研判|船舶场景中氢基燃料的替代潜力

不同船舶场景的应用潜力与阶段不同。

按船舶的工作水域，船舶大致可分为内河、近沿海、远洋3大类。根据我国交通运输部披露数据，到2022年底全国拥有水上运输船舶12.19万艘，其中内河运输船舶10.95万艘、近沿海运输船舶1.1万艘、远洋运输船舶1387艘。

目前这些船舶中90%以上的船舶使用柴油或重油燃料，柴油、重油年消耗量在3000万吨以上，值得注意的是，其中远洋航运的燃料消耗量最大，内河虽数量多、但消耗量居其次，近沿海消耗量最少。

按工作场景，不同水域下的船舶又可大致分为游艇、客船、渔船、货运船、工作船等5类场景。不同场景工作条件相差较大，载重、航速、航程、航行区域、靠岸间隔等条件均有差异。相应地，对船舶主机功率、出力曲线、燃料储量及体积等要求各有不同，但发动机功率是其重要指标之一。

以近沿海船舶的各类船舶发动机主机功率为例，5万载重吨货运船舶主机功率要求可达10MW，港口拖轮作业船主机功率约2MW~5MW，海上风电运维船、30米渔船主机功率则约400kW~700kW。

氢燃料电池动力系统已发展至1~2MW中低功率级别，但需面对更复杂场景。氢能船舶发动机替代中，燃料电池为主流路线之一（本文对氢燃机先不做讨论）。国际上进展更快，如巴拉德等推出的船用单堆200kW模块化燃料电池系统，通过并联系统可达1MW以上。国内也不断突破，如氢舟一号的多个单堆并联后的船用燃料电池系统现阶段已达500kW（国内最高）。此外，船用设计需要应对突发风浪、颠簸等复杂工况，相对车用设计要求的要求更高，或会采用超级电容器等辅助设计，提升燃料电池及储电、电驱系统的瞬间出力，同时提供更高的峰值功率、扭矩等以应急保障安全。

氢能船舶在内河与近沿海的货运、游艇、作业船、渔船等场景均初步具备可行性。

一是游艇等低功率场景。如内河或近沿海中小型游艇，200kW左右燃料电池可基本满足需求。且游艇航线区域离岸较近，有特定区域限制，同时出航天气管控严格，航行条件相对简单，氢消耗量易把控，储量易保障。

二是渔船、作业船等部分区域。渔船如内河与近沿海渔船，功率需求从数10kw到700kW不等；作业船如海上风电双体维护船，功率需求在500kW至1MW左右，另有部分港作拖轮、内河拖轮，功率较低的在2MW左右。作业船一般航行区域相对固定，且航程较短。

三是客船、货运船等较高功率场景。客船功率需求从数十千瓦到1MW不等，货运船尤其是5000载重吨以下货运船，对应1～3MW燃料电池动力系统。在内河或近沿海，客船、货运船航程一般在1000km以下，对储氢容量的要求相较远洋航行更低。

绿色转型背景下，当前推广应首先考虑氢气的加注便利性。因氢能船舶使用场景预为相对短途、起点终点均相对固定，除考虑经济性本身外，加注站的便捷性可快速推动其发展。如大中型船舶如货运船、客船等一般加注燃料的方式有岸基固定站、水上加注站2种形式，国内已建有三峡坝区的水电解制氢加氢站示范项目为岸基固定式加注站，目前国内玩没有水上加注的示范案例；对于小型船舶如渔船、游艇等，其加油时部分以桶装人工加注形式进行。对于氢能燃料，则或有多样性的技术模式满足这类分布式需求，如小型甲醇制氢装置、氨制氢装置、可拆卸式模块化固态储氢装置等。

结合交通运输部船舶数据，以及功率、燃料效率等数据综合估算，综合考虑技术进步及政策推动，能景研究预测到2030年氢能动力船舶的氢气需求或可达到5万吨/年。

甲醇燃料动力系统功率大、可混烧，具备较大技术应用潜力。甲醇内燃机方面，海外甲醇内燃机单机研发应用已进入10MW级阶段，国内则在百kW级更成熟。国际上以德国MAN能源为龙头之一，德国MAN的船用甲醇内燃机单台输出功率已达10MW以上，多台并车可达30MW以上；国内研发则重在百千瓦级内燃机方面，300kW级已实现了产业化，1~2MW级大功率样机则处于研制阶段。甲醇燃料也可以采用“柴油/甲醇”等掺用的形式利用。部分传统船用燃油发动机可直接掺用甲醇，掺用甲醇后烟尘等污染物排放下降，但动力输出性能也有下降。据文献资料，柴油掺用30%甲醇后烟尘排放量下降15%左右，扭矩下降10%左右。

甲醇燃料船舶在各水域的渔船、货运等领域初步具备技术可行性。

一是渔船、游艇、客船，尤其大中船型。近沿海、远洋大中型渔船或游艇的功率一般200kW以上，以1至多台百千瓦级甲醇内燃机可满足需求。

二是货运船，尤其5000载重吨以上船型。5000至10000载重吨船型，尤其内河场景，动力需求在1~5MW；到5万载重吨以上，尤其近沿海或远洋场景，动力需求达到10MW左右，或需要采用大功率型内燃机。

绿色转型的背景下，愿意为“绿色付费”的场景则更易推广。目前，甲醇替代传统燃料、实现推广的最大动因主要来自海外货主的零碳运输及品牌打造意愿、国际海事组织和各地政府的强制性减碳政策。尽管甲醇技术较其他领域更易实践、燃料供应体系也相对更易推广，但也面临着绿色甲醇成本更高等问题。

以我国数量庞大的渔船为例，多以家庭作业、小团队等相对不集中的模式运营，管理难度大，相对绿色属性更看重成本。相较于此，远洋货运船因其跨越国家和地域，需满足国际领先的绿色标准和要求，同时也是目前船舶中减碳需求量最大的场景之一，将会成为最快实现推广的领域，同时当前找到愿意为“绿色付费”的客户则是实现推广的关键要素。

参考交通运输部、农业农村部等公布的船舶数据，以及功率、燃料能量密度等数据初步估算，结合行业发展趋势，能景研究预测，2030年国内船舶的甲醇燃料需求或可达到300万吨/年，其中远洋货运船据主，或可达200万吨/年。

氨燃料动力系统正处于研发转化初期。氨内燃机可以分百千瓦级氨内燃机、MW级内燃机2大类。前者单机功率在100kW~300kW左右，整体正处于样机研究阶段，国内已有样机的推出，如广汽集团2023年推出了国际首款车用氨内燃机，单机120kW。MW级氨内燃机方面，海外布局较早，已进入出货阶段，如芬兰瓦锡兰的船用单机氨内燃机功率已达3.4MW，多机并车可达10MW以上，已有部分订单在手；国内也逐步开启示范，如2023年中远海运重工研制的中速大功率氨燃料发动机点火成功，单机功率在1.2MW以上。

近期或在部分货运船、拖船应用上具备可行性。一是5000载重吨以上的货运船，该范围功率需求多在1MW以上，对应于单台或多台兆瓦级氨内燃机；二是10万载重吨级别的远洋船舶（对应10MW左右主机）上，氨燃料也可用于传统燃料掺燃或者用作发电辅机的燃料。

中远期待百千瓦级氨内燃机量产后，氨燃料应用将逐步拓展至客船等其他功率较小的领域，如内河与近沿海场景的渔船、客船等。

技术突破和安全管理的标准化、规范化才能共同助推氨燃料船舶的应用。相对于氢和醇，氨作为燃料应用起步较晚。一方面，氨与传统燃油、甲醇、氢在物理特性上差异较大，在船舶或汽车上的技术经验并不完全互通。另一方面，除动力系统技术外，氨燃料的加注、船上储存的技术设备、管理标准等，总体处于研究推进阶段，缺乏实际项目验证，管理归口、管理标准不明确，规模化推广仍有更多探索。

以货运船为主，综合考虑功率、吨位等数据进行初步估算，能景研究预测，到2030年国内船舶的氨燃料需求或可达到80万吨/年。

本文节选自能景研究的报告《船舶绿色发展下的氢基燃料机遇研究》，若感兴趣欢迎联系我们。