摘要：为满足国际海事组织温室气体净零排放的愿景目标，温室气体减排政策和规则日趋严格，相关措施正逐渐生效实施，航运业温室气体减排迫在眉睫。综合分析国际海事组织、船级社、航运企业、船厂和船用发动机制造商等船用发动机替代燃料改装相关方的发展现状和趋势，概述船用发动机替代燃料改装的内涵，探讨其主要影响因素，并提出相应的对策建议。船用发动机替代燃料改装市场潜力巨大，虽然面临着一些挑战，但随着技术的发展和市场的逐渐成熟，将成为推动航运业脱碳的重要途径。
关键词：净零排放；船用发动机；替代燃料；改装；温室气体
一、引言
近年来，航运业温室气体减排政策和规则日趋严格，温室气体减排进程明显加快。2023年1月，约束性指标现有船舶能效指数 ( EEXI ) 和碳强度指标 ( CII ) 开始生效。2023年6月，国际海事组织 ( IMO ) 海上安全委员会第107次会议 ( MSC 107 ) 批准了船舶使用替代能源进行温室气体减排制定安全立法框架的新议题。2023年7月，IMO海洋环境保护委员会第80次会议 ( MEPC 80 ) 上提出了2050年前后实现温室气体净零排放的目标。2023年10月，欧盟FuelEU Maritime法案正式生效，旨在降低航运业温室气体排放温度。2024年1月，海运业被纳入欧盟碳排放交易体系 ( EU ETS )。为符合最新减排政策要求，航运业使用零碳/净零碳燃料逐步取代化石燃料已成为发展趋势。劳氏船级社 ( LR ) 预计，到2050年，为实现脱碳，大型商船船用发动机替代燃料改装潜在市场规模为9 000~12 900艘[1]，市场潜力巨大。
二、船用发动机替代燃料改装概述
( 一 ) 改装含义
船用发动机替代燃料改装是指将船旗国及船级社批准的燃料 ( 液体、气体、双燃料 ) 更改为其他燃料，使船用发动机能够使用低碳/零碳燃料，同时降低硫氧化物 ( SOx ) 和氮氧化物 ( NOx ) 的排放量。目前，船用发动机替代燃料改装主要用于液化天然气 ( LNG ) 和液化石油气 ( LPG ) 等能源运输船，燃油替代转换为其运载的燃料，通常可以减少15%～20%的碳排放。然而，为了达到脱碳减排目标，船用发动机燃料需要替代为全生命周期内排放近零的燃料，例如绿氢、绿氨和绿色甲醇等。
( 二 ) 改装范围
船用发动机采用电控技术是替代燃料改装的前提，在改装后，船舶的类型、尺寸及船龄等均需满足经济性要求。挪威船级社 ( DNV ) 与曼恩能源方案公司 ( MAN ES ) 对适合进行改装的双燃料动力船型的核心参数进行了评估，得出结果为符合要求的船舶需要满足以下条件：二冲程发动机缸径为50 cm以上，母型机测试已完成，2015年后海上试航，新造船价格为5 000万美元以上，改装总成本为新船造价的25%以下。满足标准的船舶包括50 000 DWT以上油轮、160 000 DWT以上散货船和7 000 TEU以上集装箱船等[2]。此外，8～15年内海试的船用四冲程大缸径发动机也适合进行替代燃料改装。
( 三 ) 改装流程
船用发动机替代燃料改装的设计、认证和入级规范处于不同的发展阶段，面临技术和合规等多方面的挑战。LR开发了基于风险的认证 ( RBC ) 发动机改装流程，包括风险和安全陈述、风险评估、支持性研究、最终设计评估、建造和在役评估等五个部分。MAN ES可提供主发动机改装、燃气供应系统 ( FGSS ) 安装以及燃油箱安装或将其集成到现有的燃气货物系统中的“交钥匙解决方案”( Turnkey Solutions )，曼恩二冲程柴油机替代燃料改装从设计、制造、安装到移交的整个项目周期大约需要3年，改装具体流程及时间周期详见图1。
图1 曼恩二冲程柴油机双燃料改装时间表
( 四 ) 改装现状
据美国船级社 ( ABS ) 统计，截至2024年3月，有发动机替代燃料改装需求的船舶有3 323艘，具体船型及数量详见图2。全球已完成和待改装的5 000总吨以上船舶总数达到92艘，相当于世界船舶总量的0.15%。其中，经过改装的船舶总数为49艘，总计180万总吨；待改装船舶总数为43艘，总计510万总吨[3]。
图2 替代燃料船舶改装需求
( 资料来源：ABS )
目前全球公认的首艘以甲醇为动力源的商业船舶Stena Germanica3于2015年1月28日在波兰的Remontowa船厂启动了改装工程。经过改装，该船舶安装了瓦锡兰Sultzer 8ZA40S主机。整个改装过程耗时45天，耗资约2 200万欧元 ( 约合2 800万美元 )。2020年10月下旬，BW LPG旗下的LPG运输船BW Gemini成功完成了主发动机的改装工作，从而成为全球首艘采用二冲程LPG双燃料发动机作为动力源的商业船舶。2024年6月，全球首艘1 170 TEU集装箱船ECO UMANDE完成甲醇双燃料推进改装并顺利交付，该项目是中国和DNV第一艘甲醇双燃料改装船舶。
三、船用发动机替代燃料改装影响因素
( 一 ) 减排政策
2023年，IMO在MEPC 80会议上设定了航运业净零排放愿景目标和指示性检查点，并制定短期、中期和长期的措施以促进减排目标的实现：至2030年，零排放或近零排放技术、燃料和/或能源在国际航运业总能耗中的比重应至少达到5%，并努力提升至10%；2050年左右达成温室气体净零排放的目标。2024年，IMO在MEPC 81会议上讨论了包括碳定价工具在内的减排措施，以帮助航运业实现2050年的温室气体净零排放目标。IMO在MEPC 82会议上讨论了减少船舶温室气体排放的中期措施，各成员国正在考虑提出一套具有强制约束力的温室气体减排中期措施，以期在2025年底通过。随着减排措施的生效实施和减排节点的临近，船用发动机低碳/零碳替代燃料改装需求愈加迫切。IMO的MEPC会议及中期措施计划时间表详见图3。
图3 IMO的MEPC会议及中期措施计划时间表
( 二 ) 监管认证
船舶新建和改装项目必须针对特定船舶的布局，专门设计新的机械设备、燃料处理与储存系统、管道以及制定安全措施，并且需要经过严格的评估程序，以确保其满足相应的功能要求。根据MARPOL公约，船用发动机替代燃料改装构成“重大变更”，发动机需要满足船舶原始龙骨铺设日期确定的NOx排放层级。改装后的发动机上的NOx关键元件可能发生变更，需更新NOx技术文件并进行重新认证。IMO针对采用甲醇和氨作为燃料的船舶所提出的要求，已被纳入强制性的《气体或其他低闪点燃料动力船舶国际安全规则》( IGF规则 )。
同时，绿色替代燃料也需要减排认证，但实施过程存在一定困难。目前，国际上对绿色甲醇认证的接受度最为广泛的是由欧盟主导的ISCC认证 ( 国际可持续发展与碳认证 )。ISCC全生命周期认证过程周期长，要求对生物质原料供应、生产工艺全流程和实施主体进行认证，流程烦琐苛刻，还要对绿色甲醇生产、运输、储存和加注等环节分别进行认证，确保降碳指标达到65%。同时，ISCC认证在国内的服务机构相对较少，且认证过程中涉及数据跨境传输，可能引发安全风险。
( 三 ) 发动机技术
替代燃料在发动机中能够安全、高效且可靠地燃烧是船用发动机改装的核心技术要求。在船舶发动机改装过程中，最大的挑战在于对燃料系统的调整与整合，必须综合考虑燃料在船上的储存、供应和喷射等环节的改装工作，并且还需满足相关监管机构和船级社的安全标准。通常来说，二冲程发动机首先以新造发动机形式提供，之后再开发改装套件，而四冲程发动机的改装流程很大程度上与之相反。目前，部分二冲程和四冲程船用发动机改装技术如下：
1.二冲程发动机
MAN ES研发了ME-LGIM型双燃料发动机，该发动机具备使用甲醇或传统燃料的能力，并且其运行原理遵循柴油机的工作机制。曼恩双燃料 ( 甲醇 ) 升级改装部分型号及转换系统详见图4。
( a ) 升级改装型号
( b ) 转换系统
图4 曼恩双燃料 ( 甲醇 ) 升级改装部分型号及转换系统
甲醇燃料动力二冲程发动机于2016年首次在Marinvest和Waterfront Shipping公司所拥有的甲醇运输船上安装，MAN ES已获得马士基和世纪海运集团 ( 代表赫伯罗特公司 ) 最多80台的大型集装箱船改装套件订单。MAN ES于2023年第二季度在哥本哈根启动了首台氨燃料动力单缸试验发动机的研发工作，预计于2026年将首款氨燃料二冲程发动机推向市场。
瓦锡兰研发的二冲程未来燃料转换平台采用了一种新的燃油喷射技术和燃烧概念，用于船舶的改装。瓦锡兰二冲程未来燃料 ( 甲醇 ) 改装平台及安装系统详见图5。改装平台设有两条燃料转换途径。其一，初始阶段可将燃料转化为LNG；其二，随着其他替代燃料的可用性逐渐提升，燃料可被用作混合燃料或完全替代燃料，从而减少实现净零排放所需的系统改装需求。如瓦锡兰二冲程柴油机甲醇燃料改装中，由于二冲程未来燃料转换技术融合了发动机上的燃料压力放大和控制，改装过程仅需配置低压燃料供应系统。使用的三层柔性不锈钢管包含甲醇供应、回流和真空绝缘功能，最大限度地提高了改装的灵活性，使在有限空间的装置中燃料转换成为可能[4]。
( a ) 改装平台
( b ) 安装系统
图5 瓦锡兰二冲程未来燃料 ( 甲醇 ) 改装平台及安装系统
2.四冲程发动机
MAN ES认为以四冲程发动机推进提供动力的船舶才有改装需求，包括邮轮、渡轮和滚装船。曼恩四冲程发动机改装解决方案将研发提供可使用甲醇燃料的51/60发动机 ( 缸径51 cm，行程60 cm )。瓦锡兰公司于2015年交付首套甲醇发动机改装套件，改装了Stena Germanica滚装渡轮上的四台苏尔寿8ZAL40S发动机，并于2022年正式推出瓦锡兰32甲醇发动机、MethanolPac储存和供应系统。MethanolPac储存和供应系统可具体根据船舶的实际需求而定制。
( 四 ) 经济效益
船舶发动机改装的经济成本较高，需要船东支付较高的改装费用，改装后还面临燃料增加成本问题。根据DNV和MAN ES的评估，改装成本，包括燃料存储和燃料供应系统的成本为500万~1 500万美元，具体取决于燃料的类型。根据经验，这一费用不超过新船造船成本的25%才具有经济可行性。因此，一艘船的建造成本通常至少应为5 000万美元，才适合进行双燃料改装。招商证券在《IMO环保新规下的新船、老船、改装船的经济性测算》中指出，船用发动机改装更符合资金、风险和短期合规的要求。首先，船舶发动机改装需要的资金约为购置新船的1/5；其次，新船制造周期较长，期间存在政策法规变化和经济形势发展的不确定性，船舶发动机改装使得风险偏好降低；最后，若船东基于对短期内运价上涨或航运市场景气度提升的预期，船舶发动机改装可在较短的时间范围内获得较高确定性的收益[5]。
( 五 ) 替代燃料
在理想状况下，航运业将直接从使用化石燃料转变为采用基于氢的燃料及零碳燃料方案。在零碳燃料能够实现大规模供应之前，过渡燃料的使用可以减少航运业的碳排放量，并有助于实现“碳中和”目标。2023年7月，IMO的MEPC 80会议批准了《船用燃料生命周期温室气体强度导则》( LCA导则 )。该导则中有关每种燃料全生命周期碳排放参数将用于IMO未来的航运减排措施中。评估一种燃料的实际气候影响时，需要核算其所释放的全部温室气体排放量，即全生命周期 ( Well to Wake，WtW ) 排放量[6]，其为开采到储罐 ( WtT ) 排放量与储罐到使用 ( TtW ) 排放量之和。未来的航运业法规必须包含对燃料生产途径的规定。氢气和氨几乎没有TtW排放，但从全生命周期的角度来看，基于目前的生产途径，氢气和氨排放量最大。甲醇、氨和氢气目前都是通过化石燃料生产的，其全生命周期温室气体排放量比需要替代的传统燃料更高。
( 六 ) 基础设施
2021年11月，在《联合国气候变化框架公约》( UNFCCC ) 缔约方第26次会议 ( COP 26 ) 上，20多个国家签署了《关于绿色航运走廊的克莱德班克宣言》，其中明确：签署国航运产业链相关方开展合作，通过创新技术和采用新型燃料等方式，建立绿色航运走廊特定航线，以实现温室气体减排甚至零排放目标。根据DNV统计，截至2024年2月，全球绿色航运走廊项目总数已增至57个[7]，详见图6。
图6 全球绿色航运走廊项目
( 资料来源：DNV )
绿色航运走廊为价值链上的所有参与者开辟了参与的领域，为替代燃料供应商带来了确定性，并促进了港口方面对零碳排放燃料基础设施的必要投资。对于那些影响范围较广的航线网络，绿色航运走廊同样支持了港口方面对零碳排放燃料基础设施的必要投资。
( 七 ) 船厂能力
据ABS统计，目前，全球约有1 250家造船及修船企业，但仅有18家船厂能够满足超过2/3的船舶种类与尺寸需求。目前修船厂的修船能力预计可满足至2027年的需求，但到2035年，修船厂的产能可能就无法满足改装需求的增加，这可能引起交付周期的延长及改装成本的增加。若新建发动机的需求极为迫切，可能会导致供应改装所需零部件的交货期相应延长。因此，必须扩充修船厂的改装规模，以确保能够提供必要的燃料改装业务。
四、船用发动机替代燃料改装对策建议
( 一 ) 制定替代燃料发展规划
根据UNFCCC和《巴黎协定》等国际公约及IMO温室气体减排要求，结合我国“双碳”目标，政府应统筹制定航运业替代燃料顶层设计和发展规划，明确重点任务和技术路线图，出台财政补贴和金融税收等激励措施，加大基础设施和示范项目建设，牵头成立横向产学研技术研发体系和纵向上下游全产业链共同体，构建航运业温室气体减排和替代燃料发展规划矩阵。各地政府应根据国家发展规划因地制宜制定地区性发展政策和技术路线，形成目标明确、分工合理的全面立体综合政策体系。
( 二 ) 评估船队燃料体系
在船舶碳排放战略中期阶段，船舶可能会采用几种燃料。由于可用性有限且燃料特性不同，某些类型和尺寸的船舶可能有多种解决方案。航运企业可通过建立船队和燃料供应评估模型帮助确定特定船队的脱碳路径，根据船舶类型和航线采用对应的最佳燃料解决方案。航运企业需要综合评估政策导向、船队构成、技术现状、能源使用、燃料类型、成本效益、基础设施、环保要求以及人员能力等多种因素决定船队和燃料供应的选择。
( 三 ) 制订船舶改造计划
航运企业需要综合利用适用于船舶的技术、运营和创新性解决方案以实现温室气体减排。应用风帆、空气润滑、碳捕集、螺旋桨、导流罩、消涡鳍等技术均可以通过节省燃料实现自身的经济性。随着航运温室气体减排技术的进步和实践经验的积累，新的减排技术和管理方法会不断出现，船舶改装的选择也将越发多元化。航运企业可根据船队情况综合评估发动机改装和其他改造技术，合理制订船舶改造计划，提升改造效率，优化减排路径，提高综合效益。
( 四 ) 争取政策资金支持
2024年5月，交通运输部等13部门印发《交通运输大规模设备更新行动方案》，明确提出大力支持新能源清洁能源动力运输船舶发展，强化配套措施、加大财政资金支持、健全金融保险支持、加强创新支撑等政策支持。航运业可通过贯彻落实设备更新方案，争取政策资金支持，加快替代燃料发动机的改装进程，实现可持续发展。
( 五 ) 参与绿色航运走廊建设
绿色航运走廊是选择替代燃料路线、推动绿色技术发展和应用的重要途径。绿色航运走廊为航运企业提供了展示及推广零排放解决方案的平台，并为整个行业构建了一个逐步实现脱碳目标的框架。框架不仅涵盖了具体的行动计划，还包含了跨行业合作、替代燃料、货运需求及政策法规等关键要素。通过参与绿色航运走廊建设，港口和航运公司可以共同推动创新、研发和示范项目，进而加速绿色替代能源的使用和发展。
( 六 ) 建立并完善替代燃料安全管理系统
目前，航运企业在替代燃料方面的管理与使用经验是有限的。全球海事论坛 ( MTF ) 指出航运企业应开发新的或加强现有的船队替代燃料安全管理系统 ( SMS )。船队替代燃料SMS应包括详细的燃料类型和特性数据库，帮助船员和管理人员了解不同燃料的安全操作和存储要求；涵盖替代燃料的储存和输送设备的维护和检查程序，详细规定设备的定期检查和维护周期，以及在检查中发现的问题的处理流程；此外，还应包括替代燃料的操作规程和应急预案。操作规程应详细描述如何安全地加注、使用和排放替代燃料，而应急预案则应在发生燃料泄漏或其他紧急情况时提供明确的处理步骤。应定期评估船舶替代燃料安全管理系统，采纳新的技术和方法完善该系统，从而不断提高船舶替代燃料的安全管理水平。
( 七 ) 加强替代燃料人员培训
加强航运企业替代燃料人员培训是航运业绿色转型的关键。国际航运公会 ( ICS ) 等机构认为，迫切需要建立所需的基础设施和开展相关培训，以帮助实现脱碳目标。根据DNV的估计，到2035年左右，有75万～80万名海员将需要额外的培训，即提升技能以处理新燃料。加强替代燃料人员培训需要政府、行业和教培机构的共同努力，以确保海员获得必要的培训和支持，从而保证船舶顺利过渡到使用新的绿色燃料和技术。
参考文献：
[1] Lloyd’sRegister.Engine Retrofit Guide[R/OL].(2024-02-01)[2024-12-08]. https://maritime.lr.org/engine-retrofit-guide-cn.
[2] Potential for daul-fuel conversions of marine engines[R].MAN Energy Solutions,2023.
[3] Carbon Neutral Fuel Pathways and Transformational Tech-nologies[R].ABS,2024.
[4] Wartsila 2-Stroke Future Fuels Conversion Platform[R].Wartsila Corporation,2022.
[5] IMO环保新规下的新船、老船、改装船的经济性测算[EB/OL].(2023-08-23)[2024-10-12]. https://mp.weixin.qq.com/s/tsADY4b-s7OEqs-qwYUlbHg.
[6] Bureau Veritas.Alternative fuels outlook for shipping[R/OL].(2022-10-01)[2024-10-12]. https://marine-offshore.bureauveritas.com/ newsroom/ alternative-fuels-outlook-shipping.
[7] Key considerations for establishing a green shipping corridor [EB/OL].(2024-03-25)[2024-10-12].https://www.dnv.com/expert-story/ maritime-impact/key-considerations-for-establishing-a-green-shipping-corridor/?utm_campaign=MA_24Q1_ART_Ind_515%20Green_Corridor_slideshow&utm_medium=source=Eloqua.
作者简介：
贾广付，青岛远洋船员职业学院，工程师。
本文刊发于《世界海运》2025年第1期，转发须注明作者和原文出处。
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