全球航运业如何驶向低碳未来？加大低碳燃料投入将是关键

国际航运业作为世界经济的重要支柱，承载了全球约80%的港口间贸易[1]，但同时也带来了大量温室气体与污染物排放。如果将航运业比作一个国家，那么它将“跻身”全球前十大温室气体排放国之列[2]。

为了遏制全球气温上升，逆转气候变化的负面影响，航运业必须在2050年前实现净零排放。国际海事组织（IMO）最近公布了“在2050年左右（by or round）实现净零排放”的目标[3]。每个国家和地区具体的达成时间需要因地制宜，视“国家情况”而定。

不过，也有一些批评的声音指出，IMO设定的目标模棱两可，“严重偏低”，履行当前承诺的实施路径也模糊不清[4]。如今，航运业使用的低碳燃料几乎都是新生事物，价格昂贵，如果处理不当，甚至有增加排放量的风险。可以说，当下全球航运业仍缺乏一种清洁高效、商业可行、可大规模应用的解决方案。因此，要在2050年前实现航运业净零排放，不仅需要各国做出更有力的承诺，还需要从清洁燃料技术、高效船舶设计和基础设施等方面开启一场革命，同时引入大量资金入场，来推动这一转型。

航运业减排为何如此重要？

目前，大多数商业船舶使用的是重质燃料油（航运重油）。自19世纪以来，这种浓稠的焦油状物质就一直用于航运，由于其能量密度高，因此只需很少的量就可以实现长距离航行。同时，由于重油是精炼柴油和汽油过程中的副产品，价格也相对低廉。

但“物美价廉”的代价是沉重的。首先，航运重油会加剧气候变化，其每年排放量占全球二氧化碳排放总量的3%[5]；产生大量的环境和健康风险；同时，航运业每年排放的二氧化硫占总排放量的9%，氮氧化物占18%，这些有害的大气污染物会影响人的呼吸系统[6]并导致酸雨[7]。重油还会产生黑碳（煤烟）[8]，使北极地区表面变黑，加剧全球变暖，并对人类健康构成威胁[9]，如引发心脏疾病和肺部疾病等。

牙买加金斯顿，一艘离港口货轮冒出滚滚黑烟。货轮主要使用的重质燃料油会加剧气候变化、空气污染和人类健康风险。图源：Lucia Gajdosikova/iStock

有数据显示，到2050年，海运贸易量将增加两倍[10]，如果航运业不能及时果断采取措施，拨正“航向”，其排放量将会继续攀升，高企不下。尽管充满挑战，但这一转型也蕴藏着巨大机遇。根据可持续海洋经济高级别小组委托开展的一项最新研究表明[11]，航运业通过采取减排措施，有望在2050年实现每年减排20亿吨温室气体，相当于每年减少4亿多辆汽车上路。

目前取得了哪些进展？

2011年，IMO制定了船舶最低燃料经济性要求，这也是国际运输领域首个强制性温室气体减排制度[12]。自2008年以来，一些增效措施，如减速航行（降低船舶速度）[13]、球鼻艏（位于船舶前部，以减少阻力、提高燃料经济性）[14]以及螺旋桨和船体升级等，已将航运业的碳排放强度降低了30%以上[15]。如果结合节能型船舶设计（如细长船体）与风帆辅助推进，还可以进一步减少30%的燃料用量。

然而，仅靠这些解决方案，减排力度还远远不够。大多数解决方案都或多或少存在一些缺陷，如增加运输时间增加、改造成本高昂[16]，更适用于船期灵活的小型慢速船舶等[17]。提高能效的措施大部分已开发殆尽，航运业迫切需要通过迅速大规模推广应用低碳和无碳燃料，以填补减排缺口。

低碳燃料有哪些？相较传统燃料效果如何？

据估算，要达到1.5℃温升目标， 5%-17%的航运燃料需要在2030年转型为零排放燃料，到2050年这一比例则需进一步上升至84%-93%[18]。然而目前的航运低碳燃料转型进度与这一目标还相去甚远[19][20]。整体来看，与重油相比，零排放燃料在经济、技术和基础设施方面还存在较大的障碍[21]。那么，目前有哪些选择方案？它们能否助力航运业实现净零排放目标？

液化天然气：权宜之计。

迄今为止，商业上唯一可行的航运替代燃料是已经投入使用约20年的液化天然气（LNG）[22]。相比传统船用燃料，液化天然气的二氧化碳排放量可减少约25%[23]，但其本质仍然是一种化石燃料，同时甲烷泄漏的风险也很高（甲烷是一种高全球变暖潜能值的排放，其造成气候变暖的能力是二氧化碳的28-34倍）[24]。研究表明，即使是船上最常用的液化天然气发动机，也无法产生温室气体减排效益；相反，如果将甲烷泄漏和上游产业排放量也计算在内，其在全生命周期内的温室气体排放量，反而比传统船用燃料的排放高出70%[25]。

此外，最近一项研究发现[26]，随着航运业迅速摒弃化石燃料，昂贵的液化天然气船队可能将很快失去存在价值。因此，若全球航运船队都立刻改用液化天然气，那么到2030年则可能导致高达8500亿美元的经济损失[27]。

气体燃烧装置正在大型液化天然气储罐顶部燃烧。液化天然气是目前唯一商业上可行的替代航运燃料，但因其生命周期内温室气体排放量高，并不是一项长期解决方案。图源：Sky_Blue/iStock

总体而言，天然气被视为推动航运燃料向低碳转型的“过渡方案”，是临时的[28]。为了避免做出在未来20至30年内可能错误的投资决策，目前只有不到1/3的航运公司计划在未来五年内转而使用天然气[29]。

甲醇：物美价不廉。

行业巨头马士基公司已经投资制备了“绿色”甲醇，这是一种由捕获的二氧化碳和绿氢（使用可再生能源电解水生产的氢气）合成的零碳燃料[30]。甲醇可以在常温下以液体形式储存，也可以在现有船舶上使用。目前全球100个最大的港口中有88个提供甲醇储存设施[31]。

然而，绿色甲醇的最大问题在于原料的获取[32]。捕获二氧化碳和可再生电解水制氢的基础设施尚未进入规模化量产，因此，成本也一直居高不下。专家表示，如果不能出台促进绿色甲醇发展的激励措施，其他更具成本效益的燃料将会主导未来市场。

氨和氢：未来最佳燃料，但推广缓慢

氨是一种由氮和氢组成的可再生燃料，由于其几乎不排放二氧化碳，能量密度高，比其他零排放燃料便宜，因此也是最有前途的解决方案之一[33]。不过，使用氨作为航运燃料仍存在着安全隐患（主要是毒性问题）[34]。船上和岸上工作人员必须经过专门培训，携带防护设备，船只设计也必须达到较高安全水平，才能减少泄漏的可能性。绿氢的产能也需要进一步扩大。这些因素都导致氨比传统燃料更加昂贵。

氢燃料也日益被视为航运业减排的重要解决方案[35]。通过可再生能源制取的氢燃料，其燃烧碳排放量为零[36]。氢燃料的能量密度大约是重油的3倍[37]，且无毒、无色、无味。但氢气是易燃、易扩散的气体，要使用氢气作为燃料，船员也必须接受专门培训，船舶还需要安装昂贵的基础设施，通过加压将氢气储存在零下253摄氏度（华氏零下423度）的低温环境中[38]。这些安全问题，以及高昂的改造运营成本，都是氨和氢两种燃料在目前推广应用中面临的共同障碍。

生物燃料和电动船舶：应用范围有限。

通过使用生物燃料和电动化来替代重油也在探索之中。目前，生物燃料与传统燃料混合使用，已在现实中得到应用[39]。

生物燃料是通过将植物油或动物脂肪等生物质转化为燃料制成的，具有可再生、碳排放量低的特点[40]。然而，生物燃料的可持续性主要取决于生产过程中所使用的生物质和动物原料的类型。在原来种植粮食的农田上，种植生物质资源会带来粮食安全隐患[41]。环境和经济方面的巨大障碍，也阻碍了生物燃料的大规模应用。目前，有关生物燃料如何帮助加速低碳转型的研究也在与日俱增[42]。

一台联合收割机正在一大片农田上收割大豆。虽然玉米和大豆等作物可以用来生产低碳燃料，但转化农田生产生物燃料，会给粮食安全带来压力。图源：BanksPhotos/iStock

电动化船舶与推广岸电是全球航运业实现零排放的另一种选择。但鉴于目前的基础设施条件，电动化方案只适用于近海贸易或国内小型渡轮[43]。当然，如果能与其他燃料结合使用，其应用范围可能会扩大，如可以使用柴油发电机为船用电动发动机充电[44]。

实现航运业净零排放，需要做些什么？

进一步扩大可再生能源规模，是航运业成功转型的重要前提。这一点毋庸置疑。

生产氢、氨和甲醇等燃料需要大量能源，这意味着必须在这些燃料的生产过程中也需要实现脱碳，才能减少整体排放量。例如，如果氢燃料是石油炼化过程中副产品，会产生大量温室气体排放，削弱其作为低碳解决方案的潜力[45]。目前，全球只有30%的能源是可再生的[46]。尽管可再生能源转型的发展势头强劲，全球必须加速扩大可再生能源的投资和生产[47]，否则将无法生产出足够的零排放燃料，实现2050年净零排放的目标[48]。

要真正实现《巴黎协定》目标，航运业还需要做出比IMO提出的2023年战略更有力的承诺，这也是全球航运公司、各国政府及其他各利益相关方在这一问题上展现领导力的重要机遇。

目前，美国和挪威政府在第27届联合国气候变化大会（COP27）上发起了“绿色航运挑战”倡议[49]，得到了可持续海洋经济高级别小组的支持[50]。这也进一步激励了各国政府、港口和船舶公司纷纷做出净零排放承诺。欧盟于2024年1月起正式将航运业的排放[51]纳入欧盟排放交易体系[52]，旨在鼓励航运业加快转型。此外，一些机构还在呼吁针对国际航运的温室气体排放征收税费[53]，将其收入用于资助发展中国家的气候解决方案。尽管包括世界银行和一些国家政府在内的支持这一提议[54]，但IMO在2027年之前就此提议前达成一致的可能性较低[55]。

一艘大型货船正驶过荷兰的一个风力发电场。发展风能等可再生能源对于大规模生产零碳航运所需的燃料至关重要。图源：kruwy/iStock

实现转型也需要大幅增加对低碳燃料与相关基础设施的资金投入。要使零碳燃料在商业上可行、在船舶上使用安全可靠，并在全球航运业推广和应用，都需要耗费高昂的资金进行支持；据估算，实现航运业的减排目标需要花费约1万亿至1.4万亿美元的资金[56]。

目前，航运业可以获得一些融资支持，例如《波塞冬原则》当前签署国，可提供总额超过1850亿美元的债务融资；大型航运公司也预计将在未来增加低碳投资[57]。IMO提出的“2023年战略”中还列出了一份商业案例，包括增加公共和私人投资、协调新进场资金和现有资金等，这都有助于推动各国家和地区出台自身的政策。但目前最主要的挑战在于能否及时为这些解决方案提供资金，从而实现《巴黎协定》的目标。

绘制科学路线，驶向绿色低碳未来

尽管航运业的低碳转型会面临各种挑战，但也创造了独一无二的机遇[58]。航运业的低碳发展不仅可以遏制气候变化，还可以成为气候创新领域的领军行业，通过开发低碳燃料基础设施，帮助其他能源行业实现减排目标；改善沿海空气质量，减少航运污染引起的人类健康风险和过早死亡，创造与新燃料供应链相关的就业机会等[59]。航运业必须积极采取行动，大力增加资金投入，制定强有力的政策框架，才能确保这一关键转型得以如期实现。

原文作者

Juan Garcia Valencia, Amy Swift 

参考文献

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[3] IMO. 2023. IMO Strategy on reduction of GHG emissions from ships. https://www.imo.org/en/OurWork/Environment/Pages/IMO-Strategy-on-reduction-of-GHG-emissions-from-ships.aspx#:~:text=The%202023%20IMO%20GHG%20Strategy,and%20their%20impacts%20on%20States

[4] CNN. 2023: Global shipping industry climate pledge slammed as a ‘wishy washy’ compromise. https://edition.cnn.com/2023/07/07/world/shipping-imo-climate-pledge-intl/index.html

[5] TE. Ships. https://www.transportenvironment.org/challenges/ships/#:~:text=Shipping%20emits%201%2C000%20Mt%20CO2,3%25%20of%20global%20CO2%20emissions.

[6] WHO. Air pollution is responsible for 6.7 million premature deaths every year. https://www.who.int/teams/environment-climate-change-and-health/air-quality-and-health/health-impacts/types-of-pollutants

[7] EPA. Acid Rain.https://www.epa.gov/acidrain/what-acid-rain

[8] CB. https://www.carbonbrief.org/soot-fingered-as-climate-threat/

[9] Transport Environment. How does shipping harm air quality in Europe? https://www.transportenvironment.org/challenges/ships/ship-air-pollution/

[10] OECD. Ocean shipping and shipbuilding. https://www.oecd.org/ocean/topics/ocean-shipping/

[11] Sustainable Ocean Economy (Ocean Panel). The Ocean as a Solution to Climate Change: Updated Opportunities for Action. https://oceanpanel.org/publication/ocean-solutions-to-climate-change/

[12] IMO. 2023: IMO’s work to cut GHG emissions from shipshttps://www.imo.org/en/MediaCentre/HotTopics/Pages/Cutting-GHG-emissions.aspx

[13] Science Derict. Slow steaming and a new dawn for wind propulsion: A multi-level analysis of two low carbon shipping transitions. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0308597X16301300

[14] EM. 2023: Net-zero shipping: where there’s a will. https://www.energymonitor.ai/sectors/transport/net-zero-shipping-where-theres-a-will/

[15] UN. 2020: Bridging the gap – the role of international shipping and aviation. In: Emissions Gap Report 2020. https://e-space.mmu.ac.uk/627068/1/EGR20ch5.pdf

[16] EM. 2023: Net-zero shipping: where there’s a will. https://www.energymonitor.ai/sectors/transport/net-zero-shipping-where-theres-a-will/

[17] BBC. 2023: AThe International Maritime Organization has set a net-zero goal "by or around 2050". What is needed to reach this?. https://www.bbc.com/future/article/20230707-what-would-net-zero-shipping-look-like

[18] [19] [20]EM. 2023: Net-zero shipping: where there’s a will. https://www.energymonitor.ai/sectors/transport/net-zero-shipping-where-theres-a-will

/[21] The shipping industry’s fuel choices on the path to net zero.https://www.globalmaritimeforum.org/content/2023/04/the-shipping-industrys-fuel-choices-on-the-path-to-net-zero_final.pdf

[22] Gard. 2022. Decarbonization of shipping – emerging alternative fuels from a US perspective. https://www.gard.no/web/updates/content/33127327/decarbonization-of-shipping-emerging-alternative-fuels-from-a-us-perspective

[23] ICCT. 2023. The climate implications of using LNG as a marine fuel. https://old.stand.earth/sites/stand/files/20200128-ICCT-StandEarth-Climate-Implications-LNG-As-Marine-Fuel.pdf

[24][25] UN. The Challenge. https://unece.org/challenge

[26] UCL. Exploring methods for understanding stranded value: case study on LNG-capable ships. https://discovery.ucl.ac.uk/id/eprint/10156288/

[27] UCL. Exploring methods for understanding stranded value: case study on LNG-capable ships. https://www.dropbox.com/s/ok3912v3xzeyclb/Stranded%20value%20-%20case%20study%20on%20LNG-capable%20ships%20FINAL.pdf?dl=0

[28] Gard. Decarbonization of shipping – emerging alternative fuels from a US perspective. https://www.gard.no/web/updates/content/33127327/decarbonization-of-shipping-emerging-alternative-fuels-from-a-us-perspective

[29] EXPERTISE. ALTERNATIVE FUELS – WHAT DOES THE FUTURE HOLD FOR SHIPPING? https://www.wfw.com/articles/alternative-fuels-what-does-the-future-hold-for-shipping/

[30] Maersk. Maersk secures green methanol for maiden voyage of the world’s first methanol-enabled container vessel. https://www.maersk.com/news/articles/2023/06/13/maersk-secures-green-methanol

[31] EXPERTISE. ALTERNATIVE FUELS – WHAT DOES THE FUTURE HOLD FOR SHIPPING? https://www.wfw.com/articles/alternative-fuels-what-does-the-future-hold-for-shipping/

[32] ICCT. A STEP FORWARD FOR “GREEN” METHANOL AND ITS POTENTIAL TO DELIVER DEEP GHG REDUCTIONS IN MARITIME SHIPPING . https://theicct.org/a-step-forward-for-green-methanol-and-its-potential-to-deliver-deep-ghg-reductions-in-maritime-shipping%E2%80%AF/

[33] Fonden Mærsk Mc-Kinney Møller Center. Recommendations for Design and Operation of Ammonia-Fueled Vessels Based on Multi-disciplinary Risk Analysis. https://www.zerocarbonshipping.com/publications/recommendations-for-design-and-operation-of-ammonia-fueled-vessels-based-on-multi-disciplinary-risk-analysis/

[34] EM. Abhinav Yadav & Byongug Jeong (2022) Safety evaluation of using ammonia as marine fuel by analysing gas dispersion in a ship engine room using CFD, Journal of International Maritime Safety, Environmental Affairs, and Shipping, 6:2-3, 99-116, DOI: 10.1080/25725084.2022.2083295

[35] IEA. 2021: Hydrogen as a driver for the decarbonisation of shipping. https://www.iea.org/articles/hydrogen-as-a-driver-for-the-decarbonisation-of-shipping

[36] Gard. Decarbonization of shipping – emerging alternative fuels from a US perspective. https://www.gard.no/web/updates/content/33127327/decarbonization-of-shipping-emerging-alternative-fuels-from-a-us-perspective

[37] EXPERTISE. ALTERNATIVE FUELS – WHAT DOES THE FUTURE HOLD FOR SHIPPING?. https://www.wfw.com/articles/alternative-fuels-what-does-the-future-hold-for-shipping/

[38] SPECTRA. 4 ways of storing hydrogen from renewable energy By Andrea Willige. https://spectra.mhi.com/4-ways-of-storing-hydrogen-from-renewable-energy

[39] Gard. Decarbonization of shipping – emerging alternative fuels from a US perspective. https://www.gard.no/web/updates/content/33127327/decarbonization-of-shipping-emerging-alternative-fuels-from-a-us-perspective

[40] Science Direct Experimental analysis of biofuel as an alternative fuel for diesel engines. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261912000736?casa_token=6T-hkFAKafcAAAAA:Z3qLhEz7KjJCYjNKqIt2wN_i7zLj6L5SarBjRN3BdXWtVJ49TL1OYGnP9lWmXph02tqHdci2-g

[41] UKP&I.2023: Green Shipping - Transitional Fuels. https://www.ukpandi.com/news-and-resources/articles/2023/green-shipping-transitional-fuels/

[42] ENERGY .GOV: ADOE Announces $61.4 Million for Biofuels Research to Reduce Transportation Emissions. https://www.energy.gov/articles/doe-announces-614-million-biofuels-research-reduce-transportation-emissions

[43][44] Gard. Decarbonization of shipping – emerging alternative fuels from a US perspective. https://www.gard.no/web/updates/content/33127327/decarbonization-of-shipping-emerging-alternative-fuels-from-a-us-perspectiveships.aspx#:~:text=The%202023%20IMO%20GHG%20Strategy,and%20their%20impacts%20on%20States

[45] ACS. Hydrogen Production Technologies: From Fossil Fuels toward Renewable Sources. A Mini Review. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.energyfuels.1c0250

[46] IEA. World Energy Outlook 2023. https://iea.blob.core.windows.net/assets/26ca51d0-4a42-4649-a7c0-552d75ddf9b2/WorldEnergyOutlook2023.pdf

[47] WRI. These 8 Countries Are Scaling Up Renewable Energy the Fastest.https://www.wri.org/insights/countries-scaling-renewable-energy-fastest

[48] EM. Net-zero shipping: where there’s a will. https://www.energymonitor.ai/sectors/transport/net-zero-shipping-where-theres-a-will/

[49] Ocean Panel. Ocean Panel strongly supports ‘Green Shipping Challenge’ spearheaded by Norway and USA. https://oceanpanel.org/ocean-panel-strongly-supports-green-shipping-challenge/

[50] OECD. U.S. Announcements Under the Green Shipping Challenge at COP27. https://www.state.gov/u-s-announcements-under-the-green-shipping-challenge-at-cop27/

[51] REUTERS. EU strikes deal to make ships pay for their carbon emissions. https://www.reuters.com/business/cop/eu-strikes-deal-make-ships-pay-their-carbon-emissions-2022-11-30/

[52] EC. Reducing emissions from the shipping sector. https://climate.ec.europa.eu/eu-action/transport/reducing-emissions-shipping-sector_en

[53] [54]The Guardian. Pressure grows on shipping industry to accept carbon levy https://www.theguardian.com/environment/2023/mar/22/pressure-grows-on-shipping-industry-to-accept-carbon-levy

[55] The Guardian. Shipping emissions levy delayed but goals for greenhouse gas cuts agreed. https://www.theguardian.com/environment/2023/jul/07/shipping-emissions-levy-delayed-but-goals-for-greenhouse-gas-cuts-agreed

[56] CNN.Shipping has sailed under the radar when it comes to climate action. That could all change this week. https://edition.cnn.com/2023/07/06/world/shipping-climate-imo-net-zero-intl/index.html

[57] GMF. A GLOBAL FRAMEWORK FOR RESPONSIBLE SHIP FINANCE. https://www.globalmaritimeforum.org/poseidon-principles

[58] Science Direct. RACE TO ZERO. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0196890418314250

[59] EM. Why policy coherence is critical to shipping’s green transition. https://climatechampions.unfccc.int/why-skills-development-is-critical-to-shippings-green-transition/