航运是运输排放的主要来源，交通领域的脱碳对碳中和至关重要。 根据国际海事组织（IMO）数据显示，2022年全球航运业消耗燃料约3.2亿吨、二氧化碳排放量超过10亿吨，碳排放占全球人为活动排放总量的比重已逼近3％。IMO提出，2050年前后国际航运业实现温室气体净零排放，并引入了现有船舶能效指数（EEXI）和碳排放强度指数（CII），按此标准，预计2026年全球半数以上的现有营运船舶在评级后面临强制退役的风险。欧盟碳市场2024年起将纳入航运业，2026年起要求航运企业为碳排放购买配额。相较于加装节能装置，对石化燃料进行清洁化替代是一种更为彻底的减碳降碳方式。近年来船舶燃料动力已经向着多元化、清洁化、低碳化的方向发展，特别是LNG、绿色甲醇、氨、电池等替代能源技术应用日新月异。这些替代方案分别有哪些优势和劣势？当前发展形势如何？未来发展前景又将如何？
图1 国际海事组织（IMO）脱碳目标
各替代燃料的主要优劣势
当前主流替代燃料包括 LNG、甲醇、氨以及电池动力方案。总体来看，成熟程度：LNG >甲醇/锂电>液氨；减碳程度：氨/锂电>甲醇>LNG；体积密度：LNG>甲醇>氨>锂电。
1. LNG：最佳过渡能源。LNG（液化天然气）指预处理并加压冷却至-162℃以下的天然气。LNG可在短期作为过渡燃料，中长期也可以作为备用燃料。
优势：一是燃料成本较低，且容易获得。LNG作为成熟的能源种类，加注基础设施较为健全。根据Clarksons的数据，截至2023年1月，全球有185个港口提供LNG加注服务，预计到2025年在此基础上会再增加50个港口。在2023年天然气价格正常化之后，LNG加注市场现已恢复健康发展。二是具有一定的减排能力。根据DNV统计，相较传统内燃机，LNG燃料可减少24%左右的碳排放。使用LNG作为燃料的船舶可以避免硫化物、可吸入颗粒物的产生，氮排放可最多降至同航程燃油的30%。
劣势：一是仍属于化石能源。LNG燃烧过程中，仍会有温室气体排放。LNG可能在运输和加注过程中发生散逸，主要成分甲烷本身就是一种温室气体。因此，LNG在中长期未来的深度脱碳过程中，恐难作为最主要的船用燃料。二是制冷成本高企。由于低温液态的LNG需要存放在低温储存罐里，绝缘燃料罐会增加船舶的建造成本，且从LNG蒸发容易产生经济损失。
2. 绿色甲醇：中长期可选方案之一。甲醇热值低于LNG，但清洁排放前景高于LNG。
优势：一是改造成本较低。在发动机技术上，甲醇发动机在现有部分双燃料发动机的基础上只需要进行较小幅度的改动，就可以使用甲醇作为燃料，有效节约投资成本并缩短了研发和应用周期。二是常温呈现液态。相比LNG需要低温液化，甲醇常温呈现液态，储运和使用较为方便。
劣势：一是绿醇生产受限。灰色甲醇（煤制甲醇或天然气制甲醇）的减排效果有限，而绿色甲醇只能由生物质裂解、绿电制氢+二氧化碳捕集两种方式进行生产。中国生物质资源并不丰富，受原料端紧缺、运输限制，商业化项目运作存在诸多问题；而当前储能、储氢、二氧化碳捕捉都面临成本高企的问题。未来绿色甲醇产量不足以支撑船运行业的巨大需求。二是减排效果欠佳。甲醇仍含有碳元素，灰醇燃烧会增加碳排放；蓝醇虽然能够减少碳排放，但达到欧盟碳排放阈值要求并获得认证尚有难度；只有绿醇是碳中性的。
3. 氨：未来真正的零碳燃料。液氨是将气态的氨气通过加压或冷却进入液态得到的清洁燃料。
优势：实现零碳排放。氨的分子式为NH3，既不含碳也不含硫，作为船用燃料，能够真正实现船舶零碳排放。
劣势：一是化学性质欠佳。液氨具有较高的腐蚀性、毒性和爆炸风险，这使得发动机的研制周期较长。液氨的强挥发性、强刺激性，引发安全事故风险，进而影响海洋生态安全。二是能量密度较低。液氨燃料的能量密度低于船用柴油、LNG及甲醇，根据DNV测算，相同航程液氨需要船用柴油3.1倍的燃料储存空间，并且加注频率也可能相应增加。三是氨燃料动力装置尚不成熟，迄今未投入商用。
4. 电动：内河中短距离具有优势。针对短距离场景，例如游艇、渡轮、游览船等小型船只，电池供电已经成为可行的选择，正在向更远航程、更大功率的应用场景拓展。
优势：一是零碳排放。将电动化引入船舶领域，使用绿电驱动的电动船能够实现零碳排放。二是运营成本较低。根据浙商证券的理论计算，在当前技术水平下，当航程小于1000km时，电动船具备成本优势。在未来考虑油船成本上升、电池能量密度提升、成本下降的情况，电动船在内河航道、中短距离的优势将会更加明显。
劣势：一是续航里程有限。与电动汽车类似，电动船舶也面临着“里程焦虑”，且其配套的充换电等基础设施亟待进一步完善。二是建造成本较高。据估算，电动船的建造成本高于柴油动力船。锂电池的寿命一般为10年，而一艘船的寿命通常长达30年，在船舶的生命周期中，电池需要多次更换，进一步增加综合成本。
当前产业链商业化现状
全球航运业转向替代燃料，是碳中和路线上的必经之路，也是发动机生产商、船运公司、下游企业等多方互动的结果。
从船用发动机生产商来看，LNG和甲醇发动机技术已经逐渐成熟，氨发动机正在研发。作为船用低速机领域霸主，大众集团旗下MAN ES的市场占有率高达70%以上。2012年推出首款二冲程ME-LGI甲醇双燃料低速机，截至2022年11月全球订单已达72台套。该公司计划在2024年开发出二冲程低速氨发动机，实现氨燃料动力船的商用化；并在2025年推出现役船舶的氨燃料发动机改造方案。而另一主要玩家，由中船集团控股的WinGD已于2015年推出天然气/双燃料机DF系列，依靠成本及环保优势，目前市场占有率达到70%。预期2024年推出首台甲醇双燃料发动机，2025年推出首台双燃料氨发动机。
从航运公司来看，多种路线并行是主流选择选择。达飞海运曾经是LNG的坚定推动者，如今选择进行分散投资。据财新报道，2023年6月达飞轮船在扬子江船业订造10艘2.4万标准箱LNG双动力集装箱船。至此，该公司已有55艘LNG双动力集装箱船在建、24艘甲醇双动力集装箱船在建以及5艘氨燃料动力预留集装箱船在建。另外，中远海运集团、长荣海运、HMM等其他航运公司也纷纷投入订造LNG和甲醇等替代动力的船舶。而马士基对于甲醇情有独钟，其购买的全球首艘双燃料甲醇动力集装箱船已于2023年8月交付启航。此外，马士基甲醇动力船舶在建订单已达25艘，预计将在未来陆续交付。
供应链下游企业也是替代燃料使用的重要推手。全球甲醇行业协会2023年发布的《船用甲醇燃料指南》中指出，马士基200家最大客户中，包括亚马逊、迪士尼、H&M集团、惠普、李维斯、微软以及诺和诺德等超过一半客户为自身的供应链设定、规划了碳减排或零碳目标。这将倒逼航运行业向降碳方向进一步努力。
图2 目前替代燃料船舶占比 来源：Clarksons、安信证券
低碳趋势下的发展前景
目前各种路径仍面临诸多问题和挑战，船运业尚未就路径选择达成最终共识。通过比较各自的优劣势，综合行业发展情况，我们提出以下分析结论。
短期内，LNG适合作为减少碳排放的过渡能源。作为产业链成熟的低碳能源类型，LNG成本相对可控，加注基础设施较为健全，且具有一定的减排能力，较为适合承担短期内降碳的任务。然而，LNG依旧是化石能源，航运业在中长期的未来仍需更加绿色的燃料。
中长期远洋船舶的场景下，绿色甲醇和氨优势最大，相比之下氨的远期前景更加广阔。甲醇是当前关注度较高的燃料。作为常温液态的燃料，其与传统燃油发动机的兼容性较好，商业化步伐较快。然而，绿色甲醇的两种主要来源中，生物质甲醇的原材料难以满足，电制甲醇的成本太高。在可预见的未来，绿色甲醇的生产量可能面临瓶颈，难以单独支撑船运行业的巨大需求。相较甲醇而言，氨是一种真正的零碳燃料，燃烧不排放二氧化碳。当前液氨的大规模应用，需要解决腐蚀性、毒性、燃烧范围较窄等问题。随着氨燃料发动机研发、氨燃料船型开发等项目的推进，氨燃料动力船有望在2024年以后实现一定的商业化应用。在这些关键技术取得突破之后，未来氨将具有更大的潜力。
中长期内河及中小型沿海船的场景下，电动船是可选方案。当前，电池动力的船型主要应用在车客渡船、客船等功率要求不高、运输距离不长的场景之中。在电池能量密度、循环寿命、安全性等性能进一步提升的情况下，电动船有望拓展至近海中小型运输船和各式作业船。
