃料。

氨或甲醇发动机相对于传统燃料发动机，主要调整的是燃料供给、燃烧和排放控制及安全系统，这主要是由燃料的物化特性决定的。对于氨发动机如何实现稳定快速燃烧，以及如何降低NOx排放是需要关注的重点问题，甲醇发动机则是需要重点关注燃料替代率、爆震及非常规排放物如甲醛处理等问题；另外，针对氨、甲醇由于刺激性、毒性带来的安全使用问题，也需要重点关注。

记者：除了氢、氨、甲醇之外，您还看好哪些燃料？有哪些优势和不足？前景如何？

吴朝晖：主要看好生物质燃料，生物质燃料在全寿命周期内可以认为近似零碳燃料或碳中和燃料，可再生能源。在发动机中使用生物质燃料，基本不需要对现有发动机进行大的改动。但生物质燃料的获取还存在较大问题，目前投入工业生产的第二代生物柴油与人类生活需求存在竞争，无法大规模生产制备。行业内准备通过陆上规模化种植能源植物以及采用海上养殖藻类植物来降低生物质燃料制备成本，因此现在国际上对第三代生物柴油的研究也提上日程。总的来说，一旦生物质燃料的产业化成本具备竞争力，它的应用前景将与氨、甲醇等同样广阔。

记者：电力推进应用于远洋运输船舶面临哪些瓶颈，有无解决路径？海上风电场能否成为船舶的充电站？

吴朝晖：制约电力推进在远洋船上应用的主要问题是动力系统由于两次机电转换造成的总能量效率降低（约8%以上机电转换损失）和包含电力系统的系统设备总成本偏高。因此电力推进系统主要还是用于部分高端船舶、特种船舶以及要求全功率范围用能灵活的船舶。

规模化的海上风电场完全可以成为未来船舶的充电站，可作为电力推进船舶短途应用的解决方案之一，如果结合电解制氢、合成氨燃料和海上城市化，未来的海上风电场将是海上的能源供给中心、城市生活中心和船舶运输交通中继站。

记者：站在从业者的角度，您如何看待双燃料动力技术未来的发展趋势？

吴朝晖：船舶减排效果最好最直接的方法就是动力系统低碳无碳燃料的直接应用，因此以LNG为主的双燃料动力逐渐会成为市场的主流，并逐渐向甲醇、氨以及生物质燃料等双燃料动力发展。从技术角度看，多燃料高效燃烧、近零排放、能源管理、基于数字孪生的智能系统等是未来技术发展的主流趋势。而对于船用燃料电池等新型动力装置，长寿命、低成本、大功率集成以及燃料适应性等将是技术研发的重点。

记者：中船动力集团在引领技术创新和产品研发方面成绩不俗，能否给业界分享一下这方面的经验？

吴朝晖：中船动力集团旗下有基于1+1+2模式的中船动力研究院、瑞士WinGD低速机公司以及沪东重机和中船镇江的两大国家级技术中心产品开发团队，是一支行业内面向产业的较为完整的正向研发队伍。通过自筹立项以及牵头国家部委重大产品项目研制，与国内科研院所和高校的充分合作和资源共享，完成了340、400、520系列低速机以及320、390系列中速机、175系列高速机等机型的开发和应用，在该领域积累了大量的研发经验。

通过多年来的实践，我们体会到只有持续开展高强度研发创新活动才能推动我国动力产业的转型升级和高质量发展。必须不断加强研发技术队伍的建设，形成一支稳定的核心科技团队；同时更要加强研发平台建设，确保研发设施的先进可靠，研发流程/研发数据的完整规范有效，只有这样才能开发出行业内真正自主可控的产品，才能做到未来的创新引领。

吴朝晖

中国船舶集团动力工程技术领域首席专家，中船动力(集团)有限公司科技委副主任，研究员级高级工程师。长期从事船用动力相关技术研究和产品开发应用工作，曾负责多型国外引进专利品牌MAN、苏尔寿等中速、低速柴油机的技术消化、零部件国产化、产品制造、试验调试以及试航等工作，对船用动力技术及发展有较为深入的了解和实践经验；曾负责新一代自主品牌船用12MV390电控共轨大功率中速柴油机和20H175电控共轨高速柴油机的开发工作；牵头工信部低速机关键技术研究项目，组织完成我国新一代自主品牌6EX340小缸径低速柴油开发，填补了这一领域国内空白。